液压系统振动噪声产生原因分析.pdf

液 压 系 统 振 动 噪 声 产 生 原 因 分 析李 建 宇Analysis for the Reason of Producing Vibration Noise of Hydraulic SystemL I Jian2yu(湖 南 华 菱 湘 钢 钢 铁 有 限 公 司 , 湖 南 省 湘 潭 市 岳 堂 区 411101)摘 要 :对 液 压 系 统 产 生 振 动 噪 声 原 因 分 析 ,提 出 衰 减 、 阻 尼 及 消 除 方 法 。关 键 词 :液 压 系 统 ; 振 动 噪 声 ; 消 除 方 法中 图 分 类 号 : TH137 文 献 标 识 码 :B 文 章 编 号 :100024858 (2006) 0520076203液 压 系 统 的 振 动 与 噪 声 是 一 个 相 当 普 遍 的 问 题 。机 器 设 备 愈 向 高 速 、 高 压 和 大 功 率 的 方 向 发 展 ,相 应 的技 术 跟 不 上 ,振 动 与 噪 声 也 相 应 增 大 ,长 期 处 于 异 常 振动 的 液 压 设 备 必 然 会 出 现 各 种 故 障 ,造 成 振 动 与 液 压装 置 难 以 正 常 工 作 ,影 响 设 备 的 性 能 和 液 压 元 件 的 寿命 ,也 影 响 人 的 身 心 健 康 。 因 此 分 析 振 动 噪 声 产 生 原因 有 助 于 采 取 有 效 的 消 除 方 法 。1 振 动 与 噪 声噪 声 是 一 种 振 动 波 ,它 通 过 不 同 的 传 播 媒 体 ,可 分为 流 体 噪 声 、 结 构 噪 声 和 电 磁 噪 声 。 在 液 压 传 动 或 自动 控 制 系 统 中 ,上 述 3 种 噪 声 同 时 存 在 ,其 产 生 的 成 因和 组 成 是 多 方 面 的 。1) 液 压 泵 的 噪 声在 液 压 系 统 中 主 要 的 噪 声 源 是 液 压 泵 。 即 使 它 不辐 射 出 大 量 的 声 功 率 ,其 压 力 波 动 和 结 构 振 动 也 能 间接 地 引 起 机 器 设 备 的 噪 声 。液 压 泵 的 噪 声 随 液 压 功 率 的 增 加 而 加 大 。 液 压 功率 是 由 液 压 泵 的 输 出 压 力 p、 每 转 的 排 量 q 和 转 速 n这 3 个 参 数 决 定 的 。 这 3 个 参 数 对 液 压 泵 的 噪 声 影 响程 度 是 不 同 的 。 转 速 的 提 高 使 泵 的 噪 声 增 大 比 输 出 压力 提 高 的 作 用 要 大 得 多 ;每 转 排 量 对 噪 声 的 影 响 基 本与 输 出 的 压 力 相 同 。为 了 使 噪 声 最 低 ,一 般 在 选 用 液 压 泵 时 ,在 保 证 所需 的 功 率 和 流 量 的 前 提 下 ,尽 量 选 择 转 速 低 的 液 压 泵(1000 1200 r/ min) ,在 实 际 应 用 中 也 可 使 用 复 合 泵(并 联 和 串 联 液 压 泵 )和 卸 荷 回 路 来 降 低 噪 声 。(1) 液 压 泵 的 流 量 脉 动 ,由 此 引 起 的 出 口 及 管 路压 力 脉 动 。 这 种 固 有 的 流 量 与 压 力 脉 动 必 然 产 生 流 体噪 声 。(2) 液 压 泵 困 油 区 的 压 力 冲 击 及 倒 灌 流 量 产 生 噪声 。 如 斜 盘 式 轴 向 柱 塞 泵 ,其 缸 体 在 旋 转 过 程 中 位 于上 死 点 时 ,柱 塞 腔 内 的 液 体 压 力 在 与 排 油 腔 接 通 的 瞬间 ,吸 油 压 力 突 然 上 升 到 排 油 压 力 产 生 了 较 高 压 力 冲击 。 同 理 ,位 于 下 死 点 时 ,柱 塞 腔 内 的 液 体 压 力 在 与 吸油 腔 接 通 的 瞬 间 突 然 由 排 油 压 力 下 降 到 吸 油 压 力 ,同样 也 产 生 压 力 冲 击 。 