轴向柱塞泵流体噪声的机理分析

收稿日期:2002202204

作者简介:方孝荣,男,1963年生,浙江金华人,高级讲师Λ

轴向柱塞泵流体噪声的机理分析

方孝荣,　杜巧连,　陈海荣

(浙江金华职业技术学院,浙江金华　321017)

摘　要:以降低轴向柱塞泵流体噪声为目的,围绕轴向柱塞泵的柱塞数和轴向柱塞泵配油盘结构

对产生流体噪声的机理进行了理论分析,并对降低轴向柱塞泵流体噪声的措施进行了试验Λ试验

研究表明:对轴向柱塞泵配油盘结构进行优化设计,使柱塞腔内高压油与低压油切换时避免高、低

压油突然串通而造成的压力冲击所产生的噪声,是降低轴向柱塞泵流体噪声的一条有效途径Λ

关键词:柱塞泵;流量脉动;优化设计;降低噪声

中图分类号:TH 137.5 文献标识码:A

文章编号:100127119(2002)0520424204

0　前　言

液压泵是液压系统的动力源,也是液压系统的主要噪声源Λ降低液压泵的噪声是提高产品性能指标的重要措施Λ轴向柱塞泵的噪声主要包括流体噪声和机械噪声两大类Λ其中流体噪声包括泵流量脉动与压力脉动产生的噪声、吸空及气蚀产生的噪声和配流噪声等Λ在轴向柱塞泵的噪声研究中发现,在目前使用的轴向柱塞泵中,由于配油盘困油区设计的不合理而造成的流量脉动依然存在Λ轴向柱塞泵的流量脉动不仅会引起液压泵输入、输出管道内的液压油的压力脉动,而且这种压力脉动再经过系统中的油液、液压元件的传递后,会形成液压系统的流体噪声[1]Λ因此在关于液压柱塞泵降噪基础理论的研究中有必要对轴向柱塞泵由流量脉动引起的流体噪声机理进行分析Λ

1　轴向柱塞泵流体噪声机理分析

1.1　轴向柱塞泵本身固有的流量脉动引起的流体噪声

由于轴向柱塞泵有多个柱塞同时处于排油腔和进油腔,所以泵的瞬时流量为同一瞬时所有处于排油腔的柱塞的瞬时流量之和,即轴向柱塞泵的输出流量是各个柱塞半正弦流量的叠加[2]Λ

当柱塞数Z 为奇数时:

V o l .18　N o.5Sep.　2002　科技通报BULL ET I N O F SC IEN CE AND T ECHNOLO GY

第18卷第5期

2002年9月

q sh =ΞA R tg Χco s (

Α4-Υ)2sin Α4 0≤Υ≤Α2q sh =ΞA R tg Χco s (

3Α4-Υ)2sin Α

4 Α2≤Υ≤Α此时输出流量的不均匀系数为: ∆=Π2z tg (Π4z

)当柱塞数Z 为偶数时:

q sh =ΞA R tg Χco s (

Α4-Υ)2sin Α4 0≤Υ≤Α此时输出流量的不均匀系数为: ∆=Πz tg (Π2z

)其中:Ξ——转子旋转角速度;

A ——柱塞工作面积;

R ——柱塞在转子上的分布圆半径;

Α

——相邻两个柱塞在转子上的间距角;∆——流量不均匀系数;

Χ——斜盘倾斜角;

Υ

——缸体转角Λ由上式可以看出:奇数柱塞泵输出流量的不均匀系数大大低于偶数柱塞泵输出流量的不均匀系数Λ

可见,对轴向柱塞泵来说,流量脉动是轴向柱塞泵固有的特性[3]Λ对于不同柱塞数目的液压泵,均有相应的固有流量脉动Λ由于液压泵的流量脉动势必引起泵出口及管路的压力脉动,这种固有的流量与压力脉动必然要产生流体噪声Λ为此在设计时为了减小轴向柱塞泵输出流量脉动的幅值,大多数轴向柱塞泵采用奇数柱塞Λ

