消波器對水介質(zhì)柱塞泵脈動吸收特性的仿真及試驗

王新海，毛漢源，秦子明，石兆存

（1.海軍裝備部駐葫蘆島地區(qū)軍事代表室，遼寧葫蘆島 125004；2.武漢第二船舶設(shè)計研究所，武漢 430205）

0 引言

柱塞泵作為一種容積式泵，具有自吸能力強(qiáng)、高揚(yáng)程、流量穩(wěn)定的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于船舶消防、艙底水等領(lǐng)域。但由于柱塞泵在原理上會產(chǎn)生低頻振動，在影響泵組可靠性及壽命的同時，還會影響水下艦艇的隱蔽性能［1-9］。因此，有必要研究其壓力脈動特性，并設(shè)計消波器對其進(jìn)行抑制。

NISHIMURA 等［10］研究了各脈動參數(shù)對結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)的影響；張?zhí)煜觯?1］根據(jù)液壓柱塞泵系統(tǒng)壓力脈動的產(chǎn)生機(jī)理，建立了描述壓力脈動生成的數(shù)學(xué)模型。

研究者們對抑制壓力脈動的方法開展了大量研究。目前使用最廣泛的方法是在柱塞泵出口安裝蓄能器，部分廠家甚至將其集成到了泵上。王強(qiáng)等［12］針對往復(fù)泵管路振動特性，對比了撓性接管、管路消振器、蓄能器等措施，發(fā)現(xiàn)蓄能器對低頻流體脈動衰減較大，高頻效果較差。LUO等［13］對蓄能器衰減壓力脈動進(jìn)行了理論建模；ZHANG 等［14］將蓄能器集成到一種新型曲軸海水柱塞泵中，通過優(yōu)化預(yù)充能參數(shù)，有效減少了工作范圍內(nèi)的壓力脈動和振動加速度。

本文設(shè)計了一種結(jié)合蓄能器組與孔板的新型消波器，通過建立蓄能器組的壓力脈動方程，確定了蓄能器組的預(yù)充能參數(shù)，并通過數(shù)值模擬與試驗結(jié)合的方法，驗證了該新型消波器的壓力脈動衰減性能。

1 柱塞泵脈動特性

柱塞泵屬于容積泵，當(dāng)柱塞泵的活塞在水缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動時，可在吸、排水閥配合下完成吸、排液體工作。

為了減少脈動壓力，一般采用雙作用柱塞泵，其柱塞在吸入和排出沖程中同時移動，即一側(cè)縮回的同時，另一側(cè)伸出，從而產(chǎn)生更連續(xù)的流量，減少流量脈動。圖1 示出流量Q隨曲柄轉(zhuǎn)角?變化的曲線。柱塞泵工作時，周期性排出液體，產(chǎn)生周期性壓力變化，根據(jù)泵的結(jié)構(gòu)和運(yùn)轉(zhuǎn)情況，可估算脈動頻率：

圖1 流量與轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線Fig.1 Relationship between flow rate and angle

式中，N為泵轉(zhuǎn)速，次/min；Z為往復(fù)泵的缸體數(shù)；i為諧波次數(shù)，i=1，2，3，…。

本文以某雙缸雙作用活塞往復(fù)泵為研究對象，泵速為170 r/min，泵主要流體脈動激勵的基頻較低，為6 Hz 左右。流量脈動率理論值為31%，壓力脈動率至少達(dá)30%以上。

2 消波器結(jié)構(gòu)及參數(shù)確定

蓄能器對低頻壓力脈動具有較好的衰減效果，對高頻壓力脈動衰減效果較弱，而孔板對高頻壓力脈動衰減效果較好；除此之外，單個蓄能器只能對額定工況的壓力脈動進(jìn)行衰減。而柱塞泵壓力脈動同時具有低頻和高頻特性，且工作壓力會隨背壓的變化而變化。因此，基于以上特性，消波器應(yīng)采用多個蓄能器構(gòu)成蓄能器組，并且結(jié)合孔板，以達(dá)到降低多工況下壓力脈動的目的。

為盡可能緊湊地組合蓄能器組與孔板，節(jié)省空間，降低重量，本文首先對消波器的本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計，如圖2 所示。本體為方形結(jié)構(gòu)，四周各加工5 個隔膜蓄能器容腔，共20 個；中間管道加工2 個孔肩以固定孔板；中間管道與隔膜蓄能器容腔通過通孔連接，本體兩端通過法蘭與管路相連。

圖2 消波器本體結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structural diagram of the wave absorber body

孔板的研究目前已經(jīng)較為完善，本文主要針對蓄能器組進(jìn)行設(shè)計、模擬和試驗。蓄能器結(jié)構(gòu)主要由蓄能器蓋板、隔膜、蓋帽、內(nèi)六角螺栓等組成，如圖3 所示。蓄能器蓋板把隔膜緊壓在本體上，由于隔膜材質(zhì)為丁晴橡膠，且其邊沿與蓋板、本體緊密接觸，可達(dá)到較好的密封效果。