与 此 同 时 ,在 上 死 点 排 油 腔 内 的液 体 向 柱 塞 腔 内 倒 灌 ,便 产 生 了 所 谓 “ 倒 灌 流 量 ” ,使 液压 泵 原 来 固 有 的 流 量 脉 动 更 加 剧 烈 。 由 此 产 生 较 大 的流 体 噪 声 ,它 是 液 压 泵 的 主 要 声 源 。(3) 液 压 泵 的 困 油 现 象 也 是 产 生 振 动 和 噪 声 的 重要 原 因 。 如 齿 轮 泵 在 实 际 使 用 中 因 困 油 产 生 较 大 的 噪声 时 ,应 检 查 其 卸 荷 槽 的 尺 寸 是 否 与 设 计 图 纸 相 符 。在 修 磨 端 盖 时 要 保 证 原 卸 荷 槽 的 尺 寸 不 变 。(4) 由 于 泄 漏 的 原 因 ,增 加 了 液 压 泵 的 压 力 和 流量 脉 动 也 是 产 生 噪 声 的 原 因 之 一 。 因 此 ,在 维 修 中 消除 液 压 装 置 的 外 泄 漏 ,是 降 低 噪 声 的 有 效 措 施 。收 稿 日 期 :2006204205作 者 简 介 :李 建 宇 (1971 ) ,男 ,湖 南 湘 潭 人 ,工 程 师 ,硕 士 ,主 要 从 事 设 备 管 理 工 作 。2) 控 制 阀 的 噪 声控 制 阀 是 液 压 系 统 中 的 另 一 个 噪 声 源 。(1) 控 制 阀 的 气 穴 作 用 发 出 的 嘘 嘘 声 (高 速 喷 流声 ) 。 这 是 由 于 油 液 通 过 阀 口 时 产 生 的 节 流 作 用 ,在 节流 口 处 产 生 很 高 的 流 速 ,有 时 可 达 100 150 m/ s (通常 称 喷 流 现 象 ) 。 在 节 流 口 下 游 通 道 截 面 处 流 速 极 不67 液 压 与 气 动 2006 年 第 5 期 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 均 匀 的 情 况 下 ,当 压 力 低 于 大 气 压 时 ,溶 解 于 油 中 的 空气 便 分 离 出 来 产 生 大 量 的 气 泡 。 这 些 气 泡 由 于 油 流 压力 回 升 而 消 失 ,此 时 的 振 动 频 率 将 达 到 200 Hz 以 上 。另 外 ,在 喷 流 状 态 下 ,油 流 速 度 不 均 匀 而 发 生 涡 流 或 由于 液 流 被 剪 切 也 产 生 噪 声 。解 决 这 类 噪 声 的 办 法 是 提 高 节 流 口 下 游 背 压 ,使其 高 于 空 气 分 离 压 力 的 临 界 值 。 可 用 二 级 或 三 级 减 压的 办 法 ,以 防 止 气 穴 现 象 的 发 生 。 一 般 油 液 通 过 控 制阀 的 节 流 口 时 ,要 求 上 游 压 力 p1 与 下 游 压 力 p2 之比 ,不 大 于 3 6 (锐 边 阀 口 取 小 值 ,圆 弧 阀 口 取 大 值 ) 。(2) 控 制 阀 的 自 激 振 动 产 生 的 噪 声 。 如 溢 流 阀 一类 的 控 制 阀 ,其 阀 芯 是 支 承 在 弹 簧 (包 括 油 液 的 弹 性 )上 ,与 质 量 ,阻 尼 系 统 与 管 路 以 及 与 负 载 相 匹 配 的 有 关参 数 超 过 临 界 值 时 ,阀 芯 就 会 因 其 他 部 位 的 扰 动 (如 压力 脉 动 或 其 他 振 源 )产 生 持 续 的 自 激 振 动 和 异 常 噪 声 。又 如 滑 阀 、 转 阀 和 伺 服 阀 等 由 液 动 力 引 起 的 自 激 振 动也 发 生 一 种 呈 “ 嗡 嗡 叫 ” 的 高 频 声 响 。 在 一 般 情 况 下 ,压 力 、 温 度 愈 高 ,这 种 现 象 就 愈 容 易 发 生 。