纯水液压溢流阀噪声控制研究.pdf

2 0 1 0年 4月 第 3 8卷 第 8期 机床 与液压 MACHI NE TOOL ＆ HYDRAUL I C S Ap r ． 2 0 1 0 V0 1 ． 3 8 No ． 8 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 0 8 ． 0 2 1 纯水液压溢流阀噪声控制研究 邹建 ，吴张永 ，保勇前 ，王一 J 、 丽 ，陈帅 1 ．昆明理工大学流体控制工程研究所，云南昆明 6 5 0 0 9 3 ；2 ．云南兴长江实业有限公司，云南昆明 6 5 0 0 3 5 摘要噪声是溢流阀常见故障，在纯水液压系统中更为突出，严重影响到液压系统的稳定性、精确度、安全可靠性及 寿命。系统分析纯水液压溢流阀噪声产生的原因，表明纯水液压溢流阀噪声主要是由气蚀、压力波动、卸荷冲击和机械摩 擦等引起的，并针对这些原因提出了相应的解决措施。 关键词纯水液压传动；溢流阀；噪声 中图分类号 T H1 3 7 ． 5 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 8 0 5 7 2 No i s e Co n t r o l o f Pur e W a t e r Hy dr a u l i c Re l i e f Va l v e Z OU J i a n ，W U Z h a n g y o n g ，B AO Yo n g q i a n ，WANG Xi a o l i ，CHE N S h u a i 1 ． I n s t i t u t e o f F l u i d P o w e r C o n t r o l E n g i n e e r i n g ，K u n mi n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，K u n m i n g Y u n n a n 6 5 0 0 9 3，C h i n a ；2 ． Y u n n a n Hi n g C h e u n g K o n g H o l d i n g s L t d ． ，K u n m i n g Y u n n a n 6 5 0 0 3 5 ，C h i n a Abs t r ac t No i s e i s a c o mmon f a i l ur e o f r e l i e f v a l v e wh i c h i s mo r e p r o mi n e n t i n t he p u r e wa t e r h y d r a ul i c s y s t e m． I t s e rio u s l y a f - f e c t s t h e s t a b i l i t y ， a c c u r a c y ， s e c u rit y，r e l i a b i l i t y a n d l i f e e x p e c t a n c y o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m． T h e c a u s e s o f n o i s e o f p u r e w a t e r h y d r a u l i c r e l i e f v a l v e we r e a n a l y z e d w h i c h i n d i c a t e d t h a t n o i s e w a s ma i y g e n e r a t e d b y c a v i t a t i o n ，p r e s s u r e f l u c t u a t i o n，u n l o a d i n g i m p a c t ，me c h a n i c a l f ri c t i o n a n d S O o n ． T h e c o r r e s p o n d i n g s o l u t i o n s w e r e s p r o v i d e d a i me d a t t h e s e c a u s e s ． Ke y wo r d s Wa t e r h y d r a u l i c t r a n s mi s s i o n； Re l i e f v Mv e ； No i s e 随着 液压技术 向高速 、高压 、大功率与节能环保 的方向发展 ，液压 系统 中的噪声 问题也 日趋严重 ，成 为妨碍液压技术进一步发展 的主要 因素之一 。