圖3 蓄能器結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Schematic diagram of the accumulator structure

對蓄能器容積和充氣壓力進(jìn)行理論計算。

2.1 蓄能器容積計算

蓄能器總?cè)莘e為：

式中，ΔV為一個脈動周期內(nèi)，瞬時排出體積與平均排出體積的差值，文中按流量脈動率為30%計算得出，為1.45×10-5m3；δ為允許的壓力脈動率，取0.15；k為充氣氣體多變指數(shù)，取1.4。

根據(jù)消波器的設(shè)計方案，共有20 個蓄能器分布在消波器的四周，以更好地調(diào)節(jié)充氣壓力，從而實現(xiàn)不同工況下壓力脈動的衰減。則每個蓄能器的容積為：

式中，n為蓄能器組中蓄能器個數(shù)。根據(jù)計算取近似值，單個蓄能器容積V0為0.075 L。

2.2 蓄能器組參數(shù)確定

蓄能器組可以對不同工作壓力下柱塞泵的壓力脈動進(jìn)行衰減，為使蓄能器組衰減效果最佳，通過建立壓力脈動方程，確定了蓄能器組參數(shù)，以匹配柱塞泵工作壓力的變化。

首先確定消波器的工作壓力范圍pmin～pmax，然后在此范圍內(nèi)取n個壓力點：

并在每個壓力點設(shè)置蓄能器，使得消波器能夠在泵整個壓力范圍內(nèi)充分吸收脈動。

（1）第1 個壓力點及蓄能器參數(shù)確定。

對應(yīng)pmin的蓄能器氣囊容積為：

式中，δp為允許的壓力脈動率。

蓄能器吸收壓力脈動時，該蓄能器的充氣壓力paq1為：

該蓄能器的有效容積Var為：

式中，Vaq1為該蓄能器初始充氣壓力，Pa。

如果柱塞泵輸出壓力大于pmin，且蓄能器有效容積不低于Var，則泵產(chǎn)生的壓力脈動能被充分吸收。

（2）第2 個壓力點及蓄能器參數(shù)確定。

當(dāng)輸出壓力為pc1=pmin時，蓄能器有效容積為Var，因此第2 個蓄能器的充氣壓力paq2只能為：

由于此時第1 個蓄能器也在該壓力點吸收脈動，只是其容積變小，因此第2 個壓力點pc2滿足：

（3）第i（i>2）個壓力點及蓄能器參數(shù)確定。

根據(jù)第2 個壓力點的充氣壓力，可推得第3～i個蓄能器充氣壓力：

第i個壓力點壓力為：

（4）最終參數(shù)確定。

根據(jù)式（11）（12）不斷迭代計算，直至滿足下列條件：

此時可得n個蓄能器的最佳容積和充氣壓力。經(jīng)計算，20 個蓄能器的容積均為0.075 L，充氣壓力和充氣體積見表1。

表1 蓄能器參數(shù)Tab.1 Accumulator parameters

2.3 孔板設(shè)計

采用Realizablek-ε模型優(yōu)化了孔板厚度、間距、開孔數(shù)量等，發(fā)現(xiàn)壓力脈動抑制效果隨開孔增多而增大，但增大趨勢變緩。綜合考慮效果和工藝，確定開孔數(shù)為12。優(yōu)化后的孔板厚度為20 mm，間距為100 mm。仿真發(fā)現(xiàn)，孔板對低頻壓力脈動的抑制效果較差。

3 消波器脈動吸收特性仿真分析

本文采用液壓仿真軟件AMESim 計算蓄能器組壓力脈動吸收特性。在仿真模型中，用正弦變化的入口流量近似模擬柱塞泵產(chǎn)生的流量脈動，入口流量可表示為：

式中，334 為平均流量；50 為流量脈動幅值；125為圓頻率。

消波器中有20 個蓄能器，根據(jù)蓄能器組參數(shù)確定方法計算出蓄能器組的充氣壓力和充氣體積，具體充氣情況如表1 所示。在AMESim 中建立串聯(lián)蓄能器組的仿真模型，并根據(jù)表1 所示參數(shù)對各個蓄能器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。調(diào)節(jié)節(jié)流閥開度，使輸出壓力分別為1.0，1.5，2.0，2.5 MPa，經(jīng)AMESim 仿真，得出輸出壓力消減前、后的壓力脈動曲線，如圖4 所示。

圖4 不同輸出壓力下的壓力脈動消減曲線Fig.4 Pressure pulsation reduction curve under different output pressures

