在船舶工業(yè)和流程工業(yè)等領(lǐng)域中,泵和閥作為管網(wǎng)系統(tǒng)中重要的動(dòng)力設(shè)備和調(diào)控裝置,其動(dòng)態(tài)特性和振動(dòng)直接關(guān)系到系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。離心泵和控制閥屬于最常用的泵閥類型,它們的動(dòng)態(tài)特性也各具特點(diǎn)。對(duì)于控制閥而言,控制的可靠性直接受到閥門內(nèi)部非定常流動(dòng)的影響,因此其流場(chǎng)動(dòng)特性的準(zhǔn)確獲取及分析是一個(gè)關(guān)鍵問題。對(duì)于離心泵而言,其內(nèi)流的非定常激勵(lì)對(duì)泵機(jī)腳的振動(dòng)有著至關(guān)重要的影響,如何從機(jī)腳振動(dòng)信號(hào)中提取出流致振動(dòng)激勵(lì)源的影響程度以及激勵(lì)產(chǎn)生機(jī)理是離心泵振動(dòng)控制的研究難點(diǎn),而傳統(tǒng)的頻譜分析很難獲得流動(dòng)激勵(lì)的機(jī)理。為更好地研究泵閥非定常流致振動(dòng)機(jī)理并實(shí)施控制,本文提出基于循環(huán)平穩(wěn)結(jié)合數(shù)值模擬的方法對(duì)泵閥壓力脈動(dòng)和振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行研究,在此基礎(chǔ)上以抑制振動(dòng)為目標(biāo)進(jìn)行典型泵閥的改進(jìn)設(shè)計(jì)。論文的主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面:(1)探討了控制閥和離心泵動(dòng)特性獲取與分析中不同的側(cè)重點(diǎn),提出了結(jié)合非定常流場(chǎng)和信號(hào)分析的方法來揭示泵閥內(nèi)部流動(dòng)激勵(lì)的動(dòng)態(tài)特征,即基于數(shù)值模擬獲取非定常流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)信號(hào),并在循環(huán)平穩(wěn)理論范疇內(nèi)對(duì)其進(jìn)行信號(hào)分析和激勵(lì)源特征提取。(2)針對(duì)控制閥非定常流動(dòng)激勵(lì)的一階周期性信號(hào)特點(diǎn),引入時(shí)變均值作為一階循環(huán)平穩(wěn)統(tǒng)計(jì)量對(duì)其進(jìn)行研究。針對(duì)離心泵的流致振動(dòng)問題,推導(dǎo)了流致振動(dòng)激勵(lì)源與振動(dòng)信號(hào)的調(diào)制模型,從理論上上證明了離心泵機(jī)腳振動(dòng)信號(hào)的二階循環(huán)平穩(wěn)性。在此基礎(chǔ)上,引入循環(huán)密度譜以及循環(huán)譜相干性等二階循環(huán)平穩(wěn)統(tǒng)計(jì)量對(duì)離心泵振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析。(3)分析了驅(qū)動(dòng)式和自動(dòng)式兩類控制閥流場(chǎng)動(dòng)特性獲取方法,以脈沖調(diào)制(Pulse-Width Modulation,簡(jiǎn)稱PWM)控制閥為例提出了基于動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)的驅(qū)動(dòng)式閥門流場(chǎng)動(dòng)態(tài)特性提取方法。同時(shí),以彈簧式壓力調(diào)節(jié)閥為例,提出了結(jié)合數(shù)值模擬和一維瞬態(tài)仿真的自動(dòng)式閥門流場(chǎng)動(dòng)特性獲取方法,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。分析了自動(dòng)式閥門信號(hào)中存在的一階循環(huán)平穩(wěn)性,同時(shí)研究了阻尼、入口壓力變化方式以及入口壓力脈動(dòng)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)特性的影響�？偨Y(jié)出系統(tǒng)阻尼和入口壓力變化速度是影響系統(tǒng)收斂的兩個(gè)重要因素,并且指出入口壓力脈動(dòng)頻率與閥門系統(tǒng)固有頻率的大小關(guān)系,可產(chǎn)生對(duì)閥門動(dòng)特性不同的作用機(jī)理。(4)采用二階循環(huán)平穩(wěn)統(tǒng)計(jì)量對(duì)離心泵振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了分析,結(jié)果表明離心泵振動(dòng)信號(hào)存在二階循環(huán)平穩(wěn)特征,并驗(yàn)證了離心泵流致振動(dòng)激勵(lì)源與振動(dòng)信號(hào)的調(diào)制模型,指出以葉頻為主的離心泵流致振動(dòng)激勵(lì)源可提高泵機(jī)腳振動(dòng)信號(hào)全頻段的幅值。同時(shí),通過對(duì)離心泵開啟過程中變轉(zhuǎn)速情況下振動(dòng)信號(hào)的循環(huán)平穩(wěn)分析,研究了時(shí)間采樣和角度采樣對(duì)離心泵振動(dòng)信號(hào)中二階循環(huán)平穩(wěn)性的影響。(5)在離心泵振動(dòng)信號(hào)分析的基礎(chǔ)上,以抑制離心泵流致振動(dòng)激勵(lì)源為目標(biāo),通過葉片壓力面吸力面耦合設(shè)計(jì)理念對(duì)離心泵葉片厚度分布規(guī)律進(jìn)行研究。設(shè)計(jì)出一種翼型葉片,在蝸殼式和導(dǎo)葉式離心泵中進(jìn)行了驗(yàn)證,通過與常規(guī)葉片和加厚葉片的壓力脈動(dòng)及徑向激勵(lì)力的對(duì)比分析,結(jié)果顯示翼型葉片能有效降低蝸殼及導(dǎo)葉內(nèi)的壓力脈動(dòng)以及徑向激勵(lì)力幅值。本文基于非定常數(shù)值模擬提出了泵閥內(nèi)非定常流動(dòng)特性的獲取方法,針對(duì)控制閥和離心泵的動(dòng)特性信號(hào)的差異,分別引入一階和二階循環(huán)平穩(wěn)統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行分析,并通過理論和實(shí)驗(yàn)對(duì)該方法進(jìn)行了驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上,以抑制流致振動(dòng)激勵(lì)源為目標(biāo)優(yōu)化了離心泵和控制閥的結(jié)構(gòu),并在激振力控制上取得了效果。研究結(jié)果表明本論文提出的基于數(shù)值模擬和循環(huán)平穩(wěn)的泵閥動(dòng)特性獲取及分析方法可以有效地揭示泵閥內(nèi)流場(chǎng)的非定常流動(dòng)機(jī)理,從而很好地指導(dǎo)工業(yè)應(yīng)用中離心泵及控制閥系統(tǒng)的低振動(dòng)設(shè)計(jì)。
【學(xué)位單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TH311;TH134
【部分圖文】：

