液压机管路设计关键技术

谢淑武

(巨轮智能装备股份有限公司522000)

摘要:液压管路是液压机的重要组成部分，液压管路的设计直接关系到整机的正常运行，而传统的管路设计只局限于外观的设计，没有充分考虑流场和管路频率的影响。液压管路设计是提高液压机可靠性的重要途径。针对液压机的设计问题,如空间干扰,合理安排,流场分布、振动和石油泄漏,方便拆卸和安装,和可靠的维护、管道设计需要研究的主要内容和重要应用现代设计方法在管道设计中提出。

关键词:液压机；管路设计；关键技术

引用：液压机液压装置的各个元件通过管道连接在一起。液压管路将液压油从液压泵输送到各执行机构，再从执行机构引回油箱，形成闭环。液压管路是液压机不可缺少的组成部分，是连接阀块与液压缸的重要传动载体，是维持液压机正常运行的基本条件。管道设计是保证液压机质量的关键技术。为提高液压机管路设计的效率和可靠性，研究了液压机管路设计的关键技术和设计方法。

一、液压机管路设计主要研究内容

针对空间干涉、合理布置、流场分布、振动漏油、拆装方便和可靠维护等液压机设计问题，液压机管路设计的主要研究内容包括以下几点:

(1)管径及壁厚的设计。管径和壁厚是进行管路设计时首先要确定的两个基本参数，是管路设计的基础。管道内径主要和管内流量、流速有关。内径过小会使工作介质流速过大，温升加快，能耗加大，容易产生气穴现象，引起管道泄漏，振动和噪声等问题；内径过大会引起油管体积和质量的增大，同时也增加了设备的重量和成本。管道壁厚与管道内径、最大工作压力和管道的许用应力有关。壁厚选的过小会使管道的安全性降低；选的过大会引起设备质量和成本的增加，所以，管路设计时首先要设计合理的管径和壁厚。

(2)重要管件的流场和温度场分布。弯头和三通是管路的重要组件，流体流经弯头时管内流场会发生很大变化，引起压力和速度重新分布，导致产生能量损失和管路振动等问题。同时，采用不同的入流方式时，三通流场和温度场分布也大不相同，甚至在-~些管路设计的关键点，二者的流场和温度场分布将直接影响到整个管路的走向和布置情况，所以对重要管件进行流场和温度场的分析是管路设计的一个重要内容。

(3)布管设计和布管原则。布管设计是管路设计中最核心的部分，管路间距的大小、管路走向的设计以及管路布局是否合理直接关系到管路系统质量的好坏。因此，在布管设计的同时总结归纳出布管的通用原则也显得非常重要。

(4)管路振动的模态分析和支撑布置。工作中管路系统难免产生振动，这会对整机的运行产生不利影响，应尽量减小振动，对管路系统进行模态分析，通过调整管路支撑的位置来改变其固有频率，力求避免共振。

(5)管路设计原则的确定。管路设计原则具有较强的通用性，是工程设计人员进行管路设计的主要参考依据。管路设计原则的确定可以有效的缩短设计周期，提高设计效率增加产品收益。

二、液压机管路设计关键技术问题及主要研穷内容

液压管路是液压机的血脉，是保障液压机正常稳定工作的重要附件。液压管路的好坏直接关系到液压机能否正常工作，因而液压管路设计也是整机设计的重点内容。很多设备供应商没有专的管路设计组，出厂的设备管路杂乱无章，随意性很强，造成在生产作业时管路事故频发，严重影响生产进度，损害厂家利益。现阶段管路设计存在的主要问题如下:

(1)干涉问题。干涉问题主要有:管路之间的干涉管路和设备之间的干涉两种情况。干涉会使得管路布置无法完成或者给管路带来较大的附加外力，容易引起管路的不稳定，产生泄漏、振动等问题，所以在设计时必须避免千涉问题的存在。

(2)管路布置是否合理的问题。管路布置是管路设计的核心部分，主要包括管路间距和管路走向两个方面。管路布置是否合理直接关系到管材用量的多少、设计周期的长短、管路系统能量损失的大小以及管路批量设计的可能性。同-套设备采用不同的管路布置方法得到的设计效果可能相差很大。

