船舶液压系统噪声的分析与控制.pdf

2 0 1 1 年 8月 第 3 9卷 第 1 6期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I CS Au g ． 2 01 1 Vo 1 ． 3 9 No ． 1 6 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 1 6 ． 0 3 6 船舶液压系统噪声的分析与控制 李忠杰 海军驻武汉4 3 8厂军事代表室，湖北武汉4 3 0 0 6 4 摘要分析了船舶液压系统噪声产生的根源，提出了减小和消除船舶液压系统噪声的方法和措施，为船舶液压系统的 设计、安装和使用提供依据。 关键词液压系统；噪声 ；空穴；液压冲击 中图分类号T H1 3 7 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 1 6 1 0 43 随着液压技术向高速、高压和大功率方向发展， 液压系统噪声造成的危害日趋严重。船舶液压系统振 动噪声不仅影响系统的工作性能和使用寿命，还会导 致液压机械、附件和管路损坏。对军用舰船来说，液 压系统噪声对舰船的隐蔽性具有较大的负面影响，直 接影响到声呐的作用距离和使用效果 ，关系到舰船的 生命力和战斗力⋯。因此 ，对船舶液压系统噪声进行 研究，分析噪声产生的根源，采取措施控制噪声是非 常必要的。 1 船舶液压系统噪声分析 船舶 液压 系统是 由电机 、液压泵 、阀 、管路和负 载等组成的循环回路。在这个循环回路中，既有机械 振动产生 的机械噪声 ，也有流体运动产生的流体噪 声 。 1 ． 1 机械噪声 机械噪声主要由回转体运动不平衡、机械安装不 到位、机械撞击、齿轮啮合和摩擦等引起的。 1 回转体振动噪声 液压系统的电机、泵和马达等都作高速旋转运 动 ，如果回转部件不平衡，就会产生周期性的不平衡 力 ，这种不平衡力在运转时就会产生较大的转轴弯曲 振动和噪声，振动进一步传递，引起管路和附件的振 动和噪声。不平衡体高速旋转产生的振动噪声主要由 基频和高频谐波组成，基频为 ， 1 6 0 式中n为转速 r ／ m i n ； f为基频 H z 。 基频很低，一般只有 2 0～ 3 0 H z ，人耳对低频噪 声不敏感，但不平衡体高速旋转会对系统产生冲击， 破坏其它零件的运动状态，引起高频振动。当系统的 固有频率接近或等于不平衡体 的旋转频率或其倍频 时，就会产生共振，发出很大的噪声。 2 联轴器不对 中噪声 联轴器是连接电机和泵的附件，由于加工或安装 不当会造成 电机和泵的轴不同心，使联轴器产生偏 斜，在工作中产生强烈的振动噪声，对刚性联轴器尤 为严重。研究表 明，同轴度超过 0 ． 0 8 m m时就会产 生强烈的振动噪声 ，造成联轴器急剧磨损 ，电机轴和 泵轴弯曲。 3 机械碰撞噪声 液压机械是由很多零件组成的，某些零件的制造 误差或装配不当会导致零件的相互碰撞，引起振动和 噪声。如液压阀由阀芯、阀体、调控零件、紧固件 、 密封件等组成 ，在工作过程中，阀内可动零件的机械 碰撞、电磁铁吸合以及阀芯的冲击等均会产生机械噪 声，阀类噪声主要表现为高频宽带噪声。电机和马达 等也会因磨损使轴承间隙增大、螺栓松动引起振动噪 声 。 由以上分析知，振动是产生机械噪声的根源。要 控制液压系统的机械噪声，液压机械在制造、安装过 程中要严格控制 ，降低制造和安装误差。选用低噪声 机械，并采取措施控制振动。 1 ． 2 流体噪声 流体噪声主要由液压冲击、空穴、脉动等原因造 成的。在液压系统噪声中，流体噪声 占相 当大的比 例。 