溢流 阀 是液压系统 中重要 的安全保护装置 ，主要起 着调节系 统压力和安全保护作用，如果出现故障，会影响系统 的正常工作。在溢流阀的常见故障中，振动和噪声是 一 个 比较突 出的问题 ，尤其是 高压 大流量时 ，振 动和 噪声更大 ，严重 影响到 液压 系统 的稳 定性 、精 确度 、 安全可靠 性及 寿命 ，必须予 以特别重视 。由于纯水 的 气化压力远远高于液压油 ，因此水液压系统比油液压 系统更易发生气穴 、气蚀等现象 ，这也是水液压发展 必须 面临 的一大关键问题 。液压阀所引起的噪声 ，可 分为机械噪声和流体噪声 。阀的流体噪声 主要来 自液 体 的压力变化 和流量 脉动 ，如气穴 、水击 、紊流 与涡 流、液流方向的突然改变等现象都会使压力和流量突 然改变而引起 噪声 。液 压 阀中可 动部件 的机 械接 触 、 电磁铁的吸合 以及 阀芯的冲击等 ，均会产生机械噪声 。 1 噪声产生的原因 1 气蚀产生的噪声 由于水 的气化压力高 ，使水极易气化和沸腾 ，因 而气蚀现象在水压控制阀 中非常严重 ，所 产生的噪声 能够达到刺耳尖叫的程度。影响溢 流阀产 生气蚀 的主 要 因素有 主阀 口结构 、阀体 回油腔形状 等。阀体 的回 流 腔形状及其过 流断面 的大小也 是影 响气穴 的原 因， 这是由于液体流过阀口缝隙时，压能迅速转变为动 能 ，因此在 阀口有很高 的液流速度 ，如果 回油腔内流 速极不均匀 ，将不可避免地产生旋涡和气穴 ，进而产 生噪声 。 2 压 力波动产生的噪声 在液压系统 中，压力不稳 定将 引起较 大的压力 波 动，从而使液流产生较大噪声。 3 卸荷时产生的冲击噪声 水液压溢流 阀在卸荷时 ，由于卸荷时间很短 ，阀 内液流速度急剧变化 ，压力急剧下降 ，造成压力冲击 波 ，使阀产生较大振动和噪声。越是高压大流量时， 这种噪声越大 。纯水液压溢流 阀的冲击噪声大小取决 于压力降低的变化率。 4 机械产生 的噪声 在水压传动中，由于水的润滑性差 ，阀芯与阀套 会发生干摩擦现象 ，从而产生于摩擦高频噪声和机械 碰撞声 。 2噪声的控制 2 ． 1 气蚀噪声的控制 如图 1 所示为 内流式阀 口结构，阀芯半锥角为 收稿 日期 2 0 0 9 0 33 0 作者简介邹建 1 9 8 5 一 ，男 ，在读硕士研究生，主要从事流体传动与控制及机、电、液一体化等研究。电话1 5 8 8 7 8 6 2 7 6 0 ． Em a i l z o u j i a n z j y a h o o ． c o rn ． c n 。 5 8 机床与液压 第 3 8卷 O t ，阀座半锥角 为 。为 了保 证 阀芯 与 阀座之 间为线 密封并有良好的密封性 ，一般应使 比 稍大些 ，但 其差值不宜过大。为防止在阀口处液流突然收缩后突 然扩散而产生气穴 ，在满足上述要求下，可适当增加 口角 ，使经过 阀口指 向 中 心 的 喷 流 比较集 中，在 互 相 碰撞 中 ，液 流 速 度 降低，避免了负压 出现， 降低 了气 穴发 生 的 可 能 性 ，从 而 减 小 了 噪 声。 一 般 一 口3 。 ，实 验 表 明 ，当 O t 一 』B3 ． 5 。 时气 蚀 的噪声很大 j 。 图 1 阀口与阀座结构 如 图 2 a 所示 为外 流式阀 口结构 的节流 口。为 防止高速流动 ，把节流 口作成 长通道形 ，如图 2 b 所示 ，以消除液流的急剧缩 流 ，减小 了噪声的产生。 图 3 多级节流和高压 图 4阀体 回流腔结构 引流组合结构 如图4所示为阀体回流腔结构。为了防止在回流 腔中产生气穴现象 ，阀体回流腔尺寸应尽量小，并使 过流断面消除液流急剧扩大 和收缩 ，进而减小噪声的 产生。