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液壓系統(tǒng)振動噪聲產(chǎn)生原因分析
Analysis for the Reason of Producing Vibration Noise of Hydraulic System
摘 要:對液壓系統(tǒng)產(chǎn)生振動噪聲原因分析 ,提出衰減、 阻尼及消除方法。
關(guān)鍵詞:液壓系統(tǒng); 振動噪聲; 消除方法
液壓系統(tǒng)的振動與噪聲是一個相當(dāng)普遍的問題。機(jī)器設(shè)備愈向高速、 高壓和大功率的方向發(fā)展 ,相應(yīng)的技術(shù)跟不上 ,振動與噪聲也相應(yīng)增大 ,長期處于異常振動的液壓設(shè)備必然會出現(xiàn)各種故障 ,造成振動與液壓裝置難以正常工作 ,影響設(shè)備的性能和液壓元件的壽命 ,也影響人的身心健康。因此分析振動噪聲產(chǎn)生原因有助于采取有效的消除方法。
1 振動與噪聲
噪聲是一種振動波 ,它通過不同的傳播媒體 ,可分為流體噪聲、 結(jié)構(gòu)噪聲和電磁噪聲。在液壓傳動或自動控制系統(tǒng)中 ,上述 3 種噪聲同時存在 ,其產(chǎn)生的成因和組成是多方面的。
1) 液壓泵的噪聲
在液壓系統(tǒng)中主要的噪聲源是液壓泵。即使它不輻射出大量的聲功率 ,其壓力波動和結(jié)構(gòu)振動也能間接地引起機(jī)器設(shè)備的噪聲。
液壓泵的噪聲隨液壓功率的增加而加大。液壓功率是由液壓泵的輸出壓力 p、 每轉(zhuǎn)的排量 q 和轉(zhuǎn)速 n這 3 個參數(shù)決定的。這 3 個參數(shù)對液壓泵的噪聲影響程度是不同的。轉(zhuǎn)速的提高使泵的噪聲增大比輸出壓力提高的作用要大得多;每轉(zhuǎn)排量對噪聲的影響基本與輸出的壓力相同。
為了使噪聲最低 ,一般在選用液壓泵時 ,在保證所需的功率和流量的前提下 ,盡量選擇轉(zhuǎn)速低的液壓泵(1000～1200 r/ min) ,在實際應(yīng)用中也可使用復(fù)合泵(并聯(lián)和串聯(lián)液壓泵)和卸荷回路來降低噪聲。
(1)液壓泵的流量脈動 ,由此引起的出口及管路壓力脈動。這種固有的流量與壓力脈動必然產(chǎn)生流體噪聲。
(2) 液壓泵困油區(qū)的壓力沖擊及倒灌流量產(chǎn)生噪聲。如斜盤式軸向柱塞泵 ,其缸體在旋轉(zhuǎn)過程中位于上死點時 ,柱塞腔內(nèi)的液體壓力在與排油腔接通的瞬間 ,吸油壓力突然上升到排油壓力產(chǎn)生了較高壓力沖擊。同理 ,位于下死點時 ,柱塞腔內(nèi)的液體壓力在與吸油腔接通的瞬間突然由排油壓力下降到吸油壓力 ,同樣也產(chǎn)生壓力沖擊。與此同時 ,在上死點排油腔內(nèi)的液體向柱塞腔內(nèi)倒灌 ,便產(chǎn)生了所謂 “倒灌流量”,使液壓泵原來固有的流量脈動更加劇烈。由此產(chǎn)生較大的流體噪聲 ,它是液壓泵的主要聲源。
(3) 液壓泵的困油現(xiàn)象也是產(chǎn)生振動和噪聲的重要原因。如齒輪泵在實際使用中因困油產(chǎn)生較大的噪聲時 ,應(yīng)檢查其卸荷槽的尺寸是否與設(shè)計圖紙相符。在修磨端蓋時要保證原卸荷槽的尺寸不變。
(4) 由于泄漏的原因 ,增加了液壓泵的壓力和流量脈動也是產(chǎn)生噪聲的原因之一。因此 ,在維修中消除液壓裝置的外泄漏 ,是降低噪聲的有效措施。
2) 控制閥的噪聲
控制閥是液壓系統(tǒng)中的另一個噪聲源。