1 空穴噪声 液压系统中约有 5 ％左右的空气溶解在液体 中， 当液体局部压力低于液体介质的饱和蒸汽压时，溶解 于液体中的气体会迅速分离出来，形成气泡产生空穴 现象 。气泡随液体经管路进入高压区，由于高压作 用，气泡会被挤压破裂，体积迅速缩小，在系统局部 范围内产生幅值很大的高频冲击，使管路产生剧烈振 动，激发出2 0 0 H z 以上的高频噪声。 收稿日期2 0 1 0 0 7 2 5 作者简介李忠杰 1 9 7 8 一 ，男，博士，工程师，研究方 向为轮机工程。电话1 3 9 8 6 2 7 2 1 9 6 ，Em a i l l i z h o n g j i e c g 1 6 3． c o rn。 第 1 6期 李忠杰船舶液压系统噪声的分析与控制 1 0 5 通常用空穴系数 作为衡量空穴发生的参数 ， 空穴 系数定义 为 2 2一 2 式中 P 为一定温度下的空气分离压 P a ； P 为局 部液体压力 P a ； ． 为局部液体流速 m ／ s ； P为 液体密度 k g ／ m 。 对液压 系统来 说 ， 越小 ，越 容 易 发生 空 穴 现 象。假设 为临界空穴系数 ，当 o r o r 时，系统不 出现空穴 ；当 o r o r 时，出现空穴现象。液压系统 产生空穴现象的主要原因是吸油管接头或泵轴密封不 严、吸油管弯曲部位凹凸不平等造成空气混入液压系 统 。 2 液压冲击噪声 液压 系统 由于不 同工 况的需 要 ，由一个稳定状 态 过渡到另一个新的稳定状态，在这个过渡过程中，管 路内部将产生液压冲击。液压冲击不仅会引起振动和 噪声，而且压力峰值过大还会损坏液压系统。 液压系统中阀件的开启或关闭是诱发液压冲击的 根源，根据液压冲击的程度可分为直接液压冲击和间 接液压冲击 ，取决于阀件的关闭时间 t 与管长 z 的关 系。设 a为冲击波在管内的传播 速度 ，当 t2 l ／ a时，称为慢速关闭，产生的液压冲击 为 间接 冲击 。 直接液压冲击时，管内压力增大值 △ p 按下式计 算 △ p l a ‘ p ‘ V l 一 2 3 式中a为冲击 波在管 内的传播速度 m ／ s ，a V E o l p ／ ／ 1 E o d ／ E ； 为管内液体原来流 速 m ／ s ；V 为关闭液体通道后的流速 m ／ s ；E o 为液体体积弹性模量 P a ；E为管路材料弹性模量 P a ；d为管路内径 m ；6 为管壁厚度 m 。 间接液压冲击时 ，管 内压力增大值 却 按下式计 算 A p 2a - P l 一 2 ‘ 4 式中 为 冲击波在管 内往复运动所需 时间，T 21 ／ a。 由以上分析知 ，液压冲击往往发生在液压阀关闭 的瞬间，而且与阀门关闭速度快慢有关 ，阀门关闭速 度越快 ，冲击噪声越大。 3 脉 动噪声 系统工作时，流体的流量和压力随时间变化，当 变化急剧时就会产生紊流和涡流，在流体中产生周期 性的压力波。紊流和涡流会显著加大液体与管壁的相 互作用，导致系统附件和管路作周期性的振动产生噪 声。脉动噪声产生的根源是负载和液压泵流量的周期 性变化及油路设计不当等造成的。 由以上分析知 ，液压机械如 电机 、泵和马达等是 主要的振动元件，其本身就是噪声源，称为一次声 源。油箱和管路等附件本身不会产生振动，不是独立 的噪声源，但液压机械和流体会激发它们振动，从而 产生和辐射出噪声，称为二次声源。液压系统噪声是 一 次声源和二次声源的叠加。 2 船舶液压系统噪声控制措施 船舶液压系统噪声是一个复杂的问题，与液压机 械振动的性质、振幅及管路长度、管径、管路的支撑 形式、位置和管路所连接的附件性能等因素有关。