飞机机械传动系统实验室液压泵站噪声控制研究.pdf

2 0 1 0年 3月 第3 8卷 第 6期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAULI C S Ma t ． 2 Ol 0 Vo I ． 3 8 No ． 6 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 0 6 ． 0 1 3 飞机机械传动系统实验室液压泵站噪声控制研究 唐有才，刘振 岗，王 占勇，周凯 海军航空工程学院青岛分院航空机械工程系，山东青岛2 6 6 0 4 1 摘要系统分析实验室液压泵站噪声产生的机理，表明液压泵站噪声主要由机械振动、液压泵压力脉动和气穴引起。 结合有关噪声控制理论与技术提出降低液压泵站噪声的措施 ，主要从提高液压泵的性能、提高设计与装配质量、对泵站加 装隔声罩、改进管路的设计、加强维护检查等方面降低噪声。 关键词噪声控制 ；液压泵站 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 06- 0 3 8 3 Re s e a r c h o n No i s e Co n t r o l o f Hy d r a u l i c Pu mp S t a t i o n i n t he La b o r a t o r y o f Ai r c r a f t M e c ha n i c a l Tr a n s mi s s i o n S y s t e m TANG Yo u c a i ， L I U Z he n g a n g， W ANG Zh a n y o n g， ZHOU Ka i Q i n g d a o B r a n c h o f N a v y A e r o n a u t i c a l a n d A s t r o n a u t i c a l U n i v e r s i t y ，Q i n g d a o S h a n d o n g 2 6 6 04 1 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e p r o d u c t i o n me c h a n i s m o f n o i s e o f h y d r a u l i c p u mp s t a t i o n i n t h e a i r c r a f t me c h a n i c a l t r a n s mi s s i o n s y s t e m l a b o r a t o r y w a s a n a l y z e d ．T h e n o i s e w a s r e s u l t e d b y me c h a n i c al v i b r a t i o n，p r e s s u r e p u l s a t i o n o f h y d r a u l i c p u mp and c a v i t a t i o n ．Ac c o r d i n g t o r e l - e v a n t t h e o r i e s a n d t e c h n o l o g i e s o f n o i s e c o n t r o l ，t h e me ans o f n o i s e r e d u c t i o n i n t h e h y d r a u l i c p u mp s t a t i o n w e r e p r e s e n t e d，t h a t w a s ， i mp r o v i n g p e r f o r ma n c e o f h y d r a u l i c p u mp，i mp r o v i n g q u a l i t i e s o f d e s i g n a n d a s s e mb l y， a d d i n g n o i s e e n c