外啮合齿轮泵的振动和噪声

外啮合齿轮泵振动和噪声研究

液压技术发展的趋势为高压、大流量、小型化和集成化,而振动和噪声是液压技术向高压、高速发展的主要障碍。实际调查发现,在液压装置中产生噪声的液压元件和传递噪声的液压元件是不同的。

液压泵产生噪声的名次居第一位,传递噪声的名次居第二位。两者是液压系统主要的噪声源,大约有70%的振动和噪声起源于泵。而振动和噪声降低了齿轮泵工作的平稳性和寿命,对齿轮的工作性能、寿命和强度都是有害的。因此研究和分析液压泵振动和噪声的产生机理,对减小与降低振动和噪声,并改善液压系统的性能,有着积极而深远的意义。

1 外啮合齿轮泵振动和噪声国内外研究发展情况

近年来,一般工业机械的噪声,已作为工业公害而引起了人们的注意。低噪声是在选泵中很重要的因素之一。国际标准化组织(ISO)已经提出了噪声标准,液压传动中的噪声级别一般规定不超过70~80dB。对于振动和噪声的控制与研究,除了通过减振的方法来降低噪声外,还在研究如何控制油压泵的脉动和减少控制阀的非线性特性。而且为了降低空穴对噪声和振动的影响,正在积极研究空穴现象。十年来,各国进行了大量的研究,而且已经有了相当的发展。

近年来,国外出现一种新型的非渐开线圆弧齿廓的齿轮泵,与渐开线齿轮相比较,它具有齿数少、体积小、无根切、无脉动、噪声小和传动平稳等特点,被认为是当前最佳的齿形。由于克服了困油造成的

轴承附加载荷,减少了机件的磨损、振动和噪声。日本岛津制造所和我国均已采用这种齿轮,其噪声可降低13dB(A),而且其他性能也很优越。

我国的噪声研究工作,是在20世纪50年代末期开始的,到了70、80年代,噪声研究工作才蓬勃发展,并取得了不少成果。马大猷、李沛兹等提出的微穿孔吸声结构和小孔喷注噪声理论等是这方面的代表。一般控制噪声的手段,如吸声、隔声、减振、隔声罩、护耳器等已普遍使用。

2 外啮合齿轮泵噪声的产生机理

外啮合齿轮泵产生噪声的主要原因如下:

2·1 压力脉动和流量脉动产生噪声

液压泵的流量脉动是泵的固有特性。泵在工作时,不管是吸油腔还是压油腔的体积都会产生周期性的变化,泵的流量也将发生周期性变化,引起油液的压力脉动,从而产生液体的振动和噪声。这种脉动的幅度和频率取决于液压泵的转速、流量和工作腔数(齿数、叶片数、柱塞数)。同时,由于泵的制造质量不高,压油腔的油液向吸油腔泄漏,也会产生压力脉动及噪声。

2·2 困油现象产生的噪声

为了保证齿轮泵的齿轮平稳的啮合运转,必须使齿轮的重叠系数略大于1,即在前一对齿轮尚未脱离啮合之前,后一对齿轮进入啮合。当两对齿轮同时啮合时,由于齿轮的端面间隙很小,因此这两对齿之间的油液与泵的吸、排油腔均不相通,从而形成一个封闭容积。齿轮转动时,此封闭容积会发生变化,使其中的液体受压缩或膨胀,造成封闭容积内液体的压力急剧变化,形成困油现象。由于液体的可压缩性很小,当闭死容积减小时,油液压力骤增。当闭死容积中的高压油通过各

种缝隙泄漏,造成功率损失,并使油液发热,使机件受激振动,产生困油噪声。当闭死容积增加时,形成真空,使溶于液体中的气体析出,形成气泡,产生气蚀。这种周期性的冲击压力使泵的各零件受到很大的冲击载荷,引起振动和噪声。

2·3 气穴与气蚀产生噪声

液压系统中出现气穴与气蚀现象就会产生噪声。液压油一般混入约2% ~5%的空气,其中一部分溶解于油中,另一部分空气均匀地混合在油中,形成细小的白点。当油液的压力降低到某一定值,混在油中的微小气体由于外压降低而体积膨胀,同时互相聚合,形成一定体积的气泡。如果空气进一步降到空气分离压以下时,溶解在油液里的空气就会分离出来,产生许多气泡。当气泡随油液流到压力较高的部分时,气泡被压缩而导致体积减小,此时,在气泡内积蓄了一定能量,当压力增高到某一个数值时,气泡被压破裂,产生局部高压冲击,其冲击力可以达到数百大气压,从而产生爆炸性的噪声,这就是所谓的气穴(空穴)噪声。其中气穴(空穴)的形成,一是由于油液中混入空气(气泡),二是由于油液本身的气化。

2·4 齿轮啮合冲击噪声

齿轮副在齿轮啮合过程中,先进入啮合的齿轮产生弹性变形。当后一对齿轮接着进入啮合时,原啮合轮齿因载荷突然减小,变形得到恢复,使齿轮产生切向加速度,引起啮合齿轮不能按理论齿廓平稳运转而发生碰撞,形成

