潛艇操舵系統(tǒng)液壓脈動噪聲控制研究

汪新穎，張 棟，韓 科

潛艇操舵系統(tǒng)液壓脈動噪聲控制研究

汪新穎1，張 棟2，韓 科2

（1. 東部戰(zhàn)區(qū)海軍，浙江寧波315000；2. 海軍潛艇學(xué)院，山東青島266042）

對國產(chǎn)某型潛艇操舵系統(tǒng)液壓脈動噪聲進(jìn)行理論分析，制定了適應(yīng)液壓系統(tǒng)特點(diǎn)的總體仿真結(jié)構(gòu)，利用MATLAB軟件中的simulink子模塊進(jìn)行仿真計(jì)算。根據(jù)仿真計(jì)算數(shù)據(jù)，提出潛艇操作系統(tǒng)利用氣囊式蓄能器與消聲器兩種降噪方案，對操舵系統(tǒng)脈動噪聲控制具有指導(dǎo)意義，具備相應(yīng)的推廣價(jià)值。

操舵系統(tǒng) 液壓噪聲 理論建模 仿真

0 引言

近年來，液壓技術(shù)憑借其特有優(yōu)勢在現(xiàn)代工業(yè)、軍事及生活中已大量應(yīng)用，隨著液壓技術(shù)的不斷發(fā)展其噪聲問題也得到了普遍重視[1]。潛艇操舵系統(tǒng)中牽扯諸多液壓裝置，其工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲對于潛艇的水下航行是非常不利的，降低了潛艇的隱身性能。同時(shí)，對于長時(shí)間在艇上工作的艇員而言，液壓噪音的存在對艇員的身心健康也具有相應(yīng)影響。因此，如何降低潛艇操舵系統(tǒng)中的液壓工作噪聲，提高潛艇的隱蔽性，保障潛艇的生命力與戰(zhàn)斗力顯得尤為重要。

1 潛艇操舵系統(tǒng)的液壓脈動噪聲分析

以國產(chǎn)某型常規(guī)潛艇的操舵系統(tǒng)為研究對象，該操舵系統(tǒng)包含柱塞泵、液壓閥、液壓油箱、蓄能器等部件[2]。此系統(tǒng)工作時(shí)，此系統(tǒng)在液壓泵流量的作用下會產(chǎn)生以下三種脈動噪聲[3]。

1）固有脈動

2）回沖脈動

3）耦合脈動

2 潛艇操舵系統(tǒng)脈動理論分析及噪聲抑制方案

2.1 液壓泵輸出脈動

研究的模型中所采用的油泵柱塞數(shù)s=7，轉(zhuǎn)速為n=1 000～1 600rpm，額定轉(zhuǎn)速為e=1 250rpm，計(jì)算得到液壓操舵系統(tǒng)的三種不同脈動的相關(guān)頻率如表1所示。

表1　操舵系統(tǒng)液壓脈動頻率

2.2 蓄能器吸收壓力脈動時(shí)的動態(tài)分析

傳統(tǒng)操舵系統(tǒng)的蓄能器，由于其固定的活塞式結(jié)構(gòu)，使蓄能器的吸收流量脈動的能力較差[5]。因此，為了減少因流量脈動而產(chǎn)生的壓力脈動，降低流量脈動對液壓系統(tǒng)產(chǎn)生影響，液壓油出口使用蓄能器進(jìn)行壓力脈動的回收，減少其相應(yīng)的脈動噪聲。

因此，計(jì)算可得管路中液壓油流動方程:

蓄能器的流量方程：

2.3 消聲器吸收壓力脈動的動態(tài)分析

蓄能器吸收壓力脈動時(shí)的微分程與多孔同心式消聲器微分方程的建立過程大致相同。消聲器外腔壓力隨系統(tǒng)壓力振動微分方程為：

消聲器使得系統(tǒng)的壓力脈動噪聲下降的分貝數(shù)為：

3 脈動噪聲控制效果仿真

3.1 蓄能器抑制脈動噪聲效果仿真

當(dāng)流量脈動系數(shù)約為2.53%，液壓泵的柱塞數(shù)為7時(shí)，此時(shí)的流量脈動幅度為：

因此，無氣囊式蓄能器時(shí)，系統(tǒng)的壓力脈動：

從圖2可以看出，油泵出口加裝氣囊式蓄能器后：

通過上述三組數(shù)據(jù)對比分析可得：氣囊式蓄能器對三種回沖脈動降噪效果明顯，當(dāng)液壓泵轉(zhuǎn)速為1 000 rpm時(shí)，聲音降噪效果最為明顯。

原因分析：回流沖擊脈動頻率與蓄能器自身的原有頻率數(shù)值差異最小，仿真結(jié)果與理論分析穩(wěn)合。

3.2 消聲器抑制脈動噪聲效果仿真

從圖3數(shù)據(jù)可以看出，油泵出口加裝消聲器后，當(dāng)液壓泵轉(zhuǎn)速為1 600 rpm時(shí)：

當(dāng)液壓泵轉(zhuǎn)速為1250 rpm時(shí)：

當(dāng)液壓泵轉(zhuǎn)速為1000 rpm時(shí)：

通過上述仿真結(jié)果分析可得：

1）液壓泵轉(zhuǎn)速為1 600 rpm時(shí)的固有脈動噪聲抑制效果最優(yōu)，轉(zhuǎn)速為1 200 rpm時(shí)的耦合脈動噪聲抑制效果效果最差。

2）在液壓泵轉(zhuǎn)速固定時(shí)，固有脈動的降噪效果最佳，回沖脈動次之，耦合脈動的降噪效果相對較差。

原因分析：此時(shí)三種脈動的頻率遠(yuǎn)低于消聲器的固有頻率，因此高頻噪聲在此消聲器作用下削弱效果顯著，而低頻噪聲在此消聲器作用下削弱效果較差。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)潛艇操舵系統(tǒng)液壓脈動噪聲特性進(jìn)行了相關(guān)分析，提出氣囊式蓄能器與消聲器兩種降噪方案，并進(jìn)行了理論仿真分析，通過分析得出兩種方案對于潛艇操舵系統(tǒng)液壓脈動噪聲具有相應(yīng)的抑制作用。同時(shí)根據(jù)不同的系統(tǒng)工況，得出兩種方案的降噪適用范圍，具備相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益與推廣價(jià)值。液壓系統(tǒng)噪聲類型眾多，還包括氣蝕噪聲、繞流噪聲和機(jī)械噪聲等，因此，要想全面抑制潛艇液壓系統(tǒng)噪聲，提高潛艇的隱蔽性，保障潛艇的生命力，仍需進(jìn)一步考慮多種噪聲源。

[1] 董仁義, 吳崇建, 張京偉等. 基于Modelica/MWorks的艦船液壓操舵系統(tǒng)建模與仿真[J], 艦船科學(xué)技術(shù), 2011(11): 76～80.

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Research on hydraulic system's impulsive noise suppression for submarine steering system

Wang Xinying1,Zhang Dong2, Han Ke2

(1. Eastern Theater Navy, Ningbo 315000, Zhejiang,China; 2. Navy Submarine Academy, Qingdao 266042, Shandong, China)

TJ6

A

1003-4862（2022）09-0074-04

2022-03-05

汪新穎（1984-），男，在讀碩士，研究方向：潛艇作戰(zhàn)指揮。E-mail: 158008586@qq.com