(3) 液 压 泵 压 力 脉 动 的 激 励 作 用 ,使 阀 件 产 生 共振 ,因 而 增 大 噪 声 ;控 制 阀 中 特 别 是 节 流 阀 ,其 节 流 开口 小 ,流 速 高 易 产 生 涡 流 ,有 时 将 会 引 起 阀 芯 拍 击 阀座 ,产 生 很 大 的 蜂 鸣 声 。 发 生 这 种 现 象 时 ,可 选 用 小 规格 的 控 制 阀 来 替 换 或 将 节 流 口 开 大 。(4) 在 液 压 系 统 中 ,由 于 方 向 控 制 阀 突 然 关 闭 或突 然 打 开 造 成 液 压 冲 击 而 引 起 振 动 和 噪 声 。 如 电 磁 换向 阀 快 速 切 换 时 ,油 路 突 然 关 闭 或 使 油 流 突 然 改 向 以及 电 磁 阀 突 然 打 开 使 液 压 泵 卸 载 都 会 产 生 液 压 冲 击 。一 般 电 磁 阀 的 动 作 时 间 为 0. 08 0. 12 s ,由 于 快 速 切换 引 起 管 内 压 力 剧 烈 波 动 ,并 以 声 速 沿 着 管 道 方 向 传播 ,当 传 至 液 压 缸 、 液 压 泵 或 其 他 较 大 的 容 腔 时 ,就 会引 起 这 些 环 节 产 生 撞 击 振 动 和 噪 声 。 如 磨 床 工 作 台 在换 向 过 程 中 (换 向 阀 未 调 好 ) ,就 会 产 生 冲 击 而 使 管 道发 出 “ 嗡 嗡 ” 的 噪 声 ;又 如 液 压 机 的 液 压 缸 ,在 承 压 状 态时 ,若 控 制 阀 突 然 打 开 而 液 压 缸 急 速 卸 载 ,则 液 压 缸 和其 连 接 的 机 构 也 会 由 于 冲 击 而 发 出 噪 声 。这 种 噪 声 可 以 通 过 阀 的 合 理 设 置 (如 设 置 缓 冲 机构 等 )或 采 用 分 级 卸 载 的 办 法 ,使 液 压 冲 击 尽 可 能 的 减小 。(5) 控 制 阀 的 工 作 部 位 磨 损 、 滑 阀 与 阀 体 孔 配 合间 隙 过 大 、 高 低 压 油 互 通 、 调 压 弹 簧 永 久 变 形 或 损 坏 等原 因 、 而 发 出 一 种 “ 哨 ” 声 或 “ 尖 叫 ” 声 。 这 种 噪 声 的 消除 方 法 是 更 换 阀 座 、 阀 芯 或 弹 簧 。3) 液 压 泵 吸 入 系 统 的 气 穴 现 象 产 生 振 动 和 噪 声此 处 略 。4) 液 压 泵 的 吸 空 现 象 产 生 的 噪 声液 压 泵 的 吸 空 ,是 指 液 压 泵 吸 进 的 油 液 中 混 有 空气 。 这 种 现 象 的 产 生 不 仅 容 易 发 生 气 蚀 、 增 高 噪 声 ,而且 还 影 响 液 压 泵 的 容 积 效 率 、 油 液 变 质 等 不 良 后 果 。因 此 ,在 液 压 传 动 与 控 制 系 统 中 ,这 种 现 象 是 不 允 许 存在 的 。 出 现 这 类 问 题 的 主 要 原 因 是 油 箱 和 油 管 设 置 、安 装 不 合 理 (如 油 箱 内 液 面 剧 烈 地 搅 动 ,空 气 便 混 入 油内 ) ;吸 油 管 吸 进 带 有 气 泡 的 油 液 (吸 油 管 接 头 密 封 不严 、 吸 入 空 气 ) 。 油 液 中 的 空 气 泡 在 低 压 处 膨 胀 ,进 入高 压 区 后 被 压 缩 ,产 生 上 述 的 气 穴 现 象 ,因 而 使 噪 声 增大 。产 生 吸 空 现 象 的 其 他 原 因 还 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 ;液压 泵 吸 油 位 置 太 高 ;油 液 的 黏 度 大 ;液 压 泵 吸 油 口 通 流截 面 过 小 ;过 滤 器 表 面 被 污 染 物 堵 塞 ;回 油 管 没 有 浸 入油 池 等 而 造 成 大 量 空 气 进 入 系 统 。