盲管在液压系统中的减振降噪研究.pdf

第 4期 总 第 1 7 3期 2 0 1 2年 8月 机 械 工 程 与 自 动 化 MECHANI CAL E NGI NEERI NG AUT MATI ON NO． 4 Au g． 文章编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 2 0 4 0 2 0 5 0 2 盲管在液压 系统 中的减振 降噪研 究 刘天勋 ，霍 电辉 ，林泽伟 1 ．三一重机有 限公 司。江苏 昆山 2 1 5 3 0 0 ；2 ．太原科技大 学 机械工程 学院，山西 太原0 3 0 0 2 4 摘要 对液压 系统 的流量脉动 、压力脉 动产生 的机理进 行 了分析研 究，重点分 析 了盲管在 液压 系统 中的减 振 、降噪作用 ，并给 出了盲管长度 的理论计 算方 法，得到 的结果 可以为 液压 系统 的减 振、降噪研 究提供理论 参考。 关键词 盲管 ；液压 系统 ；减振 降噪 中图分类号 TP 2 7 1 ． 3 1 文献标识码 B 0 引言 液 压 系统振 动是影 响 整机 质量 和工作 寿命 的一 个 突出问题。引起液压振动的因素很 多， 泵 的周期性流 量 脉动 是液 压系 统振 动 的 一 个 重要 诱 发 因 素 ， 如 果 相 应的管路系统与泵的流量脉动频率不匹配 ， 两者的振 动频率接近 ， 那么会造成泵源振动扩大化 ， 特别是管路 系统出现的液固耦合共振， 会降低管路 的使用寿命和 可靠性。液压系统的振动还会传输到机械结构， 如果 液压振动频率与机械结构本身的固有频率接近， 那么 将会导致整机的中高频振动， 使机械活动环节发生碰 撞 ， 紧固联接环节出现松动 ， 从 而降低整机寿命 ， 造成 巨大经济损失 。因此寻求可行的、 有效 的削弱该脉动 压力的措施 ， 对延长元件使用寿命、 提高主机性能、 降 低能耗都具有实际意义 。 1压 力脉动产 生 的机 理分 析 目前使用的液压泵都是基于容积原理设计 的， 它们 有个共同的特点就是容积变化的不联系性， 比如齿轮泵 的容积 变化与齿形有关 ， 叶片泵则 与双 叶片 间的容腔 有 关 ， 柱塞泵 与柱塞 的数 目有关 。容 积 的不连续性 和周 期 性变化使得泵的排出流量也是周期性变化的， 所以导致 整个液 压管 路 内 部 的压 力 也 是 相 应地 呈 周 期 性 波 动 。 另一方面， 当高速流动的流体介质遇到弯管、 异径管、 控 制阀等管道元件时， 也会产生随时间变化的激振力 ， 从 而形成压力脉动， 并经出口向整个系统传播[ 1 ] 。 2泵 源压 力脉 动原 理分 析 轴 向柱塞泵 的流量方程为 QQ0 q 。 s i n 4 o ￡ 。 ⋯⋯ ⋯⋯⋯ ⋯ ⋯⋯ 1 其 中 Q 0 为稳态流量值 ； q 为流量脉动的幅值 ； t 为泵 的运转 时 间 ； c u 为主 泵 的转 速 。 轴 向柱 塞泵 的压力 方 程为 P L PL o PL l。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 2 其 中 P 。 为常量部分； P 为压力脉动部分。 压 力脉 动部 分可 表示 为 P L1 一 舞 Sin 4 一 u K L卢 L 4 。 “ ～ a r c t a n 。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 3 其 中 为油液弹性模量； K 为负载泄漏参数； V L为 负载端容腔体积 。 由式 2 、 式 3 可 知 泵 口的压力 振动是 由流 量 的 周期性波动引起的， 流量 的波动量与压力波动值成正 比。压力脉动值随着负载泄漏参数 K 和负载端 容腔 体积 的增大而降低 ， 随着油液 弹性模量 降低而 降低 。如果提高泵的转速 和柱塞数 目也会 降低泵 出口压力的脉动幅值[ 2 ] 。 液压挖掘机液压系统是典 型的高脉动液压系统， 一 般采用九柱塞泵 ， 高速 的液压脉动 给复杂的管路 系 统的质量和寿命造成了很大的破坏和隐患， 也是一直 困扰系统设计人 员的问题。深 刻分 析液压脉动 的机 理 ， 寻求 简便 可行 的解决 方法 意义 重大 。一 般来说 ， 降 低液压系统压力脉动的方法很多 ， 常用 的有缓 冲器减 振、 孔板减振和盲管减振 。本文主要研究盲管在液压 系统 中的减振作用。 