船用舵機兩種液壓驅動方式振動噪聲對比試驗

鄭天平，王 內，毋 迪，黃亞農

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430205)

引言

液壓動力傳動以其傳動平穩(wěn)、調速方便、負載能力強等優(yōu)良特性在許多領域獲得了廣泛應用[1]。船用舵機通常采用液壓動力傳動作為驅動方式，為了保障船用舵機的安全性和可靠性，一般船用舵機采用2個液壓缸對稱驅動舵柄的操舵方案[2]，控制舵機的方式主要有閥控和泵控兩種。閥控方式通常采用比例閥或伺服閥作為控制部件，為節(jié)流控制方式，具有控制速度響應快、精度高等優(yōu)點，但是同時也具有能耗大的缺陷。泵控方式為容積控制方式，雖然比閥控方式響應慢、精度低，但是具有節(jié)能及可實現用電纜代替油管實現分布式智能控制等優(yōu)點[3]。

為了解不同驅動方式下的舵機振動噪聲水平，從而為船用舵機的減振降噪總體設計提供依據，本研究首先對容積控制和節(jié)流控制的雙柱塞缸對稱驅動式(以下簡稱雙缸驅動)及單柱塞缸非對稱驅動式(以下簡稱單缸驅動)典型船用舵機進行了振動噪聲特性分析，在此基礎上，通過試驗臺架，進行了不同驅動方式、驅動速度條件下的振動噪聲試驗研究，得出了驅動方式和驅動速度等因素對船用舵機振動噪聲的影響。

1 典型船用舵機噪聲特性分析

1.1 典型船用舵機傳動機構的噪聲特性

傳統(tǒng)船用舵機一般采用單缸驅動舵機傳動機構的方案，其缺點是可靠性較低，舵機液壓缸與舵柄等部件串聯連接，一旦任何一個部件發(fā)生故障均會導致整個舵機失效，為此，目前常采用雙缸驅動舵機的方案。雙缸驅動舵機結構如圖1所示，2個柱塞缸分別帶動撥叉，驅動舵柄帶動舵軸轉動，這種驅動形式可以保證提供最大舵力，另外，當需要較小驅動力的時候可采用單缸驅動，另外一個柱塞缸作為備用，從而提高了舵機系統(tǒng)的可靠性。

1.柱塞缸1 2.柱塞缸2 3.傳動拉桿 4.舵柄5.舵軸 6.活塞桿 7.撥叉圖1 雙缸驅動舵機結構簡圖

無論上述單缸驅動舵機還是雙缸驅動舵機，除了液壓驅動部分的噪聲外，傳動機構的振動噪聲也是其主要噪聲源之一。隨著液壓驅動部分振動噪聲控制技術越來越成熟，機械傳動機構的噪聲控制也越來越受重視，比如，剛度、質量、阻尼和激勵是影響傳動機構振動特性的4個重要要素，間隙、摩擦等因素對系統(tǒng)的剛度、阻尼分布和激勵特性都會產生影響，進而影響到整個舵機系統(tǒng)的噪聲。對于本研究所述的舵機，舵軸是其主要負載支撐部件，且經常處于干摩擦狀態(tài)，通過降低舵軸支承力來減弱舵機轉動時的摩擦振動是降低舵機噪聲的主要手段。如圖2所示，假設舵軸受到的水動力負載為F，2臺柱塞缸提供的驅動力分別為F1和F2，二者大小相等，方向相反，舵軸軸承和舵跟軸軸承處的支承力為N1和N2。

1.柱塞缸1 2.柱塞缸2 3.撥叉 4.舵柄 5.舵軸6.舵軸軸承 7.舵跟軸軸承圖2 受力分析圖

Ff1=μ(N1+N2)=μF

(1)

式中，μ—— 摩擦系數

F—— 水動力負載

單缸驅動時為非對稱驅動，只有1臺柱塞缸動作，此時舵軸的摩擦力為：

(2)

雙缸和單缸驅動條件下摩擦力的比值為：

(3)

由式(3)可知，α始終小于1，即雙缸驅動時的摩擦激勵小于單缸驅動，舵軸摩擦副的潤滑條件也較容易保持于良好的潤滑狀態(tài)，理論上雙缸驅動時舵軸振動噪聲小。

1.2 泵控舵機液壓系統(tǒng)的噪聲特性

泵控舵機系統(tǒng)是通過改變泵的斜盤傾角大小使泵輸出流量和壓力與系統(tǒng)要求相適應[4]，基本原理框圖如圖3所示。

圖3 泵控舵機系統(tǒng)基本原理框圖

泵控舵機液壓系統(tǒng)的振動噪聲主要來源于以下幾個方面：

(1) 泵控裝置機組的振動噪聲，對柱塞泵來說，流量脈動是其固有特性，會通過管路系統(tǒng)向外傳遞，對舵機系統(tǒng)的噪聲產生較大的影響。柱塞泵產生流體脈動的原因是多個柱塞泵分別排液而產生的排量脈動。