(1) 控制閥的氣穴作用發(fā)出的噓噓聲(高速噴流聲) 。這是由于油液通過閥口時產(chǎn)生的節(jié)流作用 ,在節(jié)流口處產(chǎn)生很高的流速 ,有時可達(dá) 100～150 m/ s (通常稱噴流現(xiàn)象) 。在節(jié)流口下游通道截面處流速極不均勻的情況下 ,當(dāng)壓力低于大氣壓時 ,溶解于油中的空氣便分離出來產(chǎn)生大量的氣泡。這些氣泡由于油流壓力回升而消失 ,此時的振動頻率將達(dá)到 200 Hz 以上。另外 ,在噴流狀態(tài)下 ,油流速度不均勻而發(fā)生渦流或由于液流被剪切也產(chǎn)生噪聲。
解決這類噪聲的辦法是提高節(jié)流口下游背壓 ,使其高于空氣分離壓力的臨界值?？捎枚壔蛉墱p壓的辦法 ,以防止氣穴現(xiàn)象的發(fā)生。一般油液通過控制閥的節(jié)流口時 ,要求上游壓力 p1 與下游壓力 p2 之比 ,不大于 3～6 (銳邊閥口取小值 ,圓弧閥口取大值) 。
(2) 控制閥的自激振動產(chǎn)生的噪聲。如溢流閥一類的控制閥 ,其閥芯是支承在彈簧(包括油液的彈性)上 ,與質(zhì)量 ,阻尼系統(tǒng)與管路以及與負(fù)載相匹配的有關(guān)參數(shù)超過臨界值時 ,閥芯就會因其他部位的擾動(如壓力脈動或其他振源)產(chǎn)生持續(xù)的自激振動和異常噪聲。又如滑閥、 轉(zhuǎn)閥和伺服閥等由液動力引起的自激振動也發(fā)生一種呈 “嗡嗡叫” 的高頻聲響。在一般情況下 ,壓力、 溫度愈高 ,這種現(xiàn)象就愈容易發(fā)生。
(3) 液壓泵壓力脈動的激勵作用 ,使閥件產(chǎn)生共振 ,因而增大噪聲;控制閥中特別是節(jié)流閥 ,其節(jié)流開口小 ,流速高易產(chǎn)生渦流 ,有時將會引起閥芯拍擊閥座 ,產(chǎn)生很大的蜂鳴聲。發(fā)生這種現(xiàn)象時 ,可選用小規(guī)格的控制閥來替換或?qū)⒐?jié)流口開大。
(4) 在液壓系統(tǒng)中 ,由于方向控制閥突然關(guān)閉或突然打開造成液壓沖擊而引起振動和噪聲。如電磁換向閥快速切換時 ,油路突然關(guān)閉或使油流突然改向以及電磁閥突然打開使液壓泵卸載都會產(chǎn)生液壓沖擊。一般電磁閥的動作時間為 0. 08～0. 12 s ,由于快速切換引起管內(nèi)壓力劇烈波動 ,并以聲速沿著管道方向傳播 ,當(dāng)傳至液壓缸、 液壓泵或其他較大的容腔時 ,就會引起這些環(huán)節(jié)產(chǎn)生撞擊振動和噪聲。如磨床工作臺在換向過程中(換向閥未調(diào)好) ,就會產(chǎn)生沖擊而使管道發(fā)出 “嗡嗡” 的噪聲;又如液壓機(jī)的液壓缸 ,在承壓狀態(tài)時 ,若控制閥突然打開而液壓缸急速卸載 ,則液壓缸和其連接的機(jī)構(gòu)也會由于沖擊而發(fā)出噪聲。
這種噪聲可以通過閥的合理設(shè)置(如設(shè)置緩沖機(jī)構(gòu)等)或采用分級卸載的辦法 ,使液壓沖擊盡可能的減小。
(5) 控制閥的工作部位磨損、 滑閥與閥體孔配合間隙過大、 高低壓油互通、 調(diào)壓彈簧永久變形或損壞等原因、 而發(fā)出一種 “哨” 聲或 “尖叫” 聲。這種噪聲的消除方法是更換閥座、 閥芯或彈簧。
3) 液壓泵吸入系統(tǒng)的氣穴現(xiàn)象產(chǎn)生振動和噪聲此處略。
4) 液壓泵的吸空現(xiàn)象產(chǎn)生的噪聲液壓泵的吸空 ,是指液壓泵吸進(jìn)的油液中混有空氣。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生不僅容易發(fā)生氣蝕、 增高噪聲 ,而且還影響液壓泵的容積效率、 油液變質(zhì)等不良后果。因此 ,在液壓傳動與控制系統(tǒng)中 ,這種現(xiàn)象是不允許存在的。出現(xiàn)這類問題的主要原因是油箱和油管設(shè)置、安裝不合理(如油箱內(nèi)液面劇烈地攪動 ,空氣便混入油內(nèi)) ;吸油管吸進(jìn)帶有氣泡的油液(吸油管接頭密封不嚴(yán)、 吸入空氣) 。油液中的空氣泡在低壓處膨脹 ,進(jìn)入高壓區(qū)后被壓縮 ,產(chǎn)生上述的氣穴現(xiàn)象 ,因而使噪聲增大。