3盲管 的减 振原理 分析 为减少压力脉动对 液压系统的影响， 通常在液压 系统管路适当部位设置调压室 、 盲管或蓄能器等集 中 收稿 日期 2 0 1 2 - 0 2 2 7 }修 回日期 2 0 1 2 - 0 3 一 1 0 作者简介 刘天勋 1 9 6 9 一 ，男 ，陕西 宝鸡人 ，工程师 ，本科 ，主要从事液压挖掘机的开发设 计工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 6 机 械 工 程 与自 动 化 2 01 2年 第 4期 元件 ， 根据有压输液系统的等效 电学模型[ 3 ] ， 图 1 a 中管路沿程摩 擦损失可等效 为图 1 b 中 RL路 的电 阻 R； 图 l a 中液流速度变化引发的液感可等价 为图 1 b 中 R L路 的 电感 L； 图 1 a 中管 路 弹 性 引起 的容 积变化特性可等效为图 l b 中 R C路 的电容 C； 图 1 a 中管路弹性引起的能量损失可等效 为图 l b 中 R C路 的 电阻 R 。 3 a 液压传输管路模型 b 等价电学模型 图 1 管路 系统等效电路图 由电工学原理可知 ， 电容器的作用是“ 阻直流 ， 通 交流” ， 即总电流的大部分交流成分通过 R C支路， 而 仅有 少部 分交 流 电流通 过 RL电 路 ， 若 R C 支路 的 电 容越大 ， 即相应 阻抗模值越小 ， 则 通过 R C支路的交 流电流峰值越大 。同样 ， 在有压输液系统中， 主管路 的 流容和盲管等集中元件的流感相对较小 ， 在分析过程 中可忽略其影响 ， 液压系统与图 1 b 中所示电学模型 等效 盲管等集中元件在整个系统 中相 当于旁路电容 的作用。若在集中元件上游 即图 l a 1 段～2段 产 生一压力振荡 向下游传播 ， 到达集 中元件节点 2 ， 由于 集中元件的等效电容作用， 大部分压力振荡被集 中元 件吸收， 少部分压力振荡穿过集 中元件传输到后 面的 续 管 即 图 1 a 2段 ～ 3段 中， 此 即 为 集 中元 件 削减 压力振荡的原理 。若集 中元件的流容越大， 即阻抗模 值越小 ， 则被集中元件吸收的压力振荡越大， 削减压力 振荡的效果越显著[ 4 ] 。因此 ， 在靠近液压泵压油 口加 一 长度合适 的等径支管， 并将支管尾端封死 即盲管 ， 可 以使液压系统 的压力脉动大大降低 。 压力波在沿管道的传播过程中， 在分支点处 由于 阻抗的变化， 其能量将分成 3部分 一部分投射到后面 的续管， 一部分投射入支管， 还有一部分反射给波源 。 根据小波动理论， 投射到后 续管内的压力波振幅与支 点 的阻抗 大小 有关 。 根据流体理论 ， 这里忽略管路中的流体摩擦损失 ， 可以得到管路本身的频率公式[ 5 ] z 一 一-『 Zc t a n 。 ⋯⋯⋯ ⋯⋯ ⋯⋯ ⋯⋯ ⋯ 4 其 中 Z 为管路本身阻抗 ； 为管路波 圆周频率；z 为 盲管长度 ； Z c 为管路的特征阻抗 ； a为流体介质的压力 波速 。 对于末端完全封闭 盲管 的管路 ， Z 一∞ ， 则有 一 2n- - 1 7 c l ， 2， ⋯。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 5 a 厶 将 叫2 n f， n f l ， 为管路波频率， 为波长 代 入式 5 ， 得 。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 6 式 6 说 明， 在液压泵附近的主管上安装 长度为 2 ／ 4 、 3 2 ／ 4 、 5 ／ 4的盲管时 ， 后 续管透射波 为零。实际 上由于 值比较大 ， 通常只取盲管长度等于 z ／ 4 。 4 盲 管长 度的理 论计 算 4 ． 1管路 波速值 管路中流体声速的影 响因素很多， 要受到流体介 质 自身特性 、 管路材料特性以及外部温度等各种 因素 的影响。所 以， 要求得 比较准确的声速 ， 需要通过理论 和实验相结合的手段 。 鉴于 无界 流 中的小扰动 声速 是一 切声速 研究 的基 础 ， 在此作如下假设 ①忽略流体的黏滞性和由于过程 摩擦造成的能量损失 ； ②相对于声速来说 ， 流体速度可 以忽略， 即假设为静止流体中的声速 ； ③流体密度不均 匀造成的能量传输也忽略 ， 即流体内部是绝热的； ④流 体 中声波能量是很小 的。基于以上假设 ， 管路流体 中 压 力波 的速度 为[ 6 ] a 一 。⋯ ⋯ ⋯ ⋯⋯ ⋯ ⋯ ⋯⋯ ． 7 。 一 、／ 。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯“’ 其 中 K 为流体介质的体积弹性模量 ； 』 D 为流体介质 的 密 度 。 通 过实 验 ， 测 得 液 压油 弹性 模 量 为 1 2 0 0 MP a ～ 2 0 0 0 MP a ， 实际中因气泡 的混入 ， 该值会 明显减小 ， 一 般选为 7 0 0 MP a ～1 4 0 0 MP a ， 液压油密度 』D 一般为 8 6 0 k g ／ m。 