当液体 冲击 到补偿 尾 碟上 ，失去 一部 分 动能 后，继续冲击到阀体回流腔直角转弯处，流速进一步 减弱，使其又失去一部分动能 ，最后在下游变成具有 均匀流速的液体 ，此时可保持一定的压力，从而避免 气穴的产生。回流道长度应取短些，一是让液体尽早 冲击到直角转弯处 ，使其没有足够的时间初生气穴， 二是造成冲击回溅抵消一部分能量，使流速尽快趋于 均匀 ，这样便减小 了噪声 的产生 。 如 图 5所示 为异形 阀芯 的阀口结构。阀芯做成球状 或抛物线形球状 ，使 形成 的 阀 口 密 封 带 把 很 集 中 的气蚀 冲击从密封带 处 向后 延伸 出去 ，消除 了射束 气蚀 的产生，降低了噪声 ，进而 保 护 了 过 流 阀 口 密 封 带 。 U J I 图 5 异形 阀芯 2 ． 2 压力波动噪声的控制 1 适当增加先导阀弹簧的刚度或减小先导阀 的动力刚度 即减小先导 阀阀座孔直径 和锥角 ，有 利于纯水液压溢流阀的压力稳定 。但过大会影 响纯水 液压溢流阀静态特性的定压精度。先导阀芯锥阀头部 形状采用圆弧形或抛物线形 ，以改善锥 阀处 的流动状 态 ，减弱涡流区的影 响。 2 为了提高主阀的稳定性，可以在主阀上腔 增加滑动配合 的一个环形套 ，利用它的惯性和黏性阻 尼作用来增 大主阀的黏性阻尼系数 ，从 而增加主 阀的 稳定性 。 3 对 于内流 式结构 ，在 主 阀 阀座 孔直 径不 变 的情况下 ，加 大 防振 尾 部 的直 径 ，有 利 于主 阀 的稳 定。为 了保证液流的平稳性 ，在 防振尾与 阀芯锥面之 间采用 圆弧连接 。 4 将 主阀 阀芯阻尼 孔直 径取 小值 ，对 稳定纯 水液压溢流 阀的压力有利 ，一般油压 阀阻尼孔直径 为 ．8～1 ． 2 r n m，由于水 的黏度低 ，对于 细长孔 式 的 直径其值应 略小于油压 阀的 。 2 ． 3 卸荷噪声的控制 1 采用多级卸荷方式 ，避免 自高压直接卸荷 ， 而采用 高 一中 一 低三级卸荷 。 2 在纯水液压溢流阀的控制管路中设置节流 阀或单 向阀，以增加 卸荷 时 间，减 小 压力 降 的变化 率 ，从而降低冲击噪声。 2 ． 4 机械噪 声的控制 应选择具有 自润滑特性和减振性能 良好的摩擦副 材料 ，如金属石墨 、陶瓷等 ，这样就可以降低 干摩擦 所产生的高频噪声。 3结论 通过研究纯水液压溢流阀噪声产生 的原因以及对 纯水液压 溢流 阀 噪声 的解决措 施 ，得 出 了下面 的结 论 1 纯水液压溢流阀的噪声主要包括①气蚀 产生的噪声；②压力波动产生的噪声；③卸荷时产生 冲击噪声；④机械噪声等。 2 可以通过设计 防气穴 的阀 口，改变 先 导 阀 下转第9 7页 第 8 期 李娟组态技术在液压泵测试系统中的应用 9 7 打印 R e p o r t P r i n t 2 ” 试验报告” ； 2 记录查询 s t r i n g F i l e Na me； F i l e N a m e I n f o A p p D i r ” 报表、 ． 、 、 本站点 ＼ 报表 名 ； R e p o L o a d ” 查 询试验 报告” ， F i l e N a m e ； 2 ． 3性 能 曲线 的绘 制 组态 王 虽 然 提 供 了强 大 的 人 机 界 面 和通 讯 功 能，但其绘图能力不强 ，难以绘制复杂的图形 ，而 MA T L A B软 件 拥 有 强 大 的工 程 计 算 和 图像 处 理 功 能 。因此 该 系 统 用 组 态 王 开 发 上 位 软 件 ，并 用 MA T L A B绘 制泵 的性能 曲线 。组态 王 工控 软件 提 供 S Q L访问功能，能够和其他外部数据库间进行数据 传输 ，将 采集 到的数 据存储 在数 据 库文件 中 。 M A T L A B可用数据库工具箱 函数实现它与数据库之 间的通讯 。因此 该系统 利用 组 态王 软件 开发 试 验 监控 和数 据采集 界 面 ，-A c c e s s 作 为数 据 库进 行 试 验 数据的存储 ，在 M A T L A B平台上编制齿轮泵性能曲 线 绘制程序 。通过分别 实 现组 态王 与数 据 库 的连接 及 MA T L A B与数据库的连接后 ，即可建立一个完整 的数据采集 及处理 系统 ，实 现组 态王 与 M A T L A B间 的数据传递 。 