產(chǎn)生吸空現(xiàn)象的其他原因還有:因泄漏等原因造成油箱中油液不足;吸油管浸入油液液面部分太少;液壓泵吸油位置太高;油液的黏度大;液壓泵吸油口通流截面過小;過濾器表面被污染物堵塞;回油管沒有浸入油池等而造成大量空氣進(jìn)入系統(tǒng)。
防止液壓泵吸進(jìn)空氣可采取以下措施:
(1) 液壓泵吸油管和有關(guān)部分(如泵出軸端)要嚴(yán)格密封 ,防止泵內(nèi)短時低壓而吸入空氣。
(2) 油箱設(shè)計要合理 ,可采用設(shè)有隔板的長油箱 ,使油液中的氣泡上浮后不會很快進(jìn)入吸油管附近。油箱是液壓系統(tǒng)中消除油液里氣泡的最好地方。一般油液回到油箱時往往帶有氣泡 ,只要到一定的時間 ,氣泡就會自動分離出來并上浮消失。為此 ,液壓系統(tǒng)的油箱容積應(yīng)足夠大。油箱的容積隨設(shè)備不同、 使用場所的不同而有差異。通常可設(shè)計成等于系統(tǒng)兩分鐘最大流量即可。
當(dāng)不能提供具有隔板的油箱時 ,可采用具有去除氣泡裝置的油箱。試驗表明 ,采用 60 目的金屬網(wǎng) ,安裝傾斜角 30° 效果最佳 ,它能去除 90 %混入油液中的氣泡。
(3) 油箱中的油液應(yīng)加至油標(biāo)線的規(guī)定;吸油管一定要浸入油池的 2/ 3 深度處;油液的黏度要符合使用說明書的規(guī)定;過濾器要定期清洗 ,防止被污物堵塞。
(4) 液壓系統(tǒng)的回油管要插入油箱液面以下 ,并要制成 45° 的斜切口面朝箱壁 ,距箱壁 100 mm左右為宜。回油管徑要適宜(足夠大) ,防止回油流速過高沖入油箱攪動液面而混入空氣。
(5) 采用消泡性能好的工作油液 ,或在油液內(nèi)加入消泡添加劑 ,使氣泡很快的上浮消失。
5) 液壓系統(tǒng)中機(jī)械零件的振動產(chǎn)生的噪聲
(1) 液壓系統(tǒng)機(jī)械回轉(zhuǎn)部分,由于結(jié)構(gòu)設(shè)計、 制造、安裝等誤差,當(dāng)工作時便產(chǎn)生周期性的不平衡力,因而發(fā)生振動并輻射出恒定的噪聲。如液壓泵驅(qū)動系統(tǒng)的皮帶輪和皮帶、 傳動軸上的鍵、 聯(lián)軸器和液壓泵等零件,當(dāng)電動機(jī)的軸與液壓泵的傳動軸,同軸度誤差大于0. 08mm時,就會產(chǎn)生較大噪聲。此時的聯(lián)軸器不僅不吸震,反而造成強(qiáng)迫振動。因此,在制造與安裝過程中應(yīng)盡量減小偏心與不平衡;液壓泵、 電機(jī)支架與機(jī)座要用楔鐵調(diào)整并校準(zhǔn)水平;緊固螺釘必須有防松結(jié)構(gòu)。
(2) 設(shè)備的地基與機(jī)座、 液壓系統(tǒng)的管路等 ,若安裝、 調(diào)整不符合技術(shù)條件規(guī)定時 ,也導(dǎo)致產(chǎn)生噪聲。并在系統(tǒng)油壓升高后 ,經(jīng)控制閥改變油路方向和調(diào)壓調(diào)速時 ,在所連接的管路上發(fā)生異常的振動或共振引起有關(guān)部分產(chǎn)生噪聲。這些問題都值得注意 ,但無論在什么情況下 ,都應(yīng)使液壓系統(tǒng)的管路盡量短一些 ,長度要選擇適當(dāng) ,并用堅固的、 能吸振的支撐加以固定 ,避免發(fā)生駐波或共振現(xiàn)象。
2 液壓系統(tǒng)的噪聲衰減、 阻尼和隔離