柱塞泵的排量可按下式計算[5]：

(4)

實際上，柱塞泵的輸出流量是脈動的，脈動率為：

(5)

輸出流量的脈動量為：

Q=V·W

(6)

式中，d—— 柱塞直徑

D—— 柱塞在缸體上的分布圓直徑

δ—— 斜盤傾角

z—— 柱塞數

對于某一柱塞泵來說，柱塞直徑、柱塞在缸體上的分布圓直徑以及柱塞數是固定不變的。由式(6)可知，斜盤傾角δ的變化，會引起相應的流量脈動，液壓泵的流量脈動必然引起泵及管路的脈動，進而產生振動噪聲，其振動大小隨流量脈動的增加而增加[6]。

另外，柱塞泵在吸油、排油過程中，柱塞泵油液的急劇膨脹或壓縮所引起的壓力脈動也會產生振動噪聲[7]，其振動大小隨著壓力的增加而增加，其振動頻率與每個柱塞歷經高低壓轉換的次數一致，是流量脈動頻率的2倍。

(2) 系統(tǒng)中換向時的沖擊與振動，泵控舵機系統(tǒng)變向時，從而導致管路系統(tǒng)產生沖擊和振動噪聲[8]。

(3) 管路系統(tǒng)剛度不夠、固有頻率與流體脈動頻率相近而導致的振動噪聲，泵控舵機的流體脈動激勵著管路系統(tǒng)，當管路系統(tǒng)頻率與流體脈動固有頻率相近時會產生共振，進而導致振動噪聲加劇，另外，管路系統(tǒng)過長、安裝不合理、彎頭多、剛度不夠時，系統(tǒng)換向時產生的壓力沖擊也會導致整個管路系統(tǒng)的沖擊[9]。

1.3 閥控舵機液壓系統(tǒng)的噪聲特性

閥控舵機系統(tǒng)是通過控制閥來對液壓系統(tǒng)的流量、壓力、流向等參數進行控制，基本原理框圖如圖4所示。

圖4 閥控舵機系統(tǒng)基本原理框圖

除了泵源噪聲外，閥控系統(tǒng)振動噪聲主要來源于伺服閥流體噪聲，產生的主要原因為氣蝕、節(jié)流和換向沖擊：

(1) 氣蝕噪聲是當油液通過閥口時，流速的急劇上升使壓力能轉換成動能，導致壓力的驟然下降，當局部壓力低于工作溫度下溶于油液中空氣分離的臨界壓力時，溶于液壓油中的空氣以氣泡的形式分離出來，出現氣穴現象，氣穴在高壓區(qū)潰滅，產生氣蝕，并誘發(fā)噪聲[10]，此外，閥口的高速噴流和旋渦分離引起的耦合振動也是閥內噪聲的主要誘發(fā)因素[11]；

(2) 節(jié)流噪聲與氣蝕是密切相關的，閥口壓差越大，流量越大，產生的節(jié)流噪聲越大，另外，不合理的閥口設計也會加劇節(jié)流噪聲，為此，通常通過控制閥口壓降、優(yōu)化閥口形狀(比如多孔閥套設計)來降低節(jié)流噪聲；

(3) 換向沖擊噪聲是由于閥芯和閥桿受液體沖擊的影響產生振動，如果流體的沖擊所引起的振動頻率接近閥芯和閥桿的固有頻率時，還會導致共振現象，產生嚴重的噪聲[12]。

對于本研究中的閥控舵機系統(tǒng)來說，振動噪聲來源主要是閥口的節(jié)流以及換向沖擊噪聲。節(jié)流產生的流體激勵管路、閥門、附件、舵機油缸等，此時產生的噪聲頻率較高，在傳播過程中相比于泵控系統(tǒng)產生的低頻流量脈動頻率較容易衰減。

2 驅動方式試驗對比研究

舵機系統(tǒng)產生振動噪聲的部位主要為液壓系統(tǒng)和傳動機構，目前，國內外對液壓系統(tǒng)的振動噪聲控制研究著重于泵源、管路系統(tǒng)振動控制，其技術成熟，但對于包含傳動機構的整個舵機系統(tǒng)的振動噪聲研究較少，基于此，本研究對不同驅動方式的舵機系統(tǒng)的振動噪聲進行了試驗研究。