防 止 液 压 泵 吸 进 空 气 可 采 取 以 下 措 施 :(1) 液 压 泵 吸 油 管 和 有 关 部 分 (如 泵 出 轴 端 ) 要 严格 密 封 ,防 止 泵 内 短 时 低 压 而 吸 入 空 气 。(2) 油 箱 设 计 要 合 理 ,可 采 用 设 有 隔 板 的 长 油 箱 ,使 油 液 中 的 气 泡 上 浮 后 不 会 很 快 进 入 吸 油 管 附 近 。 油箱 是 液 压 系 统 中 消 除 油 液 里 气 泡 的 最 好 地 方 。 一 般 油液 回 到 油 箱 时 往 往 带 有 气 泡 ,只 要 到 一 定 的 时 间 ,气 泡就 会 自 动 分 离 出 来 并 上 浮 消 失 。 为 此 ,液 压 系 统 的 油箱 容 积 应 足 够 大 。 油 箱 的 容 积 随 设 备 不 同 、 使 用 场 所的 不 同 而 有 差 异 。 通 常 可 设 计 成 等 于 系 统 两 分 钟 最 大流 量 即 可 。当 不 能 提 供 具 有 隔 板 的 油 箱 时 ,可 采 用 具 有 去 除气 泡 装 置 的 油 箱 。 试 验 表 明 ,采 用 60 目 的 金 属 网 ,安装 倾 斜 角 30 效 果 最 佳 ,它 能 去 除 90 %混 入 油 液 中 的气 泡 。(3) 油 箱 中 的 油 液 应 加 至 油 标 线 的 规 定 ;吸 油 管一 定 要 浸 入 油 池 的 2/ 3 深 度 处 ;油 液 的 黏 度 要 符 合 使用 说 明 书 的 规 定 ;过 滤 器 要 定 期 清 洗 ,防 止 被 污 物 堵塞 。(4) 液 压 系 统 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 为宜 。 回 油 管 径 要 适 宜 (足 够 大 ) ,防 止 回 油 流 速 过 高 冲入 油 箱 搅 动 液 面 而 混 入 空 气 。(5) 采 用 消 泡 性 能 好 的 工 作 油 液 ,或 在 油 液 内 加772006 年 第 5 期 液 压 与 气 动 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 入 消 泡 添 加 剂 ,使 气 泡 很 快 的 上 浮 消 失 。5) 液 压 系 统 中 机 械 零 件 的 振 动 产 生 的 噪 声(1) 液 压 系 统 机 械 回 转 部 分 ,由 于 结 构 设 计 、 制 造 、安 装 等 误 差 ,当 工 作 时 便 产 生 周 期 性 的 不 平 衡 力 ,因 而发 生 振 动 并 辐 射 出 恒 定 的 噪 声 。 如 液 压 泵 驱 动 系 统 的皮 带 轮 和 皮 带 、 传 动 轴 上 的 键 、 联 轴 器 和 液 压 泵 等 零 件 ,当 电 动 机 的 轴 与 液 压 泵 的 传 动 轴 ,同 轴 度 误 差 大 于 0. 08mm时 ,就 会 产 生 较 大 噪 声 。 此 时 的 联 轴 器 不 仅 不 吸震 ,反 而 造 成 强 迫 振 动 。 因 此 ,在 制 造 与 安 装 过 程 中 应尽 量 减 小 偏 心 与 不 平 衡 ;液 压 泵 、 电 机 支 架 与 机 座 要 用楔 铁 调 整 并 校 准 水 平 ;紧 固 螺 钉 必 须 有 防 松 结 构 。(2) 设 备 的 地 基 与 机 座 、 液 压 系 统 的 管 路 等 ,若 安装 、 调 整 不 符 合 技 术 条 件 规 定 时 ,也 导 致 产 生 噪 声 。 并在 系 统 油 压 升 高 后 ,经 控 制 阀 改 变 油 路 方 向 和 调 压 调速 时 ,在 所 连 接 的 管 路 上 发 生 异 常 的 振 动 或 共 振 引 起有 关 部 分 产 生 噪 声 。 