1 组 态王与 A c c e s s 数据库实现连接 利用组态王实现数据传输必须在系统 O D B C数据 源 中定义相应数据库 ，然后在组态王 中用 以下命令语 言建立和数据库的连接。 S Q L C r e a t e T a b l e D e v i c e I D ， ” T a b l e o n e ” ， ” T a b l e l ” ； S Q L C o n n e c t D e v i c e I D， ”d s nm i n e ； u i d ； p w d ” ； S Q L I n s e r t D e v i c e I D， ” T a b l e o n e ”， ” b i n d l ” ； S Q L D i s c 0 n n e c t D e v i c e I D ； 2 M A T L A B与 A c c e s s 数据库的连接 MA T L A B对数据库 的操作 ，是通过先获得数据库 的句柄 ，然后 通过函数实现 M A T L A B与数据库 连接 ， 将数据导入 到 MA T L A B的工 作空 间 中 ，对数 据库 进 行操作，实现 MA T L A B与数据库的双 向通信。具体 程序 如下 f u n c t i o n d a t a c o n n d a t a b a s e m i n e ， ” ， ” ； 建立连接 p i n g c o n n ； 获取 O D B C信息 s e t d b p r e f s D a t a R e t u mF o r m a t ， n u m e ri c ； c u r s o r e x e c c o n n ， s e l e c t f r o m T abl e o n e ； c u r - s o r f e t c h c u r s o r ； 从 指针 中取得数 据 A c u r o r ． d a t a ； 将数据给变量 A c l o s e c u r s o r ； 关 闭指针 c l o s e c o n n ； 关 闭数据库 执行函数 d a t a 即可将组态王在 A c c e s s中创建 的数据调用到 M A T L A B中，并赋值给矩 阵变量 A ， 以便在 M A T L A B中进 行数据 的进一 步处理 。 3 测试结果 对某公司生产的齿轮泵进行测试 ，根据试验数据 绘制性能曲线 以等效率曲线为例如图 2 所示。 ． 口 旱 壤 图2 等效率曲线 4结束语 作者采用组态王开发泵性能参数计算机测试系统 软件 ，可对泵在运行中的各个参数和性能指标进行测 量 和现场数据采集 ，根据测试要求改变工况 ，同时对 所测得参数进行计算机处理、制表、打印并绘制出参 数 的试验 曲线 。该系统软件组态画面直观形象 ，操作 简单易学 。 参考文献 【 1 】组态王使用手册[ M] ． 北京亚控科技发展有限公司． 【 2 】张志涌． 精通 M A T L A B 6 ． 5 [ M] ． 北京 北京航空航天大 学 出版 社 ， 2 0 0 3 ． 【 3 】飞思科技产品研发 中心． M a t l a b 7基础与提高[ M] ． 北 京 电子工业出版社 ， 2 0 0 6 ． 【 4 】 关业伟 ， 鲁凯生． 组态王和 M A T L A B的 D D E应用研究 [ J ] ． 船海工程， 2 0 0 5 6 5 0 5 2 ． 上接 第5 8页 的弹簧刚度及其 动力 刚度 ，在主阀上腔加 滑动配合 的 环形套 ，采用 多级卸 荷方式 ，改变先 导阀前腔 以及主 阀上腔的容积 ，在纯水液压溢流阀的控制管路中设置 节流阀或单向阀，选择具有 自润滑特性和减振性能良 好的摩擦副材料等措施最大限度地减少纯水液压溢流 阀的噪声，同时提高阀的使用寿命。 参考文献 【 1 】赵恩刚． 数字式纯水液压溢流阀的设计研究[ D ] ． 昆明 昆明理工大学， 2 0 0 8 ． 3 ． 【 2 】王海兰， 陶新良． 降低液压阀噪声的探讨[ J ] 。 流体传动 与控 制 ， 2 0 0 5 1 2 2 9 3 1 ． 【 3 】 左健民． 液压与气压传动[ M] ． 2 版． 北京 机械工业出 版社 ， 2 0 0 5 ．