高壓液壓動力單元壓力脈動抑制方法研究

楊建義

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津300452）

在選用柱塞泵的高壓液壓動力單元中，壓力脈動主要是由電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時的機(jī)械振動和液壓泵結(jié)構(gòu)特性引起的。機(jī)械振動引起的壓力脈動一般采用提高液壓泵、聯(lián)軸器和電機(jī)的配合精度進(jìn)行抑制。由柱塞泵結(jié)構(gòu)特性引起的脈動，可以采用增加液壓泵柱塞數(shù)量、增大液壓泵出口管線尺寸、液壓泵出口加裝蓄能器等方法抑制。在實(shí)際項(xiàng)目中，需要綜合考慮影響因素，最優(yōu)方案是在柱塞泵出口加裝皮囊式蓄能器吸收系統(tǒng)脈動，但是蓄能器的正確選型與安裝、管線連接等直接影響吸收脈動效果。

1 液壓動力單元組成

液壓動力單元一般由電機(jī)、液壓泵、蓄能器及連接管路組成。電機(jī)帶動液壓泵將電能轉(zhuǎn)化成液壓能，通過減壓元件和電液控制元件輸出不同的液力，實(shí)現(xiàn)對閥門的控制或者液壓缸的驅(qū)動。在苛刻環(huán)境中，液壓動力單元的脈動對輸出液力的質(zhì)量、設(shè)備性能的影響不可忽略，因此在設(shè)計液壓動力單元時，必須考慮壓力脈動的影響，并對其加以抑制。針對液壓動力單元液壓泵的流量脈動和壓力脈動，通常采用在液壓泵出口加裝皮囊式蓄能器進(jìn)行吸收。典型液壓動力單元系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 液壓動力單元系統(tǒng)圖Fig.1 System diagram of hydraulic power unit

2 脈動產(chǎn)生和危害

本項(xiàng)目所選擇的液壓泵是徑向柱塞泵，徑向柱塞泵依靠密封容積變化的原理進(jìn)行工作。柱塞在缸體內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動，使密封容積產(chǎn)生變化來實(shí)現(xiàn)吸油和排油。柱塞泵配合精度較高，密封性能好，在高壓下工作仍有較高的容積效率[1]。由于徑向柱塞泵的結(jié)構(gòu)特性，柱塞徑向移動速度是變化的，輸出的瞬時流量是脈動的，壓力也是脈動的。

在高壓液壓動力單元中，系統(tǒng)壓力脈動會影響液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性和產(chǎn)品性能，還有可能引起液壓動力單元與其他設(shè)備共振。柱塞泵的脈動還對自身有較大的影響，壓力高峰值時會對自身的密封產(chǎn)生影響甚至影響液壓泵的使用壽命。因此在設(shè)計液壓動力單元時，必須考慮壓力脈動的影響，并對其加以抑制。

3 柱塞泵脈動抑制

3.1 提高柱塞泵的配合精度

柱塞泵的脈動抑制首先要考慮柱塞泵和電機(jī)的配合精度。高壓液壓動力單元輸出壓力較高，電機(jī)和液壓泵轉(zhuǎn)速較快，液壓泵在結(jié)構(gòu)上一般不能承受額外的徑向和軸向載荷，在電機(jī)臥式布置的安裝中，泵和電機(jī)的同軸度要求較高，一般選用聯(lián)軸器以提高電機(jī)、柱塞泵和液壓泵的安裝精度，減少機(jī)械配合引起的壓力脈動。

3.2 柱塞泵頻率計算

徑向柱塞泵的轉(zhuǎn)子和定子間的偏心距為e 時，柱塞在吸油過程中的死點(diǎn)位置時伸出缸體最長，在排油過程中的死點(diǎn)位置時伸出缸體最短，柱塞的最大行程為2e[2]。柱塞泵的瞬時流量式如下[3]：式中：d 為柱塞直徑；e 為偏心距；L 為連桿長度；R為定子半徑；φ 為轉(zhuǎn)角。由瞬時流量公式可知，柱塞在轉(zhuǎn)動的過程中，流量是時刻變化的，且每旋轉(zhuǎn)1周為1 個周期。流量的周期變化，體現(xiàn)在系統(tǒng)中就是周期變化的壓力脈動。因此系統(tǒng)的壓力脈動主要特征是頻率和幅度。

脈動系數(shù)反映柱塞泵壓力脈動程度，脈動系數(shù)δ 計算如下：

式中：Qmax為柱塞旋轉(zhuǎn)1 周輸出的最大流量；Qmin是柱塞旋轉(zhuǎn)1 周輸出的最小量。脈動系數(shù)主要體現(xiàn)在對流量高值和低值的考察，查閱柱塞泵廠家樣本，本次選擇柱塞泵的脈動理論系數(shù)為1。

壓力脈動的周期性主要用壓力脈動頻率描述，壓力脈動頻率和流量脈動頻率相同。流量脈動頻率f 計算如下[4]：

式中：Z 是柱塞數(shù)量；n 為轉(zhuǎn)速。柱塞泵的脈動頻率只與柱塞數(shù)量和轉(zhuǎn)速有關(guān)。本項(xiàng)目中選用的是三柱塞徑向柱塞泵，轉(zhuǎn)速為1450 r/min，計算柱塞泵的壓力脈動頻率為145 Hz。

4 蓄能器的脈動抑制

4.1 蓄能器容積計算

假定液壓泵至蓄能器間的液壓油流動是層流，在流量脈動的一個時間周期內(nèi)，蓄能器完成吸油和排油各一次，過程時間較短，蓄能器中的氣體來不及與外界熱交換，因此在計算時近似為絕熱變化。皮囊式蓄能器容積可按照推薦公式計算[5]：