?｜?ｌ??（ｗｗｐｉｎｐｉｉｉｆｐｍｉ，ｉｉ酬?ｐｐｐｐｐｐｕｆｉｗｉｉｉｐ！哪??圖２．１時(shí)變均值算法原理圖??２．１．２?時(shí)變均值的抑噪性??根據(jù)公式（２．１）時(shí)變均值的定義式可以看出，該公式其實(shí)就是傳統(tǒng)信號(hào)分析處理??中的時(shí)域同步平均算法。假設(shè)信號(hào)具有零均值的觀測(cè)噪聲，如果信號(hào)的周期是已知的，??則通過時(shí)域同步平均方法可有效提取出信號(hào)中的周期成分特征。??由于同步平均的引入，在很大程度上降低了信號(hào)的噪聲水平，因此時(shí)變均值在一??定程度上有抑制噪聲的作用。首先，以一個(gè)ＰＷＭ控制閥數(shù)值模擬得到的控制壓力信??號(hào)為例。對(duì)該信號(hào)進(jìn)行去趨勢(shì)化處理，如圖２．２所示。??，ｘｌ〇５??２｜?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?＂??＾?Ｉ?趨勢(shì)項(xiàng)??１?！?｜?！?！?ｊ?：?｜?！?｜?｜?｜?｜??

由于同步平均的引入，在很大程度上降低了信號(hào)的噪聲水平，因此時(shí)變均值在一??定程度上有抑制噪聲的作用。首先，以一個(gè)ＰＷＭ控制閥數(shù)值模擬得到的控制壓力信??號(hào)為例。對(duì)該信號(hào)進(jìn)行去趨勢(shì)化處理，如圖２．２所示。??，ｘｌ〇５??２｜?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?＂??＾?Ｉ?趨勢(shì)項(xiàng)??１?！?｜?！?！?ｊ?：?｜?！?｜?｜?｜?｜???０?０．０２５?０．０５?０．０７５?０．１?０．１２５?０．１５?０．１７５?０．２?０．２２５?０．２５?０．２７５?０．３??時(shí)間（ｓ）??、ｘｌ〇４??２１?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?ｉ?Ｉ?！?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ??龜ｒｌ丨八［Ａ八Ａ／Ｗ、Ａｊ??（卜、＇Ｊ?＼Ｊ＿??２１?Ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?｜?ｉ???＂０?０．０２５?０．０５?０．０７５?０．１?０．１２５?０．１５?０．１７５?０．２?０．２２５?０．２５?０．２７５?０．３??時(shí)間（ｓ）??圖２．２控制壓力信號(hào)的去趨勢(shì)化處理??１２??

??在實(shí)際過程中，觀測(cè)噪聲幾乎不可避免的，因此在圖２．２中添加了不同程度的觀??測(cè)噪聲信號(hào)以研究時(shí)變均值對(duì)于噪聲抑制的作用，其結(jié)果見圖２．３至圖２．５。??１０４??－Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?１?Ｉ?Ｉ?Ｉ?￣Ｉ?Ｉ?Ｉ?！?ｒ?）??ｓｓＭｆＶＷＷＷｊ??－）ｉ?Ｉ
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2875756