液壓系統(tǒng)噪音分析與降噪措施研究＊

鄭壽慶 朱海容

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所 武漢 430079）

1 引言

隨著液壓技術(shù)向著高壓、高速、高效和大功率的方向發(fā)展，液壓系統(tǒng)噪音產(chǎn)生的危害也日益凸現(xiàn)；振動(dòng)與噪聲不僅影響著液壓系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，還會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)備的損壞。對(duì)于軍用艦船來(lái)說(shuō)，液壓系統(tǒng)的噪聲關(guān)系到艦船的戰(zhàn)斗力和生命力，噪聲問(wèn)題及降噪技術(shù)目前成為了國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域極為關(guān)注的問(wèn)題［1］。因此，對(duì)于液壓系統(tǒng)的噪聲機(jī)理進(jìn)行研究，分析其產(chǎn)生原因，并采取針對(duì)性的控制措施是非常必要的。

2 液壓系統(tǒng)組成

液壓系統(tǒng)通常由液壓源、液壓控制元件、液壓執(zhí)行元件及相關(guān)附件組成。

常見(jiàn)液壓系統(tǒng)都是由液壓泵在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，將來(lái)自油箱的液壓液輸出到液壓控制元件，由控制部件進(jìn)行變向、變速、變壓后輸出到執(zhí)行元件，由液壓執(zhí)行元件帶動(dòng)負(fù)載完成一定的動(dòng)作，液壓油最終經(jīng)管道回油箱。本文將圍繞液壓系統(tǒng)的組成對(duì)其噪音產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行分析。

3 液壓系統(tǒng)噪音分析與降噪措施

3.1 液壓源

在液壓系統(tǒng)的噪聲中，液壓泵的噪聲占很大比重。液壓泵的噪聲主要由流量脈動(dòng)、壓力脈動(dòng)和氣穴現(xiàn)象產(chǎn)生。

液壓泵通過(guò)泵體內(nèi)腔工作容積的周期性變化來(lái)吸油和排油，泵的工作腔從吸油腔突然和壓油腔相通，或從壓油腔突然和吸油腔相通時(shí)，產(chǎn)生油液流量脈動(dòng)，由流量脈動(dòng)容易引起壓力脈動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生噪聲。流量脈動(dòng)與泵的斜盤(pán)工作半徑、斜角、柱塞數(shù)、柱塞工作面積、轉(zhuǎn)子角速度等參數(shù)有關(guān)，優(yōu)化設(shè)計(jì)泵的結(jié)構(gòu)和參數(shù)可以減少泵的固有流量脈動(dòng)，理論分析表明，當(dāng)柱塞數(shù)為奇數(shù)時(shí)，泵的流量脈動(dòng)比柱塞數(shù)為偶數(shù)時(shí)要?。?］；此外，減小液壓泵的流量脈動(dòng)，還可在液壓泵前安裝蓄能器，減少流量脈動(dòng)帶來(lái)的沖擊噪聲。

液壓泵吸油腔中的壓力低于油液所在溫度下的空氣分離壓時(shí)，溶解在油液中的空氣就會(huì)析出而變成氣泡，這種帶有氣泡的油液進(jìn)入高壓腔時(shí)，氣泡被擊破，形成局部的高頻壓力沖擊，從而引起噪聲［3］。為減小氣穴現(xiàn)象的產(chǎn)生，就要防止液壓系統(tǒng)中的壓力過(guò)度降低，通常要減小流經(jīng)節(jié)流小孔前后的壓力差，一般小孔前后的壓力比應(yīng)小于3.5；同時(shí)，要采用大容量的吸油過(guò)濾器和直徑較大的吸油管，防止油液中混入空氣，保證吸油管中液流速度不致太高。

3.2 液壓控制元件

在液壓控制元件中，溢流閥、節(jié)流閥是比較容易產(chǎn)生噪音的元件。它們產(chǎn)生噪音基本上都源于瞬間的壓力變化，壓力變化越大，噪音就越大。

溢流閥噪聲主要由油液振動(dòng)、氣穴及液壓沖擊等產(chǎn)生。溢流閥由閥芯、閥座及彈簧組成，當(dāng)內(nèi)部油液經(jīng)過(guò)閥芯狹縫時(shí)，產(chǎn)生高速?lài)娚湟毫?，此時(shí)，油液壓力分布不均，錐閥徑向力不平衡，很容易產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象和沖擊振動(dòng)，常用的降噪措施是：改善閥內(nèi)流道，抑制氣穴現(xiàn)象，減小閥內(nèi)壓力不均。