。若取 K一1 0 0 0 MP a ， fD 一8 6 0 k g ／ m。 ， 则 压力波传播速度 a 3 4 ． 1 m／ s 。 4 ． 2 激振 频 率的计 算 挖掘机 的液 压泵 是九柱 塞 泵 ， 对 应 于 S Y3 6 5发动 机正常 工作 时 H8挡 ， 发动 机 的 实 际转 速 竹 发 为 1 8 2 0 r ／ mi n ， 所以该液压泵的固有频率为 ， 一 发z ／ 6 0 1 8 2 0 9 ／ 6 o 一2 7 3 Hz 。 声波 的波 长为 一 手 _ o ． 3 m。 4 ． 3 盲管长 度 的计 算 由已知参数可以计算 出盲管长度 l ---- - -- - 0 ． 0 3 IT I 。 5 结论 在 挖掘机 主泵 口加装 合 适 长 度 的 盲管 ， 可 以有 效 地降低主泵本身流量的不均匀性造成 的液压脉动力， 从而降低系统的流体噪声 ， 也必将会延长泵的寿命 ， 提 高系统的工作效率 。 在实际应用中， 系统流体中空气含量、 纯液体体积 弹性模量、 系统压力、 系统温度都对液压介质的波速有 很 大 的影响 ， 另外 发动机 转 速也不 是个 稳定 值 ， 这 些影 响因素就导致盲管长度并不是唯一确定值 ， 如果想把 这一理论应用于实际 ， 我们还应该通过做大量的实验 来 验证 理论 研究 的可行性 。 参考文献和英文摘要转第 2 0 9页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年 第 4期 机 械 工 程 与自 动 化 2 O 9 下基本按照断路器 、 电源、 P L C、 中间继 电器、 时间继电 器 、 端子 、 接触器的顺序摆放 。 图 3 P L C梯形图 4 ． 2 机 旁控 制柜 的调 试 机旁控制柜的调试很重要， 调试时应注意以下几点 1 如果没有条件联调， 则必须根据液压站 内电 气元件的常开常闭信号来对控制柜进行功能测试 。例 如把泵电机启动的连锁条件在端子上短接， 继电器一 接触器控制可以通过每个节点的电压来判断接线是否 正 确 。而 P L C控制 则必 须通 过连 接 电脑 、 在线 监 测来 进 行调试 。 2 电磁溢 流 阀 、 循 环 泵 、 加 热 器 、 电 磁水 阀 均应 进行各 自的手动和自动测试。 3 检测报警是否正常， 特别是对于液压泵站上的 电气元 件 ， 最好在 出厂 前就根据 电气原理设 置好参数 。 参考文献 [ 1 ] 魏伟． P L C控制技术 与应 用[ M] ． 北 京 中 国轻 工业 出版 社 ， 2 0 1 0 ． [ 2 ] 王 占林 ． 近 代 液 压 控 制 [ M] ． 北 京 机械 工 业 出 版 社， 19 97 ． [ 3 3 许 亚南． 液 压 与启 动技 术 [ M] ． 北 京 机械 工 业 出版社 ， 2 Ol O． De s i g n o f El e c t r i c a l Ca b i n e t o f Hy d r a u l i c Pu mp S t a t i o n YAN M e i ．GA0 Yu a n Ta i z h o n g Gr o u p Yu c i Hy d r a u l i c I n d us t r y Co ．，Lt d．，J i n z h o n g 0 3 06 0 0，Ch i n a Ab s t r a c t Th e a r t i c l e i n t r o d u c e s t h e p r i n c i p l e a n d t e c h n i c a l r e q u i r e me n t s o f h y d r a u l i c s y s t e m ，e l a b o r a t e s t h e c h a i n c o n d i t i o n o f h y d r a u l i c s y s t e m a nd h o w t O c o n t r o l o i l p u mp mo t o r ，a n d i n t r o d u c e s t WO d e s i g n me t h o d s o f t h e e l e c t r i c a l c a r b i n e s o f h y d r a u l i c p u mp s t a t i o n ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c p u mp s t a t i o n ；e l e c t r i c a l c o n t r o l ；e l e c t r i c a l c a b i n e t 上接 第 2 0 6页 参考 文献 [ 1 ] 祁仁俊． 