l o s u r e t o p u mp s t a t i o n， i m p r o v i n g d e s i g n o f p i p e l i n e ， r e i n f o r c i n g ma i n t e n an c e an d c h e c k， e t c ． Ke y wo r d s No i s e c o n t r o l ； Hy dra u l i c p u mp s t a t i o n 0 引言 飞机机械传动系统实验室主要用于飞机机械传动 系统的结构与原理 、检查与调整以及故障研究等方面 的教学和科研工作。液压泵站 下简称泵站是实 验室的重要组成部分，主要为实验室提供各种试验所 需的液压能源，其组成和工作原理如图 1 所示。当泵 站工作时，电机带动油泵旋转，油箱 1内的液压油经 冷却器 2和进油过滤器 3进入液压泵4 ，高压油经过 滤器 7和供油单向阀 1 1 进入机械传动系统的液压助 力器中。助力器的回油从 回油单向阀 1 2和回油过滤 器 1 3回油箱。油泵出口压力由调压开关 1 O控制 ，当 油泵出口压力超过规定时，安全阀打开卸压，确保系 统安全 。 泵站在工作时，由于各种原因致使噪声很大，特 别是在最高工作压力 2 1 M P a 时，常常会发出十 分刺耳的尖叫声。这种噪声严重干扰了教员的讲解和 示范，分散了学员的注意力 ，影响了教学效果，同时 也污染了周围的环境，以至泵站工作时，相邻的房间 都会受到噪声的影响。因此 ，对液压泵站噪声产生的 机理和原因进行分析，并在此基础上针对性地提出降 噪措施 ，具有重要 的现实意义 。 l 一油箱2 一冷却器3 一进油过滤器4 一油泵组件 5 一安全阀6 一单向活门7 一高精度过滤器8 一压力 传感器9 一放气开关1 0 一调压开关1 l 一供油单 向 阀 1 2 一回油单向阀 1 3 一回油过滤器 图1 泵站液压系统原理图 1 液压泵站噪声产生原 因 总的来说 ，液压 系统 的噪声 来 自两 方面 1 机械噪声； 2 流体噪声。机械噪声是由于机械振动、 摩擦、撞击等引起的噪声，主要包括油泵 一电机组件 的结构振动和摩擦、回转体不平衡、联轴器不同心、 电动机的转子和管路振动等产生的噪声。流体噪声是 由于油液的流速、压力的突然变化以及气穴等原因引 起的。在液压系统中，流体噪声 占有相当大的比例， 主要包括液压泵的流体噪声、控制阀的流体噪声、气 穴噪声和管路谐振噪声等。下面进行详细分析。 收稿 日期 2 0 0 9 0 3 1 7 作者简介唐有才 1 9 6 4 一 ，男，副教授，工学硕士，主要从事流体传动与控制、航空机械维修工程的教学和科研工作。 电话 0 5 3 2 5 8 8 3 3 3 6 2 ，1 5 0 6 6 7 9 3 5 1 6 。E m a i l t y c z 6 9 8 1 2 6 ． c o m。 第6期 唐有才 等飞机机械传动系统实验室液压泵站噪声控制研究 3 9 1 ． 1 机械振动引起噪声 泵站工作时，电机和液压泵高速旋转，当转动部 分不平衡或联轴器加工不当以及安装不当发生偏心 时 ，就会使转动部分产 生周期性 的不平衡离心力而引 起强烈振动。由于这种振动是直接作用在泵站主体上 的，就会引起各个部分 的机械振动 。由于泵站 的吸油 管和供油管都是金属导管 ，液压泵的振动必然会传播 出去，而且泵站壳体壁薄刚度不足，有 3个较大的舱 门且固定不牢靠 ，这样就使其成为机械振动噪声源的 主要辐射部位 。另外 ，给电机散热 的风扇旋转时和轴 承滚动体滚动时也会增加泵站的机械噪声。 1 ． 2 液压泵压力脉动引起噪 声 从液压泵的供油原理可知，在液压泵吸油和供油 循 环中 ，会产生周期 性的压力 和流量变化而形成压力 脉动。由于液压泵 出 口没有设置蓄能器和消声器 参见图 1 ，致使压力脉动未能减弱而引起液压振 动 ，并向整个液压系统传播。此时，液压回路的管道 和阀类会将液压泵的脉动油压反射，在回路中产生波 动引起液压泵的共振，以至重新使回路受到激振 ，发 出噪声。尤其是液压泵因油液污染等原因而出现柱塞 和随动活塞瞬时卡滞时，会加剧供油量脉动使噪声更 大。