一种解决阻尼延时装置动态平稳特性的方法

王俊光 ，马为峰 ，张孝毅，韩小晨

(1.中国船舶集团有限公司 第705研究所，陕西 西安 710076；2.山西平阳重工机械有限责任公司，山西 侯马 043003)

鱼雷热动力系统的换速过程要求必须平稳且无振荡冲击，否则会引起燃烧冲击，燃烧室压力必将发生不同程度的超调[1]。为避免这种情况的发生，设计了一种阻尼延时装置，它主要由阻尼器和延时器组合而成。阻尼器由6个节流孔板组成，孔板直径为0.5 mm，但孔的分布位置不同，一种在圆中心，另一种在距离圆心1.9 mm处。2种孔板形式示意图见图1，二者成对使用，装于换速管路中。延时器由弹簧、活塞、壳体等组成，阻尼延时装置整体结构示意图见图2。根据经验和设计计算，换速时，液体通过成对孔板组成的复合节流孔板和延时器，使作用到换速机构的液体流速减缓，同时液体压力克服延时器弹簧作用力使活塞正常动作，从而起到延时作用。但对换速过程的平稳性未能给出细致的考虑，因此本文从出现的问题入手，采用计算反演的方式，推断出液体流动的瞬时状态，并根据分析结论，提出了新的解决方案和试验方法，试验结果验证了该方法可行。

图1 2种孔板形式示意图

图2 阻尼延时装置整体结构示意图

1 问题提出

正常情况下，升速时通过换速管路的液体压力升高，延时器中弹簧受压缩，活塞上行，该装置出口压力应在规定时间内平缓上升。降速时，出口压力应在规定时间内平缓下降。但在参加系统热态试验时，发现升速过程中存在出口压力回跳现象，压力回跳曲线如图3所示，对燃烧组织及整个动力系统的工作造成一定冲击，极易造成热动力系统的破坏甚至爆炸。

图3 压力回跳曲线

2 试验设计，问题分析及解决方案

为解决动力系统试验时出现的问题，现需模拟动力系统的工况，设计一种新的试验装置及试验方法。经过讨论分析，试验系统设计示意图如图4所示。正常工作时，电磁阀上电，出口压力表应平缓上升；电磁阀失电，出口压力表应平缓下降。

图4 试验系统设计示意图

试验后对多套该装置进行分解，发现延时器的弹簧内圈有摩擦痕迹，且分布较为一致，说明活塞上端与弹簧内圈存在卡滞现象。传统经验公式计算弹簧强度局限于垂直压缩工况，并不能计算弹簧的运动轨迹及其布置方案对装配状态下的应力影响[2]，弹簧如何变形主要是由受力状况确定的，若受力稍有偏斜，则弹簧变形弯曲。根据试验结果，弹簧在活塞初始动作瞬间存在弯曲现象，为避免这种弯曲变形产生的卡滞，对活塞上端进行倒角加大且倒圆处理，活塞改进示意图如图5所示。改进后再次进行动作试验，试验结果有所好转，但压力回跳仍存在。

图5 活塞改进示意图

对该装置进行整体分析，弹簧刚度对其动态特性影响很小[3]。然后从弹簧受力的微变形角度出发，计算活塞开启瞬间所需要的液体压力，由于活塞及密封圈的摩擦阻力较弹簧的预紧力小得多，故忽略摩擦阻力，计算如下：

P0=F0/S，

(1)

F0=Kx0，

(2)

x0=h0-(d-h1-d1-δ1-δ2)，

(3)

活塞到达上极限位置瞬间所需的液体压力P1为：

P1=F1/S，

(4)

F1=Kx2，

(5)

x2=h0-h2，

(6)

式中，F1为活塞到达上极限位置所需的力，N；x2为弹簧总变形量，mm；h2为活塞弹簧座高度，mm。

各物理量参数见表1。

表1 物理量参数

将表1中的数据代入以上公式计算，可得：F0=41.02 N，P0=0.084 MPa，P1=1.02 MPa。

(7)

基于上述的计算分析，活塞动作前液体应均匀充满其底部，故在活塞底部加工直径20 mm、深0.5 mm的凹面，使液体填充充分，预计该方案可解决此问题，再次改进后的活塞示意图如见6。

图6 再次改进后的活塞示意图

3 试验对比

对设计更改后的活塞进行试验验证，改进后试验结果如图7所示。对所有已经加工的活塞进行返修，并再次进行动作试验。

图7 改进后试验结果

161#、166#、167#、168#、169#、1610#在动作试验中均上升平缓。1611#在动作试验中上升一般平缓，稍有振荡，经分析后对延时装置的壳体内圆进行研磨，再次试验，出口压力上升平缓。169#、1610#、1611#除进行上述动作试验验证外，还搭载了系统功率试验，均通过试验验证，结果表明，该方法有效，问题得到了解决。

4 结束语

针对弹簧元件作用下的延时装置进行分析，通过对液体当量作用面积的反算，根据出现的问题大致推断出液体流动的瞬时状态，从而弥补了传统经验和设计方法对微观问题的认识不足之处，进而提出了一种通过计算反演的方法来解决此类问题的新思路，使瞬时流态引起的问题得到了很好的解决。试验结果证明该方法切实有效可行，为今后相似问题的解决提供了一条新的途径。