在液壓系統(tǒng)中，節(jié)流閥的噪聲僅次于液壓泵和溢流閥，節(jié)流閥是靠通流面積的變化來(lái)改變流量的，通過(guò)頻譜測(cè)量與高速攝像技術(shù)分析可知［4～5］，氣穴現(xiàn)象是節(jié)流閥的主要噪聲，氣穴噪聲通常比正常的背景噪聲高30dB左右，且為高頻噪聲。目前常用的降噪方法是將節(jié)流閥設(shè)計(jì)成階梯型閥口，對(duì)油液形成二次節(jié)流，能較大地降低閥口附近的壓力梯度，對(duì)氣穴現(xiàn)象有很好的抑制作用。在設(shè)計(jì)高壓液壓系統(tǒng)時(shí)，一定要注意提高節(jié)流口下游側(cè)的背壓，要使其高于空氣分離壓力的界值，同時(shí)還要進(jìn)行排氣設(shè)計(jì)［6］。

通常，換向閥自身產(chǎn)生的噪音并不大，但是由換向閥產(chǎn)生的間接噪音不容忽視。換向閥突然打開(kāi)、關(guān)閉或換向時(shí)，油液流速會(huì)發(fā)生急劇變化，導(dǎo)致液壓馬達(dá)與負(fù)載傳動(dòng)件之間的沖擊，造成較大的振動(dòng)和噪聲；系統(tǒng)壓力越高、換向時(shí)間越短，沖擊就越強(qiáng)，噪聲也越大。若液壓系統(tǒng)中使用電磁換向閥時(shí)，閥件可由開(kāi)關(guān)閥改為先導(dǎo)緩沖閥疊加換向主閥，并在兩閥之間設(shè)置可調(diào)節(jié)的節(jié)流閥，延長(zhǎng)轉(zhuǎn)換時(shí)間，將轉(zhuǎn)換速度放緩，會(huì)明顯地減少?zèng)_擊，改善液壓控制系統(tǒng)啟停、換向時(shí)對(duì)設(shè)備的沖擊。

氣穴及壓力沖擊引起的噪聲均屬于流體噪聲，對(duì)其測(cè)量及分析起來(lái)都有很大的難度，在工程使用時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況選用低噪音閥件。

3.3 液壓執(zhí)行元件

液壓馬達(dá)作為常見(jiàn)的液壓執(zhí)行元件，其工作原理與液壓泵可逆，結(jié)構(gòu)形式相似。液壓馬達(dá)的噪聲有流體噪聲和機(jī)械噪聲。流體噪聲主要是流量脈動(dòng)和壓力脈動(dòng)造成的，由馬達(dá)內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)變化的不均勻性造成的噪音是很難消除的；通常，在馬達(dá)進(jìn)油口前設(shè)置蓄能器可以降低馬達(dá)進(jìn)油口的油液脈動(dòng)噪聲，安裝撓性軟管也可起到降低壓力脈動(dòng)的作用。

對(duì)于液壓馬達(dá)，機(jī)械噪聲是主要的。機(jī)械噪聲有馬達(dá)與傳動(dòng)部件之間的沖擊噪聲、回轉(zhuǎn)體部件不平衡噪聲、馬達(dá)輸出軸與傳動(dòng)軸之間同軸度誤差等產(chǎn)生的噪音。

液壓馬達(dá)的沖擊噪聲，除了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性及加工、裝配誤差等因素外，最主要的是液壓油的瞬間壓力變化引起的，對(duì)此應(yīng)采取的措施前文已作介紹。

在液壓系統(tǒng)中，液壓泵和液壓馬達(dá)都作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如果回轉(zhuǎn)部件不平衡，就會(huì)產(chǎn)生周期性的不平衡力，這種不平衡力在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)軸彎曲振動(dòng)和噪聲，振動(dòng)進(jìn)一步傳遞，引起管路和附件的振動(dòng)和噪聲。不平衡體高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲主要由基頻和高頻諧波組成，基頻為

式中：n為轉(zhuǎn)速（r／min）；f為基頻（Hz）。

一般基頻很低，只有20～30Hz，但不平衡體高速旋轉(zhuǎn)會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊，破壞其它部件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，引起高頻振動(dòng)。當(dāng)系統(tǒng)的固有頻率接近或等于不平衡體的旋轉(zhuǎn)頻率或其倍頻時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生共振，發(fā)出很大的噪聲。

回轉(zhuǎn)體部件的不平衡噪聲可通過(guò)動(dòng)平衡試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行精確的動(dòng)平衡測(cè)試或采用仿真軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬分析，找到不平衡因素并進(jìn)行補(bǔ)償，可有效控制不平衡因素引起的低頻噪聲。

馬達(dá)輸出軸與傳動(dòng)部件盡量設(shè)計(jì)成耦合件，若條件不允許，可使用彈性聯(lián)軸器來(lái)減少兩軸不同心產(chǎn)生的誤差；通常，同軸度誤差不得超過(guò)0.08°。