式中：Vd為1 個柱塞的排量；k 為絕熱指數(shù)，取值1.4；Kb為不同類型泵的系數(shù)；Pm為蓄能器設(shè)置點(diǎn)的平均絕對壓力，Pm=（P1+P2）/2，Pa；P1為最低工作壓力，Pa；P2為最高工作壓力，Pa。

以項(xiàng)目為例，設(shè)備位于渤海某井口生產(chǎn)平臺，室外安裝，海水含鹽的腐蝕性環(huán)境，環(huán)境溫度-17～33 ℃。系統(tǒng)最小工作壓力20.69 MPa，最高工作壓力48.27 MPa。通過計算只需要0.0001 L 蓄能器，根據(jù)廠家樣本選型，選擇蓄能器容積為1 L。

4.2 蓄能器頻率響應(yīng)

蓄能器的主要參數(shù)有容積、承壓、直徑和進(jìn)口尺寸等，蓄能器的外形尺寸圖如圖2所示。

圖2 蓄能器外形尺寸圖Fig.2 Dimension drawing of accumulator

在蓄能器容積選定后，核算蓄能器的固有頻率。常規(guī)蓄能器在與系統(tǒng)連接時，其入口處有一定長度的連接管路，連接管路對蓄能器本體的特性影響很大[6]。蓄能器的固有頻率計算如下：

式中：A 為蓄能器中油液的截面積；P0為柱塞泵出口壓力穩(wěn)態(tài)值；V0為蓄能器中氣體容積穩(wěn)態(tài)值；m 為蓄能器管路中油液質(zhì)量和蓄能器內(nèi)油液質(zhì)量的等效質(zhì)量。

柱塞泵出口連接管路選用外徑0.25 英寸，壁厚0.065 英寸的無縫不銹鋼管線，長度按照1 m 計算。某品牌常用型號高壓皮囊式蓄能器的固有頻率計算表如表1所示。

表1 高壓蓄能器固有頻率計算表Tab.1 Calculation table of natural frequency of high-pressure accumulator

當(dāng)壓力脈動頻率與蓄能器的固有頻率相等的時候，回路吸收壓力脈動效果最好，對數(shù)幅頻特性函數(shù)如下[7]：

式中：Q 為柱塞泵輸出流量穩(wěn)態(tài)值，Rf為蓄能器前管路的液阻。蓄能器的固有頻率與蓄能器自身結(jié)構(gòu)、安裝形式及安裝位置有關(guān)，吸收脈動蓄能器的安裝位置盡可能的靠近液壓泵。在高壓系統(tǒng)中，由于柱塞泵出口壓力穩(wěn)態(tài)值較大，故蓄能器的固有頻率較高，一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于柱塞泵的壓力脈動頻率，蓄能器對系統(tǒng)脈動的抑制有待進(jìn)一步提高。

5 脈動衰減器容積計算

在項(xiàng)目方案設(shè)計時，電機(jī)、柱塞泵、蓄能器、液控管線等都是標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，在工作蓄能器容積選定后，電機(jī)功率及柱塞泵就會確定，系統(tǒng)壓力脈動的抑制主要體現(xiàn)在脈動蓄能器容積選型、安裝及連接管路。脈動蓄能器的入口設(shè)計，可以根據(jù)高壓液體的流向特點(diǎn)，將液體盡可能的導(dǎo)向蓄能器，使用一種類似閥塊替代這種連接管路，最大可能抑制系統(tǒng)的脈動。脈動衰減器的選型就是以液壓泵參數(shù)及脈動率為基礎(chǔ)計算容積。脈動衰減器容積計算公式如下[8]：

式中：ΔV 為波動的油液容積；q 為活塞的行程容積；dk為柱塞直徑；hk為柱塞行程；δ 為泵的不均勻性系數(shù)；X 為殘余脈動；N 為等熵系數(shù)；φ 為預(yù)充壓力與工作壓力比，一般取0.7。

將項(xiàng)目參數(shù)代入計算，脈動衰減器的容積為0.34 L，查詢脈動衰減器廠家樣本，選擇脈動衰減器容積為1.5 L。以液壓泵參數(shù)和脈動率為基礎(chǔ)計算的脈動衰減器容積選型相對常規(guī)計算較大，經(jīng)廠家模擬軟件及產(chǎn)品現(xiàn)場運(yùn)行驗(yàn)證，脈動減低。實(shí)際生產(chǎn)集成高壓液壓動力單元以脈動衰減器的容積進(jìn)行組裝集成，產(chǎn)品投入現(xiàn)場，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定。

6 結(jié)語

在低壓系統(tǒng)中，蓄能器的固有頻率較低，對低頻脈動有明顯的吸收效果。但是在高壓系統(tǒng)中，蓄能器的固有頻率很高，常用的蓄能器選型計算吸收脈動效果一般。

本文研究了高壓液壓動力單元壓力脈動的產(chǎn)生，著重分析了由柱塞泵自身結(jié)構(gòu)原因產(chǎn)生壓力脈動的抑制與吸收，識別了系統(tǒng)壓力脈動抑制的關(guān)鍵因素。在高壓液壓動力單元中脈動蓄能器容積選型時，常規(guī)的計算方法以蓄能器內(nèi)氮?dú)饨^熱狀態(tài)變化為基礎(chǔ)，跟蹤氮?dú)獾臓顟B(tài)變化。脈動衰減器的計算方法是增加了對液壓泵參數(shù)及脈動率的考察，其選型對壓力脈動的抑制和吸收較好，設(shè)備現(xiàn)場投入運(yùn)行，壓力脈動降低，運(yùn)行穩(wěn)定。