液 压 系统 压 力脉 动的 机理 [ J ] ． 同济 大 学学 报 ， 2 0 0 1． 2 9 9 1 0 1 8 1 0 2 2 ． [ 2 3 徐世君． 轴向柱塞泵流量脉动的研究[ J ] ． 机械制造与研 究 ． 2 0 0 7 ， 3 6 3 3 9 4 3 ． [ 3 ] S o u z a J r 0 H ，B a r b i e r i N ．S t u d y o f h y d r a u l i c t r a n s i e n t s i n h y d r o p o we r p l a n t s t h r o u g h s i mu l a t i o n o f n o n l i n e a r [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] mo d e l o f p e n s t o c k a n d h y d r a u l i c t u r b i n e mo d e l[ J ] ． I EEE Tr a n s a c t i o n s o n P o we r S y s t e ms ， 1 9 9 9 ， 1 4 4 1 26 9 - 1 2 72 ． 周 建旭． 有压 输水 系统减 振措施 分析 [ J ] ． 水 利水 电科技 进展 ， 2 0 0 4 ． 2 4 6 1 0 1 4 ． 杜大华． 液压 系统管路 内流体声速研究 [ J ] ． 液压 与气动 ， 2 0 0 6 1 0 8 - 1 2 ． 金朝铭． 液压[ M] ． 北京 国防工业出版社 。 1 9 9 4 ． Vi b r a t i o n a n d No i s e Re d u c t i o n b y Bl a nd Pi pe i n Hy d r a u l i c S y s t e m LI U Ti a n - xu n ，HUO Di a n- hu i 。LI N Ze - we i 1 ．S a n y He a v y Ma c h i n e r y Co ．，Lt d ．，Ku n s h a n 2 1 5 3 0 0，Ch i n al 2 ．S c h o o l o f Me c h a n i c a l En g i ne e r i n g，Ta i y u a n Uni v e r s i t y o f S c i e n c e Te c h n o l o g y， Ta i y u a n 0 3 0 0 2 4，Ch i n a Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r 。t h e mech a nis m o f t h e f l o w a n d p r ess u r e p u l s a t i o n i n h y d r a u l i c s y s t e m i s s t u d i e d ．t h e d a mp i n g v i b r a t i o n a n d n o i s e r e d u c t i o n f u n c t i o n o f a b l a n d p i pe i n h y d r a u l i c s y s t e m i s a n a l y z e d，a n d a t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n me t h od o f t h e b l a n d p i pe i s p r o p o s e d ． Th e r esult c a n p r o v i d e s o me t h e o r e t i c a l r e f e r e n c e f o r t h e r e s e a r c h o n t h e v i b r a t i o n a n d n o i s e r edu c t i o n i n h v d r a u l i c s y s t e ms ． Ke y wo r d s b l a n d p i p e ；h y d r a u l i c s y s t e m；v i b r a t i o n a n d n o i s e r e d u c t i o n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m