3.4 液壓管道

由于液壓泵周期性的流量脈動(dòng)，產(chǎn)生了液壓系統(tǒng)的壓力脈動(dòng)，導(dǎo)致系統(tǒng)中的元件和管道周期性地振動(dòng)，產(chǎn)生噪音。尤其是當(dāng)系統(tǒng)振動(dòng)頻率與管道頻率接近或相同時(shí)，會(huì)加劇液壓系統(tǒng)的振動(dòng)，增大噪音。因此管路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)合理選擇管長(zhǎng)，避開(kāi)液壓系統(tǒng)振動(dòng)頻率。常用的方法是，在管路中加入一定數(shù)量的管夾，提高管道的連接剛度，改變管道的固有頻率，通常把管路的固有頻率fn控制在（20～30）f以外（f為液壓系統(tǒng)脈動(dòng)源頻率）［7］。管路的固有頻率fn（Hz）計(jì)算公式如下［8］：

工程應(yīng)用中，應(yīng)優(yōu)化管道空間布置，選擇合適的管長(zhǎng)，避免管道的固有頻率接近液壓油壓力脈動(dòng)頻率。管路應(yīng)盡量減少?gòu)澱郏瑥澱郯霃街辽贋楣苈分睆降?倍以上。

為減少噪音在管道內(nèi)的傳播，避免共振，可以在管道壁上涂抹阻尼材料，使管道的振動(dòng)因阻尼作用而衰減，減小空氣的輻射噪聲，尤其對(duì)抑制高頻噪聲比較有效。常見(jiàn)的阻尼材料有瀝青、聚氨酯橡膠和一些高分子材料［9］。

在條件允許的情況下，應(yīng)盡量選用液壓集成塊代替管道，以減少振動(dòng)。適當(dāng)加大管路直徑，以減少油液在管路中的流速，降低沖擊。

3.5 系統(tǒng)分析與對(duì)策

液壓系統(tǒng)的噪聲通常是由多個(gè)元件互相作用造成的，這種噪聲需要從總體上考慮，除了定性分析外，還要建立研究對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行定量分析和仿真計(jì)算，從理論上研究得到合理的降噪手段。

系統(tǒng)噪聲通常采用消聲器、蓄能器和動(dòng)壓反饋裝置進(jìn)行控制和補(bǔ)償。安裝消聲器，既能從噪聲源上控制，又能控制噪聲傳播的路徑，降低輻射噪聲。合理配置蓄能器，可以吸收流量脈動(dòng)，減少液壓沖擊，蓄能器的固有頻率和系統(tǒng)的脈動(dòng)頻率相近時(shí)，降噪效果會(huì)更加顯著，其充氣體積越大，越能有效抑制噪聲，但充氣壓力過(guò)大，降噪效果會(huì)變差，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮蓄能器的充氣體積和充氣壓力對(duì)降噪效果的影響［10］。

由于消聲器和蓄能器降噪屬于“無(wú)源”降噪，能抑制的噪聲頻率范圍很有限，為擴(kuò)大頻率范圍，只能增大降噪裝置的尺寸和體積，這對(duì)于有空間和重量要求的液壓裝置來(lái)說(shuō)是不合適的；一般需要估算系統(tǒng)的固有頻率，盡量選擇與系統(tǒng)脈動(dòng)頻率相近的降噪裝置。

一般液壓伺服系統(tǒng)存在低阻尼的問(wèn)題，阻尼低就會(huì)嚴(yán)重影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性；目前，最簡(jiǎn)單有效的方法是采用動(dòng)壓反饋裝置提高液壓阻尼比，改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性和頻寬，進(jìn)而降低沖擊產(chǎn)生的噪聲。動(dòng)壓阻尼器具有高頻導(dǎo)通、低頻截止的特性，既能滿(mǎn)足系統(tǒng)所需要的動(dòng)壓阻尼比，又能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定精度和靜態(tài)剛度。

4 結(jié)語(yǔ)

液壓系統(tǒng)的噪聲是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，振動(dòng)和噪聲直接影響到系統(tǒng)的使用性能和部件的工作壽命。

液壓系統(tǒng)噪音產(chǎn)生的原因和控制方法比較多。本文僅從系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度對(duì)液壓系統(tǒng)的噪聲產(chǎn)生原因及降噪措施進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析和介紹，并結(jié)合工程實(shí)際，提出了一些解決問(wèn)題的措施；要想對(duì)液壓系統(tǒng)的噪音進(jìn)行排除，還需要結(jié)合液壓系統(tǒng)的實(shí)際情況，比如系統(tǒng)總功率、負(fù)載情況、管路布設(shè)環(huán)境等具體分析與設(shè)計(jì)。

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