这 些 问 题 都 值 得 注 意 ,但 无 论 在什 么 情 况 下 ,都 应 使 液 压 系 统 的 管 路 尽 量 短 一 些 ,长 度要 选 择 适 当 ,并 用 坚 固 的 、 能 吸 振 的 支 撑 加 以 固 定 ,避免 发 生 驻 波 或 共 振 现 象 。2 液 压 系 统 的 噪 声 衰 减 、 阻 尼 和 隔 离如 前 所 述 ,液 压 系 统 的 主 要 噪 声 源 是 液 压 泵 。 为了 降 低 由 其 产 生 的 噪 声 ,可 在 泵 的 结 构 设 计 和 制 造 中采 取 一 定 的 措 施 来 消 除 机 械 冲 击 和 压 力 冲 击 。 但 是 ,由 于 液 压 泵 几 何 空 间 变 化 的 不 均 匀 性 所 造 成 的 压 力 脉动 是 较 难 消 除 的 。 为 此 ,在 实 践 中 可 采 取 衰 减 、 阻 尼 和隔 离 的 办 法 来 减 小 或 消 除 液 压 系 统 中 的 噪 声 。(1) 用 脉 动 衰 减 器 来 防 止 噪 声 扩 散 。 衰 减 器 有 能量 吸 收 型 和 反 射 消 除 型 两 大 类 ,应 用 衰 减 器 ,既 不 会 全部 吸 收 、 也 不 能 全 部 反 射 ,它 在 一 定 的 频 率 范 围 内 可 以看 成 是 一 个 特 定 的 过 程 ,或 主 要 是 吸 收 、 或 主 要 是 反射 。 能 量 吸 收 型 衰 减 器 是 利 用 某 些 材 料 的 特 性 、 通 过粘 着 摩 擦 将 声 能 变 为 热 能 (油 温 升 高 ) 。 所 以 ,它 只 能衰 减 传 入 到 缓 冲 材 料 内 部 的 噪 声 。 为 了 扩 大 缓 冲 材 料同 液 体 的 面 积 ,应 把 缓 冲 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 设 置 蓄 能 器 衰 减 系 统 中 的 压 力 脉动 。 蓄 能 器 是 一 个 反 射 型 脉 动 衰 减 装 置 ,利 用 气 体 弹性 来 吸 收 和 释 放 液 体 的 压 力 能 。 依 靠 入 射 波 和 分 流 波之 间 的 相 位 关 系 来 减 少 声 波 向 下 游 传 播 。(3) 安 装 减 振 软 管 。 利 用 挠 性 软 管 容 易 膨 胀 的 特性 来 平 滑 液 压 泵 的 压 力 脉 动 。(4) 在 管 路 上 安 装 消 声 器 。 通 过 入 射 波 与 反 射 波的 相 互 作 用 ,将 波 形 峰 值 部 分 的 容 量 吸 收 填 入 到 波 谷部 分 。 这 样 可 以 认 为 系 统 没 有 流 量 变 化 ,即 消 除 压 力脉 动 。在 液 压 泵 的 出 油 口 串 接 一 个 大 的 容 腔 ,试 验 表 明 :液 压 泵 的 出 口 压 力 脉 动 原 为 1. 31 MPa ,可 衰 减 到0. 14 MPa ,效 果 比 较 显 著 。(5) 在 管 道 中 串 接 滤 声 器 。 这 是 一 种 以 相 位 消 除为 主 的 声 学 装 置 ,它 可 消 除 管 路 的 流 量 脉 动 ,故 又 可 称为 脉 动 消 减 器 。 它 是 一 个 开 有 无 数 小 孔 的 、 用 橡 皮 套包 容 的 多 孔 管 ,在 橡 皮 管 与 多 孔 管 之 间 有 保 护 用 的 钢丝 网 ,外 围 冲 入 氮 气 。 当 压 力 峰 值 传 入 时 ,经 小 孔 (阻尼 吸 收 能 量 )使 橡 皮 套 膨 胀 从 而 使 噪 声 得 到 衰 减 。 应用 时 ,需 根 据 压 力 脉 动 频 率 和 流 量 来 选 择 。 该 种 滤 声器 的 优 点 是 安 装 在 管 路 上 ,不 增 大 管 路 的 阻 力 ,一 般 状态 下 不 用 维 护 。(6) 系 统 机 械 结 构 振 动 的 阻 尼 。 为 了 减 少 噪 声 的传 播 ,避 免 一 些 零 件 的 共 振 ,可 在 液 压 系 统 的 管 道 、 罩