(3)管路内部工作介质流场分布问题。传统的管路设计主要侧重管路外形设计，但随着研究的深人，管路内部工作介质的流场分布情况成为管路设计中又一个必须面对的重要问题。管流分布是管路走向设计的一个主要依据，是研究管路振动和能耗机理的一个重要方法。

(4)管路振动和能耗问题。管路振动和能耗是管路设计中不可避免的难题，该问题涉及面广，复杂难解。流体流经管路时会产生沿程压力损失和局部压力损失，流向发生改变、压力脉动和设备的振动等会引起管路振动，合理的管路设计能一定程度的减小能量损失和管路振动，但很难避免。

三、现代设计方法在液压机管路设计中应用

液压管路设计就是用管道和各种管件把液压装置中的各种元件连接起来实现液压系统功能设计。:随着计算机技术发展，现代设计方法在管路设计中的应用主要集中在管路设计数值分析、管路布置和管路振动等方面的研究。

(1)管路设计仿真技术

随着计算机的发展和新算法的应用，数值仿真技术在管路设计中也起到了越来越重要的作用，其中以FLUENT和CFX软件在管路设计中的应用最具代表性。利用FLUENT软件可以对管路系统的结构参数和压降损失间的关系进行研究，建立相关数学模型以确定管道系统的最优结构参数；利用CFD软件可以计算液压集成块内部孔道的流场，计算产生压力损失的原因，提出改进孔道结构的方法，预测关键部件管件的腐蚀率。

(2)管路三维布置设计

管路布置方面的研究，最初是由传统的二维设计及简单的设备所构成，后来逐渐发展到三维多约束及多目标条件的系统，三维软件JhSolid具有管道起点、终点定位，管路中心线自动生成等新功能。

目前针对各种三维软件管路插件的二次开发和各种算法的应用，已成为提高管路布置效率的主要方法。基于蚁群算法的三维管路路径规划是将蚁群系统应用于三维管路路径规划的过程中，对具体实施细节进行了改进，将蚂蚁的信息素释放在节点上而不是节点边上，这样就减少了庞大的距离矩阵，降低了运算量，已应用到了船舶、飞机和汽车内组装系统管路的三维设计中。

(3)管路振动动态设计

管路的振动特性是管路系统研究中最根本，也是研究最广泛的内容，其主要包括管路的固有特性和动态特性。管路振动特性的研究已有上百年历史，从19世纪仅考虑刚性直管内不可压缩流体的非耦合线性运动到现在的弹性管内考虑流固耦合的非线性运动，管路振动特性的研究已取得了巨大的进展。

可以通过建立理想管路结构的物理模型，运用功率键合图的方法建立管路模型，并推导出液压管路的状态方程，最后应用MATLAB中的Simulink动态仿真软件包对管路动态特性进行仿真。也可以对充液管道做动态有限元分析，通过结合轴向壳单元和一维流体单元，并考虑他们之间的相互作用，建立一个有限元模型来研究充液管路的特性。更为细致的设计，需要考虑管路中不同组件(如弯管、变截面管，以及在管路中增加集中质量)引起的剧烈扰动，管路中的橡胶接头、弹性支撑、刚性支撑等对管路动态特性及稳定性、约束边界的影响。

结束语

现阶段，对液压机的主体机械设计和自动化控制技术的研究都有了很大的发展，但作为液压机的重要组成部分管路设计却没有得到应有的重视，加之管路设计方法的不完善等，管路事故率在整机事故率中高居不下。管路设计一方面没有得到充分重视；另一方面，在设计方法上仍只停留在传统的平面设计水平，设计周期长，准确性差。随着科技的快速发展，管路设计时应该结合先进的建模和分析软件，吸收近期的研究成果，总结出较系统的设计方法，使液压机的管路设计周期更短，效率更高，可靠性更好。

参考文献：

[1]巴鹏，闫小楼，欧局华，等.稀油站管路系统优化设计及CFD模拟2017.12

[2]王军.液压集成块内部孔道流场的CFD仿真分析2017.6

[3]李荣.基于Fluent液压集成块内部流道流场的数值模拟2016.9