对 已建成的液压系统采取降噪措施是 比较困难的，在系 统设计、机械选择和安装时就要对噪声进行分析和控 制 。 2 ． 1 抓 好液 压 系统顶 层设 计 根据液压系统的噪声要求，对系统各部分噪声进 行合理分配，选用低噪声液压机械、优化管路布置， 并针对性地采取减振降噪措施。 1 选用低噪声液压机械 液压机械是产生噪声的根源，选用低噪声液压机 械，降低液压机械的噪声水平对控制液压系统的噪声 十分重要。首先 ，选用满足工作要求的低噪声电机、 泵和阀等液压机械，同时注意液压机械与整个系统的 匹配，防止共振现象的发生；其次 ，电机和泵应尽量 设计成耦合件，采用弹性联轴器 ，避免两轴不同心产 生振动和噪声 ；最后 ，合理设计有关阀件 ，对阀的启 闭过程进行优化 ，延长关闭时间，降低冲击噪声。 2 优化管路空间布置 采用三维设计 ，进行液压系统的动态性能仿真和 噪声预测，优化管路空间布置。首先，选择合适的管 路长度，避免管路的固有频率接近系统中的压力脉动 频率产生共振。管路布置应尽量减少弯折 ，如必需采 用弯管 ，其 曲率半径应为管路直径 的 5 倍 以上 ，避免 管路内紊流和旋流的产生。在允许的情况下，尽量用 液压集成块代替管路，适当加大管路直径，以减慢液 体在管路中的流动速度，降低液压冲击；其次，管路 的支撑应尽量布置在坚固可靠的基座上，管路和阀体 与船体结构采取弹性支撑或吊装，与液压机械联接处 采用软管，减少振动的传递 ；最后 ，油箱容积应足够 大，具有足够的空间距离，把排回油箱中液体的气体 分离出来，并设置放气装置 ，避免空穴现象的发生。 3 采用减振降噪措施 根据系统各部件的噪声要求 ，采取减振降噪措 施。首先 ，对液压系统主要振源 电机、泵 的安装 机座加装橡皮垫、弹簧或隔振装置等，使之与底板 1 0 6 机床与液压 第 3 9卷 或油箱隔离，也可将振源装在浮筏上与整个系统 隔离，减少振动的传递；其次，在管路中设置隔振元 件 ，如弹性接头、挠性接管、蓄能器和消声器等，利 用挠性软管和蓄能器减缓管路内液体的压力脉动，消 除振动和噪声 ；最后，采用主动减振降噪措施。主动 减振降噪可以根据振源的振动状态，自动改变参数或 吸振器的振动状态，实现宽频吸振和降噪。 2 ． 2严格安装液压 系统 液压机 械和管路 的制造与安装应严格按技术要求 施工。首先，电机和泵的机座要调整水平 ，减小回转 体不平衡 ，紧固螺钉必须有防松结构；其次 ，管路中 所有接头和阀件内孔的直径尽量做到尺寸相等或基本 相符，减少弯头，防止流通截面的突变，减少液体的 流动阻力。另外 ，管路应按规定间距进行调整 ，管与 管不得相碰，并用坚固、能吸振的支撑和马脚加以固 定，管路表面粘贴或涂 七阻尼材料，抑制系统高频噪 声；最后 ，系统管路 、机械和附件安装完成后 ，用与 系统工作介质性质相近 或相同的清洗液及专门 的液压泵对管路进行清洗。 2 ． 3合理使 用和 维护 严格按规程进行使用和维护，可以减缓液压系统 噪声的发生。首先 ，应注意液压阀的操作方法，尽量 延长关闭时间，降低液压冲击峰值；其次，对液压系 统进行定期检查 ，检查的内容包括马脚和基座固定 螺栓是否松动、隔振装置是否失效、吸油管接头和泵 传动轴密封是否可靠、滤油器是否堵塞及油箱中的液 面是否高于泵的吸油 口，预防系统噪声的发生；最 后，对油箱中的液体进行定期观察，如发现液体变为 黄色，说明油液中混入微小气泡，此时应尽快排除混 入液体的空气，如发现油液黏度过高则需更换液压 油 。 3 结束语 船舶液压系统噪声是一个复杂的问题 ，不仅与组 成系统 的液压机械和装 配质量有关 ，而且 与各部件 的 耦合情况有关，涉及到设计、安装、使用和维护等各 个环节 。