而且 ，当排油腔排出高压油后 ，柱塞腔内尚有剩 余高压油，这部分高压油与低压腔接通时会突然将能 量释放出来而产生噪声。另外 ，当低压油腔与高压油 腔瞬时接通时引起的压力冲击 、颠覆力矩 的变化 以及 处于高压 区柱塞数 目的变化使 内部应力变化等也是产 生噪声的原因。从上述分析可知，液压泵是泵站的主 要噪声源 。 1 ． 3气穴引起的噪 声 在流动的液体中，由于压力降低或其他原因而形 成气泡的现象 ，称为气穴现象。气穴中的气体可能是 空气 ，也可能是液体 的蒸汽 。由于油液 的饱和蒸汽压 比空气分离压 P 要低得 多 ，而且 油液 中又 不可避 免 的含有大量的空气，因此系统产生气穴条件为局部压 力P P 。一般来说，液压泵的进油 口往往是系统压 力最低的部位，易使空气分离。由于油箱和液压泵都 安装在泵 站 的底部 ，而 且 吸油管 长 约 3 m，内径 1 8 n l m左右，沿程损失较大，使泵进 口压力较低。另 外 ，由于液压泵进油过滤器长期得不到清洗，致使过 滤器被许多污染物堵塞 ，增加了局部损失，使液压泵 进口处的压力进一步下降而更易发生气穴现象。同 时，由于油箱没有散热装置，导致泵站工作时油温较 高，也易使液压油产生气泡。这种气泡在低压区体积 较大，当流动到高压区时即受压缩，体积突然变小或 消失；反之 ，在高压区时体积较小，而流到低压区时 体积将突然增大。这种体积的急速改变而产生 “ 爆 炸”现象，将发出强烈噪声，并产生高频液压冲击， 引起液压泵出口和管路中压力的急剧变化而引发强烈 的高频噪声；而且这种压力脉动也增加了液压泵轴承 上的载荷，恶化了液压泵的工作条件，使机械噪声增 大。 2降低噪声的措施 降低噪声通常有两种途径，一种是降低噪声源的 噪声 ，这是治本的办法 ；另一种则是采取声学处理 的 方法阻止噪声，但这只是治标的方法。通过对液压泵 站噪声产生原因的分析，可以从以下几方面人手降低 泵站 的噪声 。 2 ． 1 提 高液压 泵 的性 能 由于液压泵是泵站的主要噪声源，因此 ，提高液 压泵的性能将是降噪的有效方法。 1 可以采用噪声较小的新型柱塞泵来代替轴 向柱塞 泵。因为该新型柱塞泵 的噪声 只有 7 2 d B 见 文献 [ 2 ] ，比工作压力相同的轴向柱塞泵的噪声低 得多 。 2 改进轴 向柱塞 泵设 计 。从 目前 来 看 ，已经 有许多通过改进轴向柱塞泵的内部设计来降低噪声的 方法。① 在配油盘上设置预压缩区和减压区，避免 了高、低压油相通时产生的压力冲击，使其噪声明显 下降；② 增加液压泵斜盘和变量部分的结构刚度以 减小斜盘振动激发的噪声；③ 将斜盘的耳轴支承改 为滑动轴承，在柱塞泵的各缸体上分别设置减压阀， 使缸体内外压力相等 ，可以有效降低噪声。 2 ． 2 提 高设计与装配质量 尽管提高了液压泵的性能，但如果系统设计和安 装上考虑不当、参数不匹配的话 ，并不能达到降低噪 声的目的，因此应加强泵站壳体的结构刚度和提高各 部分 的装配质量 。液压泵 轴与电机轴的连接最好采用 十字联轴器 ，安装 两轴时 同轴度 应在 0 ． 1 m n l 内，这 样可消除液压压力以及不 同轴度所引起的振动和作用 在轴承上的偏心力而降低噪声。特别是要在液压泵 一 电机组合的基座下设置 防振橡胶垫或减振弹簧 ，以防 机械振动外传产生噪声并使振动得到衰减。设计时应 使系统的 固有频率 ／ m为泵轴转 动频 率的 1 ／ 4～1 ／ 2为好。其中 为减振弹性零件的弹簧刚度， m为液压泵 一电机组合 带基座 的总体质量 。 另外在安装导管时，弯瞳半径不宜过小，并要求 设计正确的管路支撑，支撑要牢靠、刚度要好，管道 和支撑之间采用弹性管夹；还可在管道、壳体、板状 零件等表面贴上或涂上一层阻尼材料，使得这些零件 的振动因阻尼作用而得到衰减 ，这些对消除管路振动 和减少空气噪声的辐射都是有效 的。 2 ． 3 对泵站加装隔声罩 由声学原理可知，当声波遇到障碍物时，有一部 4 0 机床与液压 第 3 8卷 分将被障碍物吸收。坚硬而光滑 的材料 如玻璃 表 面吸声 能 力很 差 ，而 柔 软 、多孔 材 料 如 毛 毡 吸声 能力就 强。