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液壓系統(tǒng)振動(dòng)噪聲產(chǎn)生原因分析
Analysis for the Reason of Producing Vibration Noise of Hydraulic System
摘 要:對(duì)液壓系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)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(dòng)噪聲; 消除方法
液壓系統(tǒng)的振動(dòng)與噪聲是一個(gè)相當(dāng)普遍的問(wèn)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(dòng)與噪聲也相應(yīng)增大 ,長(zhǎng)期處于異常振動(dòng)的液壓設(shè)備必然會(huì)出現(xiàn)各種故障 ,造成振動(dòng)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(dòng)噪聲產(chǎn)生原因有助于采取有效的消除方法。
1 振動(dòng)與噪聲
噪聲是一種振動(dòng)波 ,它通過(guò)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(dòng)或自動(dòng)控制系統(tǒng)中 ,上述 3 種噪聲同時(shí)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(dòng)和結(jié)構(gòu)振動(dòng)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(gè)參數(shù)決定的。這 3 個(gè)參數(shù)對(duì)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(duì)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(shí) ,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(shí)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(lái)降低噪聲。
(1)液壓泵的流量脈動(dòng) ,由此引起的出口及管路壓力脈動(dòng)。這種固有的流量與壓力脈動(dòng)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(guò)程中位于上死點(diǎn)時(shí) ,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(diǎn)時(shí) ,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(shí) ,在上死點(diǎn)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(lái)固有的流量脈動(dòng)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(dòng)和噪聲的重要原因。如齒輪泵在實(shí)際使用中因困油產(chǎn)生較大的噪聲時(shí) ,應(yīng)檢查其卸荷槽的尺寸是否與設(shè)計(jì)圖紙相符。在修磨端蓋時(shí)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(dòng)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(gè)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(guò)閥口時(shí)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(shí)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(shí) ,溶解于油中的空氣便分離出來(lái)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(shí)的振動(dòng)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。可用二級(jí)或三級(jí)減壓的辦法 ,以防止氣穴現(xiàn)象的發(fā)生。一般油液通過(guò)控制閥的節(jié)流口時(shí) ,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(dòng)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(guò)臨界值時(shí) ,閥芯就會(huì)因其他部位的擾動(dòng)(如壓力脈動(dòng)或其他振源)產(chǎn)生持續(xù)的自激振動(dòng)和異常噪聲。又如滑閥、 轉(zhuǎn)閥和伺服閥等由液動(dòng)力引起的自激振動(dòng)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(dòng)的激勵(lì)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(shí)將會(huì)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(shí) ,可選用小規(guī)格的控制閥來(lái)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(dòng)和噪聲。如電磁換向閥快速切換時(shí) ,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(huì)產(chǎn)生液壓沖擊。一般電磁閥的動(dòng)作時(shí)間為 0. 08～0. 12 s ,由于快速切換引起管內(nèi)壓力劇烈波動(dòng) ,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(shí) ,就會(huì)引起這些環(huán)節(jié)產(chǎn)生撞擊振動(dòng)和噪聲。如磨床工作臺(tái)在換向過(guò)程中(換向閥未調(diào)好) ,就會(huì)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(shí) ,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(huì)由于沖擊而發(fā)出噪聲。
這種噪聲可以通過(guò)閥的合理設(shè)置(如設(shè)置緩沖機(jī)構(gòu)等)或采用分級(jí)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(guò)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(dòng)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(dòng)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(wèn)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?cái)噭?dòng) ,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(guò)小;過(guò)濾器表面被污染物堵塞;回油管沒(méi)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(shí)低壓而吸入空氣。
(2) 油箱設(shè)計(jì)要合理 ,可采用設(shè)有隔板的長(zhǎng)油箱 ,使油液中的氣泡上浮后不會(huì)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(shí)往往帶有氣泡 ,只要到一定的時(shí)間 ,氣泡就會(huì)自動(dòng)分離出來(lái)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(chǎng)所的不同而有差異。通?？稍O(shè)計(jì)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(shí) ,可采用具有去除氣泡裝置的油箱。試驗(yàn)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(shuō)明書的規(guī)定;過(guò)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?；赜凸軓揭m宜(足夠大) ,防止回油流速過(guò)高沖入油箱攪動(dòng)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(dòng)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(jì)、 制造、安裝等誤差,當(dāng)工作時(shí)便產(chǎn)生周期性的不平衡力,因而發(fā)生振動(dòng)并輻射出恒定的噪聲。如液壓泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的皮帶輪和皮帶、 傳動(dòng)軸上的鍵、 聯(lián)軸器和液壓泵等零件,當(dāng)電動(dòng)機(jī)的軸與液壓泵的傳動(dòng)軸,同軸度誤差大于0. 08mm時(shí),就會(huì)產(chǎn)生較大噪聲。此時(shí)的聯(lián)軸器不僅不吸震,反而造成強(qiáng)迫振動(dòng)。因此,在制造與安裝過(guò)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(shí) ,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(shí) ,在所連接的管路上發(fā)生異常的振動(dòng)或共振引起有關(guān)部分產(chǎn)生噪聲。這些問(wèn)題都值得注意 ,但無(wú)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(zhǎng)度要選擇適當(dāng) ,并用堅(jiān)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(jì)和制造中采取一定的措施來(lái)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(dòng)是較難消除的。為此 ,在實(shí)踐中可采取衰減、 阻尼和隔離的辦法來(lái)減小或消除液壓系統(tǒng)中的噪聲。
(1) 用脈動(dòng)衰減器來(lái)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(huì)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(gè)特定的過(guò)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(guò)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(dòng)。蓄能器是一個(gè)反射型脈動(dòng)衰減裝置 ,利用氣體彈性來(lái)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(lái)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(lái)平滑液壓泵的壓力脈動(dòng)。
(4) 在管路上安裝消聲器。通過(guò)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(méi)有流量變化 ,即消除壓力脈動(dòng)。
在液壓泵的出油口串接一個(gè)大的容腔 ,試驗(yàn)表明:液壓泵的出口壓力脈動(dòng)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(dòng) ,故又可稱為脈動(dòng)消減器。它是一個(gè)開有無(wú)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?dú)?。?dāng)壓力峰值傳入時(shí) ,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(shí) ,需根據(jù)壓力脈動(dòng)頻率和流量來(lái)選擇。該種濾聲器的優(yōu)點(diǎn)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(dòng)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(duì)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(yǔ)
從機(jī)械部分零件的材質(zhì)方面減少噪聲 ,國(guó)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(lái)國(guó)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(duì)于噪聲高的液壓元件用隔罩罩起來(lái)。對(duì)高壓泵一類的強(qiáng)噪聲源 ,目前采用的措施是把動(dòng)力裝置單獨(dú)放在一個(gè)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(yùn)行參數(shù)的調(diào)節(jié)、 選用是在工作地點(diǎn)的操縱臺(tái)上通過(guò)遙控進(jìn)行 ,以減少噪聲對(duì)操作人員的輻射。