根據(jù)圖4 輸出壓力消減前、后的壓力脈動曲線，獲取消減前、后的壓力平均波峰值、波谷值、平均值，再利用公式計算壓力脈動消減比與壓力脈動插入損失，具體見表2。

表2 消波器脈動消減效果Tab.2 Pulsation reduction effect of wave absorber

式中，δinp，δoutp為進(jìn)、出蓄能器的壓力脈動率；pin，max，pout，max為進(jìn)、出蓄能器的壓力平均波峰值；pin，min，pout，min為進(jìn)、出蓄能器的壓力平均波谷值；pin，pout為進(jìn)、出蓄能器的壓力平均值；λ為脈動消減比；Lp為壓力脈動插入損失。

從表2 的仿真結(jié)果可以看出：采用不同的蓄能器充氣壓力時，柱塞泵各壓力下的壓力脈動均被有效消減，消減比約為50%，插入損失為5.5～6.9 dB。

4 消波器脈動吸收特性試驗

4.1 試驗臺架

本文借助柱塞泵系統(tǒng)降噪改進(jìn)試驗裝置對消波器的脈動吸收特性進(jìn)行了對比試驗，通過對比有無消波器的系統(tǒng)在不同背壓下的振動噪聲變化情況，評估了消波器的脈動吸收特性［15-17］。

加裝消波器的柱塞泵系統(tǒng)降噪改進(jìn)試驗原理及測點布置如圖5 所示，不加裝消波器的對比試驗中采用CB855 截止止回閥和剛性管段替換消波器。圖中，壓力傳感器量程0～4 MPa，精度為0.5%，流量計量程0～50 m3/h，精度為1%表示B＆K 4514B 加速度傳感器，布置在泵進(jìn)出口管路表示B＆K 2250 聲級計，布置在距離泵等被測對象1 m 處，表示PCB 102B16 脈動壓力傳感器，布置在連通帶壓水艙的管路上。

圖5 系統(tǒng)降噪改進(jìn)試驗原理及測點布置Fig.5 The principle of noise reduction test of plunger pump system and the layout of measuring points

4.2 試驗結(jié)果

在試驗中，通過改變閥門開度，使系統(tǒng)背壓分別為0.5，1.0，1.2，1.5，2.0，2.5 MPa，得到不同背壓下消波器降噪效果頻譜如圖6 所示，脈動消減效果對比見表3。

表3 脈動消減效果對比試驗結(jié)果Tab.3 The results of the pulsation reduction effect comparison experiment

圖6 脈動消減效果頻譜Fig.6 Spectrogram of the pulsation reduction effect

由壓力脈動結(jié)果對比分析可得：柱塞泵排水時，消波器可有效降低流體壓力脈動。針對不同排水背壓，相應(yīng)改變消波器充氣壓力，壓力脈動消減效果更加明顯。從頻譜圖可以看出，系統(tǒng)脈動峰值主要集中在10～250 Hz 的低頻段內(nèi)，峰值頻率為柱塞泵固有脈動頻率及其倍頻，在中高頻段內(nèi)壓力脈動峰值較??；由于蓄能器組的存在，在不同工作壓力下，消波器均對低頻壓力脈動有較為明顯的衰減效果。

4.3 與仿真結(jié)果的對比

對比表2 和表3 可以看出，實際插入損失與蓄能器仿真結(jié)果存在1～3 dB 的差別，一方面是由于表2 僅代表～20 Hz 這一主要頻率的消減效果，另一方面反映了孔板的作用。

5 水消聲器試驗

為了進(jìn)一步提高中高壓力時的降噪效果，研制了水消聲器。

5.1 消聲器設(shè)計

如圖7 所示，消聲器由安裝法蘭、耐壓外筒和阻抗失配消聲結(jié)構(gòu)（橡膠材料）組成。

圖7 消聲器剖視Fig.7 Sectional view of the silencer

5.2 插入損失試驗

在柱塞泵出口管路上設(shè)置消聲器，消聲器的插入損失如表4 所示。

表4 消聲器插入損失試驗結(jié)果Tab.4 Experiment results of the silencer's insertion loss

可以看出，水消聲器對低背壓時的噪聲有很好的抑制效果。

6 結(jié)論

（1）設(shè)計出一種蓄能器組和孔板相結(jié)合的新型消波器，建立了蓄能器組的參數(shù)計算方程，并通過該方程對消波器的蓄能器組結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了確定。

（2）通過AMESim 軟件對蓄能器組的壓力脈動衰減特性進(jìn)行了數(shù)值仿真，結(jié)果表明，蓄能器組能夠有效衰減不同工況下的壓力脈動，衰減比約為50%。

（3）通過試驗對新型消波器在柱塞泵不同工況下的壓力脈動衰減性能進(jìn)行了驗證，結(jié)果表明，消波器可有效降低流體壓力脈動，尤其在低頻段內(nèi)吸收壓力脈動效果明顯；針對不同排水背壓，相應(yīng)改變消波器充氣壓力，壓力脈動消減效果更加顯著。

（4）通過消波器和消聲器的搭配使用，可在全部背壓下降低柱塞泵的脈動和噪聲。