吸声 能力 较好 的材 料有 纤维 板 、石 棉 、玻璃纤维 、泡抹塑料等 。 由于声与光类似，都可以遮隔或屏蔽，所以对于 现有的泵站降噪，最简单可行的方法是将泵站用隔声 罩罩起来 ，如图 2所示 。 屏蔽 吸声 隔振 气 图2 泵站噪声屏蔽示意图 罩子的外壳可以用钢板或木板 ，内表面可先衬以 薄铅板，然后再用吸声材料敷上。为防止发热，可专 门设置冷却 风扇通风 ，以排除热空气 ，再用吸声 材料 吸收风扇等通风噪声。由于声波有指向性，常集中在 一 个角度 范围内沿振动体的振 动方 向前后发射 ，而在 其他方向发射声波则较弱，所以，在泵站噪声波强的 方向上不应开设舱门，而应增加刚度和在内壁敷上高 性能的吸声材料，这样降噪效果就会更好。加隔声罩 的方法一般可使噪声降低 7～ 2 0 d B ，如某泵站，在 测试距离 3 m处不加隔声罩，声压级为 9 0 d B，加隔 声罩后，其声压级降为6 5 d B 。 2 ． 4改进管路的设计 由于泵站原设计存在缺陷，以及连接到机械传动 系统后，改变了液压系统的布局，使管路的动态特性 变差 ，容易产生液压撞击 、振动和气穴 。所以应该对 泵站管路作适当改进 ，以改善整个管路的动态特性。 改进后的液压泵站 系统原理如图 3所示 。 1 一进油过滤器2 一油泵3 缓冲瓶4 一单向阀 5 一安全阀6 一高压过滤器7 一高精度过滤器8 一蓄 能器9 一缓冲器1 0 ～压力传感器 1 1 一调压开关 1 2 一放气开关l 3 一供油单向阀1 4 一 回油单向阀 1 5 一回油过滤器1 6 一冷却器1 7 一温度传感器1 8 一 取样阀1 9 一油箱 图3 改进后的泵站液压系统原理图 1 在油泵 的进 、出 口处安 装 一段 软管 ，可 以 吸收泵的输出管道中的高频压力脉动，阻止振动沿压 力管道转播和沿导管传至油箱和系统引起共鸣。另外 通过增大吸油软管的直径 ，尽可能减少吸油管路 的长 度 ，减小流动阻力，提高油泵进口压力。 2 在泵站系统设置蓄能器，利用气体的弹性 吸收和释放液体压力能，起到冲击吸收器和压力脉动 衰减器的作用。 3 在液压泵 出口设置缓 冲瓶。由于蓄能器主 要适用于衰减脉动的低频分量，因此可以采用缓冲瓶 衰减脉动的中、高频分量 ，其有效频率范围通常为 1 0 05 0 0 0 Hz 。 缓冲瓶是一种扩张室式脉动衰减器 ，是利用液体 本身的压缩性来衰减液压脉动，其基本工作原理是 液压泵的一个工作构件 如柱塞所产生的流量变 化近似图4 a 中那样 ，当缓冲瓶通过其入射波与反 射波的相互作用，将波形峰值部分的容量吸收填入到 波谷部分 ，这样流量的变化就较小 ，如图4 b 所示， 即可降低油泵出口的压力脉动，如图4 c 所示。 流 量 压 力 时 间 时 I司 时 I司 a 衰减前流量变化 曲线 b 消减原理 c 衰减后压力变化曲线 图4 液压泵流量脉动的消减原理 2 ． 5 加 强维护检 查 作 为实验室 的管理人员 ，平 时加强对泵站的维护 和保养，使其处于良好的工作状态，对于防止泵站噪 声增大有重要的作用。 1 定期检查和清洗过滤器，以使流动通畅， 降低流动阻力，并切实作好防污染工作； 2 经常检查泵站 以及 管道各部分 的固定情况 ， 以防止某一部分松动而使机械振动噪声增大； 3 定期检查泵站的工作情况，发现异常现象 要及时排除。 3结束语 通过对液压泵站噪声控制的研究可知，泵站产生 噪声的机理十分复杂，原因很多。所以降低泵站的噪 声也就有多种方法，但用什么方法，应根据具体情况 而定；而且各种方法都有一定的局限性 ，有时需要几 种方法共同使用才能达到满意的降噪效果。 参考文献 【 1 】 徐敏 ， 等． 设备故障诊断手册[ M] ． 重庆 西安交通大学 出版社 ， 1 9 9 8 ． 1 0 ． 【 2 】 贾跃虎， 文彤民． 新型径向柱塞泵降噪机理分析[ J ] ． 液 压气动与密封， 2 0 0 0 3 1 41 5 ． 【 3 】 杜来林． 液压与气动技术[ M] ． 北京 北京大学出版社， 2 0 0 6 ． 【 4 】 雷天觉． 新编液压工程手册[ M] ． 北京 北京理工大学出 版社， 1 9 9 8 ． 1 2 ．