1.2　轴向柱塞泵配油盘困油区压力冲击引起的流体噪声

对轴向柱塞泵而言,主轴旋转一周,每个柱塞均作一次吸油到压油的循环Λ如果柱塞的吸油、压油过程的相互转换是突然发生的,其结果是:当柱塞泵的工作腔从吸油区向压油区转换时,压油窗口内的高压油会瞬时逆流到输回柱塞腔内,使柱塞工作腔内的压力迅速上升,出现“高压回流”,造成很大的压力冲击Λ这种周期性的“高压回流”液压冲击,不仅导致柱塞泵输出流量、输出压力的脉动,而且也是柱塞泵产生流体噪声的主要原因之一Λ柱塞泵的工作压力越高,“高压回流”现象所造成的液压冲击越严重Λ通过对63SCY 1421B 型轴向柱塞泵的流量脉动进行测试,可得该泵在p =20M Pa 时流量脉动的实测结果(图1)Λ

图中曲线明确显示了该泵在配油过程中的流量倒灌现象,说明正是由于“高压回流”造成了该柱塞泵输出流量的周期性大幅度脉动Λ

如果柱塞泵的工作腔是从压油区转向吸油区,此时工作容腔内为高压油,一旦接通吸油窗口,高压油将在瞬间内向吸油腔喷出,这样的突然卸压,同样会造成液压冲击,产生流体噪声Λ

524　第5期方孝荣等.　轴向柱塞泵流体噪声的机理分析

图1　流量脉动的实测结果

可见,柱塞泵在吸油、排油过程中,柱塞腔油液的急剧膨胀或压缩所引起的流量脉动会产生流体噪声Λ试验证明该噪声是轴向柱塞泵流体噪声的主要部分Λ

2　控制柱塞泵流量脉动所产生的流体噪声的措施

柱塞泵的流量脉动在系统阻尼的作用下将产生压力脉动,压力脉动随系统传播到各个元件上Λ当某一元件或系统的某个局部的振动固有频率与压力脉动频率相近时,共振就在此发生,并伴有噪声的产生Λ对于流量脉动所产生的流体噪声的控制,目前已有许多经验,如为了减小轴向柱塞泵输出流量脉动的幅值,在设计时大多数轴向柱塞泵采用奇数柱塞Λ在使用时有的在柱塞泵出口加蓄能器,有的在系统中加一个振动滤波器等Λ另外,通过对轴向柱塞泵配油盘结构的优化设计将会使柱塞腔内高压油与低压油切换时比较平稳,避免了高、低压油突然串通而造成的压力冲击所产生的噪声,这也是降低柱塞泵流体噪声的一条有效途径[3]Λ

在优化设计中,为了达到比较理想的流体噪声控制效果,通常在配油盘的预压缩角内加阻尼三角槽,使高压腔油液缓慢流回柱塞腔内(图2)Λ但这种阻尼槽的形式在柱塞进入三角槽的前三分之一时,由于缓冲面积很小,不但缓冲效果不明显,而且在高压差的作用下会产生节流气穴现象并伴随有气穴噪声产生,这样降噪效果势必大大下降Λ轴向柱塞泵配油盘结构的优化设计试验是在一台63SCY 1421B 柱塞泵上进行,该泵的转速为1500r m in ,工作压力为20M Pa Λ首先在配油盘的预压缩角上开三角阻尼槽,槽的尺寸是经过计算机仿真设计出来的Λ在额定排量下,该泵连同电机的噪声,实测值为82dB (A )Λ究其原因可能是当各柱塞进入三角槽的前三分之一时,由于缓冲过流面积很小,泵的转速高,而引起缓冲效果不明显Λ为了克服这一现象,在同样工况下,我们在原配油盘三角槽尖角上开了一个直径为2.0mm 的圆柱形浅坑(图3),使三角槽尖端的过流面积增大,从而充分利用了三角槽尖端的缓冲作用Λ此时连同电机的噪声,实测值为78dB (A )左右,降噪效果比较明显Λ经过多次试验得知:如果对配油盘三角槽的尺寸及小孔直径大小进一步优化,其降噪效果还将更加显著Λ

3　结束语

本文通过以降低轴向柱塞泵流体噪声为目的,围绕轴向柱塞泵的柱塞数和轴向柱塞泵配油盘结构两个方面对产生流体噪声的机理进行了理论分析Λ最终通过试验研究表明:选用奇数

624 科　技　通　报18卷