必须在设计 阶段进行噪声预测 ，优化管路空 间布置 ，选 用低 噪声液 压机 械 ，严格 按 技术 要 求施 工 、操作和维护，才能有效降低液压系统噪声。 参考文献 【 1 】 杜冬菊， 刘爱华， 黄佳典． 阻尼减振在潜艇管路上的应用 研究[ J ] ． 中国修船， 2 0 0 4 1 1 41 6 ， 1 9 ． 【 2 】陈显扬， 严学书． 液压系统噪声与控制的探讨[ J ] ． 渝州 大学学报 ， 1 9 9 3 3 7 4 8 0 ． 【 3 】 提文猛， 高频． 液压系统管路噪声与及其控制方法[ J ] ． 机械管理开发， 2 0 0 7 3 1 1 1 2 ． 【 4 】 梁向东． 节流对管路振动特性的影响[ J ] ． 噪声与振动 控制， 2 0 0 1 ， 2 1 4 81 O ． 【 5 】 戴雪 良， 刘平． 液压管路在船舶上 的应用及注意事项 [ J ] ． 江苏船舶， 2 0 0 5 ， 1 7 3 2 7 2 9 ． 【 6 】 梁向东． 船舶管路中高频振动成因分析及控制策略研究 [ J ] ． 噪声与振动控制， 2 0 0 9 ， 6 3 1 0 11 0 3 ． 【 7 】 顾邦中． 船舶操舵系统液压冲击问题的分析[ J ] ． 中国 修船 ， 2 0 0 5 1 2 6 2 8 ． 【 8 】王野牧， 张延忠． 对液压系统振动和噪声的研究[ J ] ． 机 械工程与自动化， 2 0 0 7 1 1 4 01 4 1 ． 【 9 】 程广福， 张文平， 柳贡民， 等． 船舶水管路噪声及其控制 研究[ J ] ． 噪声与振动控制， 2 0 0 3 ， 2 4 2 3 l 一 3 3 ． 【 1 0 】杨海军， 王建斌， 王吉龙． 船舶液压系统振动与噪声的 分析与对策[ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 0 5 6 3 7 3 8 ． 【 1 1 】 张建寿， 谢咏絮等． 机械和液压噪声及其控制[ M] ． 上 海 上海科学技术出版社， 1 9 8 7 ． 【 1 2 】 王积伟， 章宏甲， 黄谊． 液压传动[ M] ． 北京 机械工业 出版社， 2 0 0 7 ． 上接 第 8 9页 4 测试小结 根据测试结果 ，可 以从两个方面对上述 4种方法 进行 比较。 1 从计算时间的角度来看 ，相关法繁琐，耗 时最多；拟合法和边缘法的计算时间基本在一个数量 级，而后者耗时更少；重心法的计算最为简捷，耗时 最少。计算时间的比较如表2所示。 表2 数据提取方法计算时间的比较 2 从计算精度的角度来看，边缘法的计算精 度稍低 ，而重心法、相关法和拟合法的计算精度在一 个数量级，在这三者中，相关法最高 ，重心法最低， 拟合法居中，但总的来说，这4种方法都能取得较高 的计算精度 ，能够满足测量的需要。 参考文献 【 1 】梁志国， 朱济杰． 量化误差对周期信号总失真度评价的 影响及修正[ J ] ． 仪器仪表学报， 2 0 0 0 6 6 4 0 643 ． 【 2 】 周宏潮， 王正明． 量化误差分析与信号重建[ J ] ． 导弹学 报， 2 0 0 5 3 71 2 ． 【 3 】 丁素英． 数字信号处理中量化误差的分析 [ J ] ． 潍坊学 院学报， 2 0 0 8 6 4 0 4 2 ． 【 4 】肖 振中， 梁晋 ， 唐正宗， 等． 汽车大型模具实型的三维摄 影测量检测[ J ] ． 塑性工程学报， 2 0 0 9 2 1 5 0 1 5 5 ． 【 5 】 郑剑和． 三维测量与三坐标测量[ J ] ． 模具 制造， 2 0 0 9 7 1 01 1 ．