管道振动产生的原因浅析

来源：节选自百度文库《管道振动分析》讲义，cdxiaozhi66分享。

本文摘要（由AI生成）：

本文介绍了流体动力学的基本概念，包括不可压缩流体、定常流动与非定常流动、层流与湍流及允许流速。同时，还分析了管道振动的原因及其危害，特别是液体管道和气体管道中的振动问题。液体管道振动主要由液压冲击、节流口空穴现象等引起，而气体管道振动则与气流脉动和机械振动系统有关。解决管道振动问题，关键在于识别并消除引起振动的根源。

管道内部的介质多为流体，即气体或液体，因此管道以内部介质种类分为气体管道和液体管道。由于管道内流体参数往往是随时间而变化的，因而常导致管道振动。与往复机械相联的管道内部介质特性波动比较常见，因此往复机械相关管道振动也是常见异常现象之一。在介绍管道振动原因之前，我们先了解一下流体在管道内的流动。

 1、可压缩流体与不可压缩流体

• 层流是指流体质点间相互不混杂的流动，亦称片流。

• 湍流是指流体质点相互混杂而无层次的流动，亦称紊流。

湍流时，由于液体质点的不规则运动，使空间上任一点的流速无论其大小或方向都随时间而变化（其它流动参数也可能随时间而变化）。因此，湍流实质上总是非定常流动。从层流转变为湍流时，管道内流体的平均流速称为临界流速。

• 液压系统中换向阀关闭，突然停止管道中液体流动，出现液压冲击，使管道产生振动。在图1所示液压系统中，当换向阀开启且开度不变时，液体在管道内保持稳定流动。开始时管道内液体自左向右流动，此时管道中的流速和压力称为起始流速和起始压力。

• 液压系统控制的运动部件制动时产生的液压冲击使管道产生振动。如图2所示，液压动力源经换向阀供油，从右管道进入执行元件液压缸右腔，活塞组件带动外负载向左运动。当换向阀突然关闭，油液被封在液压缸两腔及左、右管道中，由于惯性，活塞组件的运动不能立即停止，急需运动，使液压缸及左管道内液体受压缩，压力急剧上升，最终达到某一压力峰值，于是液压缸及管道内将产生液压冲击。当运动部件的动能，全部转化为液体的弹性能时，活塞组件将停止运动。此时液体的弹性能开始释放，并改变活塞组件的运动方向，使活塞组件向右运动。这样交替变换运动方向，将持续地振荡一段时间，使管道产生振动，直到液压系统的内泄漏、外泄漏及摩擦损失耗尽了全部能量之后，管道的振动才能停止。

• 液体流经节流口处，将引起空穴现象，致使管道产生振动。在流动的液体中，因流速变化引起压降而产生气泡的现象称为空穴现象。空穴现象将使管道产生噪声和振动，并使管道内部表面受到腐蚀。图3所示为液体流经节流口处出现空穴现象的示意图。当液体流到图示节流口的喉部位置时，根据伯努利方程，该处压力值将降到很低。若在工作温度下，此压力值如低于液体的空气分离压，溶解于液体中的空气将迅速大量分离出来；如低于液体的饱和蒸汽压，液体将迅速汽化。不论是前者还是后者，液体中都将出现大量气泡，这些气泡随着液体流到压力较高的部位处，因受不了高压而破灭，产生局部的液压冲击，发出噪声并引起管道振动。

• 液压系统中，因U形管内液体的振动而引起管道振动。

• 液压泵和液压马达的结构参数、液压泵的进油管道设计不正确，将产生管道的振动。

• 管道内液体的流动速度过快，管道系统的设计与配置不正确，而产生管道振动。

• 气体流动激励管道产生的机械振动。管道内所均匀充满的气体称为气柱。气柱具有可压缩及膨胀的性质，因此气柱本身是一个具有连续质量的弹性振动系统。弹性振动系统受到一定激励后，将会产生振动。压缩机汽缸的周期性吸气和排气，使气流的速度和压力产生周期性的变化，即气流脉动，形成对管道内气柱的激励，使气柱振动。管道内气柱振动的结果，将产生管道内的压力脉动，从而形成管道的振动。

• 机械振动系统激励管道产生的振动。管道本身、管道附件和支架等所构成的管路系统实际上也是一个机械振动系统，当压力脉动作用在管路的转弯处或管道截面变化处，将产生不平衡力，此力将引起管道的机械振动。

生产实践表明，压缩机机组及管道的振动，绝大部分都是气流脉动所引起的。气流脉动将激发管道产生机械振动。管道振动反过来又会引起机组的振动。因此，消除管道系统的振动，首先应考虑消除气流脉动。