2.1 試驗臺架工作流程

本研究的舵機系統(tǒng)試驗臺架的驅動方式為泵控和閥控，同時，又設計了單缸驅動和雙缸驅動兩種結構，來進行舵機系統(tǒng)振動噪聲試驗，試驗臺架工作流程如圖5所示。

圖5 試驗臺架工作流程圖

泵控工況時，控制臺通過數據裝置發(fā)送泵控指令，泵運行，回路轉換至泵控回路，控制信號為舵機指令與實際舵機位置信號的差值。泵的壓力油大小與控制信號成比例，經過單/雙缸驅動回路到達舵機液壓缸。

閥控工況時，操縱控制臺發(fā)送控制信號使之處于閥控回路，同時給定閥控回路中的伺服閥信號，液壓系統(tǒng)液壓油經過閥控回路、單/雙缸驅動回路到達舵機液壓缸。

2.2 負載模擬的實現

基于泵控和閥控兩種驅動方式以及單雙缸的傳動機構，通過加載系統(tǒng)來模擬壓差為1 MPa及4 MPa的負載進行振動噪聲試驗，加載系統(tǒng)的原理如圖6所示。

負載模擬時，舵機處于初始位置，加載蓄能器的活塞均在中位(蓄能器充1/2容積的液壓油)，截止閥J5和J6打開，其他截止閥關閉，舵機帶動加載液壓缸向上運動時，加載蓄能器B的充油壓力越來越高，而加載蓄能器A的充油壓力越來越低，從而使得加載液壓缸兩腔的壓力差隨著轉舵舵角增加而增加，通過調節(jié)加載蓄能器初始充氣壓力即可模擬不同壓差的負載。

2.3 試驗結果分析

在相同的環(huán)境溫度下，泵控舵機與閥控舵機系統(tǒng)分別啟動，在不同活塞桿移動速度(低速：12 mm/s；半速：20 mm/s；全速：40 mm/s)的工況下，測試舵機液壓缸振動加速度La變化規(guī)律，試驗結果如表1和圖7、圖8所示。

1.舵板 2.加載液壓缸 3.加載蓄能器B4.截止閥 5.加載蓄能器A圖6 加載系統(tǒng)原理圖

表1 舵機液壓缸振動加速度總級La dB

由表1和圖7可以看出，泵控單缸驅動時，驅動速度由半速變?yōu)槿?，即流量增?倍，舵機液壓缸振動加速度增加4～5 dB；雙缸驅動時，驅動速度由半速變?yōu)槿?，振動加速度增?～4 dB。當驅動速度增加1倍，系統(tǒng)功率增加1倍，即泵控舵機斜盤角變大時，由式(6)可知，流量脈動也會增加，泵控驅動時流量脈動導致的壓力脈動增加會產生較為明顯的振動噪聲。泵控驅動時，相同速度下，雙缸時的振動加速度低于單缸時的1～2 dB，由式(3)可知，相比于單缸驅動，雙缸驅動時舵軸受到的摩擦力較小，由摩擦激振產生的噪聲降低，也能起到減少振動的效果。

圖7 泵控驅動時舵機液壓缸振動加速度總級變化曲線

圖8 閥控驅動時舵機液壓缸振動加速度總級變化曲線

由表1和圖8可以看出，閥控驅動時，雙缸驅動速度由低速變?yōu)榘胨?，即流量增?倍時，振動加速度增加2～3 dB；單缸驅動速度由低速變?yōu)榘胨?，即流量增?倍時，振動加速度增加3～4 dB；流量增加1倍，壓差降低1倍時，整體上液壓缸振動加速度降低1dB，此時閥控驅動表現出來的規(guī)律與泵控驅動相同。

由表1可以看出，在同樣的單雙缸驅動條件下，驅動速度相同時，閥控工況的舵機液壓缸振動加速度總級均小于泵控工況。在低負載的條件下，閥控驅動更有利于降低振動噪聲，雖然閥控系統(tǒng)噪聲集中于節(jié)流噪聲，但其噪聲頻率較高，較易通過管路系統(tǒng)衰減。

3 結論

本研究從現有的試驗結果可以得出以下結論：

(1) 在相同的驅動速度和負載條件下，閥控舵機比泵控舵機更有利于降低振動噪聲；

(2) 降低驅動速度可以降低舵機系統(tǒng)的振動噪聲；

(3) 類似于本研究所述的舵機，低負載情況下，采用閥控雙缸驅動有利于降低舵機系統(tǒng)的振動噪聲。