如前所述 ,液壓系統(tǒng)的主要噪聲源是液壓泵。為了降低由其產(chǎn)生的噪聲 ,可在泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造中采取一定的措施來消除機(jī)械沖擊和壓力沖擊。但是 ,由于液壓泵幾何空間變化的不均勻性所造成的壓力脈動是較難消除的。為此 ,在實踐中可采取衰減、 阻尼和隔離的辦法來減小或消除液壓系統(tǒng)中的噪聲。
(1) 用脈動衰減器來防止噪聲擴(kuò)散。衰減器有能量吸收型和反射消除型兩大類 ,應(yīng)用衰減器 ,既不會全部吸收、 也不能全部反射 ,它在一定的頻率范圍內(nèi)可以看成是一個特定的過程 ,或主要是吸收、 或主要是反射。能量吸收型衰減器是利用某些材料的特性、 通過粘著摩擦將聲能變?yōu)闊崮?油溫升高) 。所以 ,它只能衰減傳入到緩沖材料內(nèi)部的噪聲。為了擴(kuò)大緩沖材料同液體的面積 ,應(yīng)把緩沖材料做成多孔的 ,并以同心管的形式布置在主要油流的通道上。
(2) 在管路中設(shè)置蓄能器衰減系統(tǒng)中的壓力脈動。蓄能器是一個反射型脈動衰減裝置 ,利用氣體彈性來吸收和釋放液體的壓力能。依靠入射波和分流波之間的相位關(guān)系來減少聲波向下游傳播。
(3) 安裝減振軟管。利用撓性軟管容易膨脹的特性來平滑液壓泵的壓力脈動。
(4) 在管路上安裝消聲器。通過入射波與反射波的相互作用 ,將波形峰值部分的容量吸收填入到波谷部分。這樣可以認(rèn)為系統(tǒng)沒有流量變化 ,即消除壓力脈動。
在液壓泵的出油口串接一個大的容腔 ,試驗表明:液壓泵的出口壓力脈動原為 1. 31 MPa ,可衰減到0. 14 MPa ,效果比較顯著。
(5) 在管道中串接濾聲器。這是一種以相位消除為主的聲學(xué)裝置 ,它可消除管路的流量脈動 ,故又可稱為脈動消減器。它是一個開有無數(shù)小孔的、 用橡皮套包容的多孔管 ,在橡皮管與多孔管之間有保護(hù)用的鋼絲網(wǎng) ,外圍沖入氮氣。當(dāng)壓力峰值傳入時 ,經(jīng)小孔(阻尼吸收能量)使橡皮套膨脹從而使噪聲得到衰減。應(yīng)用時 ,需根據(jù)壓力脈動頻率和流量來選擇。該種濾聲器的優(yōu)點是安裝在管路上 ,不增大管路的阻力 ,一般狀態(tài)下不用維護(hù)。
(6) 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)振動的阻尼。為了減少噪聲的傳播 ,避免一些零件的共振 ,可在液壓系統(tǒng)的管道、 罩殼、 板狀零件等的表面上粘貼或涂上一層阻尼材料 ,使這些零件的共振因阻尼作用而得到衰減 ,從而減少空氣噪聲的輻射。這種辦法對于抑制高頻率噪聲較為有效。阻尼材料一般可用內(nèi)消耗較大的材料 ,如瀝青、 聚硫酯橡膠或聚氨酯橡膠以及其他高分子材料。
3 結(jié)束語
從機(jī)械部分零件的材質(zhì)方面減少噪聲 ,國外有的采用高阻尼材料如錳銅合金、 鎳鈦合金以及含高磺的孕育鑄鐵等制作泵體或閥體。近年來國內(nèi)也開始試生產(chǎn)高阻尼材料 ,如錳銅合金 MC277 和鐵鉻合金 AJ21等。經(jīng)一些單位使用 ,減振、 降低噪聲效果比較明顯。
液壓裝置的噪聲還可采用柔軟多孔材料 ,如毛氈、纖維板、 石棉、 玻璃纖維、 泡沫塑料等進(jìn)行吸收隔離。如將噪聲源放在隔板的后面;對于噪聲高的液壓元件用隔罩罩起來。對高壓泵一類的強(qiáng)噪聲源 ,目前采用的措施是把動力裝置單獨放在一個隔音減振的房間內(nèi)封閉的辦法。使進(jìn)出油口管道接通工作機(jī)構(gòu) ,運行參數(shù)的調(diào)節(jié)、 選用是在工作地點的操縱臺上通過遙控進(jìn)行 ,以減少噪聲對操作人員的輻射。