“啮合冲击”,产生噪声。啮合冲击噪声的大小直接与齿形误差、周节误差、粗糙度、轴线平行度等因素有关。

2·5 齿轮啮合经过节点的脉动冲击噪声(齿轮固有噪声)

由于节点处两啮合面间相对滑动速度和摩擦力的方向发生改变,在节圆上产生冲击力,从而产生所谓节点脉动冲击噪声。齿轮传动的负荷越大、转速越高、齿面越粗糙,则节点脉动冲击也越大,这种齿轮噪声,即使在齿轮没有制造误差的情况下也会产生,因此这种噪声又称为齿轮固有噪声。

2·6 机械噪声

由于机械原因,例如转动部分不平衡、轴承不良和泵轴承的弯曲等机械振动都会引起噪声。液压装置中,回转零件不平衡而引起振动和噪声,尤其是在高速下尤为明显,不平衡的原因一般由于材质的不均匀、变形、毛坯或加工的缺陷以及加工和装配误差等引起的质量分布不均匀,形成了一定的偏心。当转动时,就会产生惯性力和惯性力偶,从而引起旋转零件的振动和噪声。此外,泵内通道具有截面突然扩大和缩小或急拐弯,当流速与压力变化急剧,通道面积过小将导致液体紊流、涡流及喷流,从而使噪声加大。在使用中,由于液压泵零件磨损、间隙过大、流量不足、压力波动,同样也会引起噪声。

3 液压泵流体噪声的影响因素

液压系统噪声的根源是复杂的和多方面的,它涉及到液压技术、流体力学、振动力学、声学及其他学科的渗透和影响,液压泵产生噪声,一般与其种类、结构、大小、转速及工作压力有关。液压泵的噪声随

液压功率的增加而增加,而液压功率是由泵的输出功率P、每转排量q 及转速n这三个工作参数的增加而增加。转速、压力、排量对齿轮泵噪声的影响曲线分别见图1、图2、图3。

可见,随着转速、压力、流量的增加,噪声逐渐增大。

4 液压泵噪声的控制措施

降低噪声一般有两种途径,一是从根本上着眼,旨在降低噪声源的噪声,这是治本的办法;另一个则是采用声学处理的方法阻止噪声的传播,但这只是治标的办法。

在设计过程中,掌握低噪声结构设计原则尤其重要,机械低噪声结构设计有助于提高机械的工作效率,延长使用寿命,使效能更多的机械设计成为可能。

对于齿轮泵,可以采取如下措施来降低噪声:

(1)加大罩壳的厚度。这主要是通过壳体厚度的增加,提高刚性,减小在高压油作用下产生的变形,避免使齿轮靠向低压侧。

(2)提高零部件的刚性。如齿轮安装轴的刚性差,则轴易产生弯曲和扭转振动,从而增大噪声。

(3)使油容易吸进。减小油压泵的吸油阻力,避免空穴现象,关键是避免空气混入油液中。一般要求吸油阻力应低于液压制造厂提出的液压泵最大饱合蒸汽压力的1/4。这是因为吸油阻力过大,油大都从大容量泵(低压)流过,而小流量泵在高压的情况下,容易产生气蚀现象,造成气穴噪声。

(4)改进困油卸荷槽。通过卸荷槽的合理设计,消除困油现象,降低输油脉动,进而降低噪声。

(5)使齿轮的模数减小,加大齿宽。这是因为模数增大,轮齿承载后变形小,有利于降低噪声;但是模数大,制造误差(如齿形误差,基节误差)亦增大,由此引起噪声增大,故应在轮齿强度、变形允许的条件下,尽可能选用较小的模数。齿宽直接影响轮齿承载后的变形和齿向误差的大小,齿宽与齿的弯曲量成反比,齿宽增加一倍,齿的弯曲量减小一半,从这个意义上说,增加齿宽有利于降低噪声。

(6)改进齿形。通过齿形的改进,使齿轮运转时啮合冲击小,传动平稳,减小周期性的波动和振动,从而降低噪声。如近年来出现的双模数非对称渐开线圆弧齿廓的齿形,很好地解决了流量脉动的问题,提高了传动平稳性,降低了噪声。

(7)选好轴承。轴承不仅影响齿轮泵的寿命,而且轴承的结构也会直接影响齿轮泵噪声的大小。

(8)提高零部件尺寸的精度及表面光洁度。表面粗糙度高,摩擦系数相应大,摩擦力亦大,这意味着对于给定负荷的传动需要较大的功率,因而噪声增加。

5 结语

在早期的液压噪声研究工作中,人们总是把重点放在液压元件本身的设计上,后来发现这很不够,才从系统的角度对诸参数影响的问题进行了探讨。经验表明,即便单个元件本身的噪声很低,把它安装到不同的液压系统中去时,液压系统也会出现严重的噪声。

在进行系统设计、安装布局时,能提出所允许使用的全部噪声控制装置的数量,把噪声控制作为最初设计布局的一个组成部分,那么这种设计是最合理,最有效的。要作出对噪声控制的最后决策,必须首先对噪声问题进行分析,作出噪声情况的技术说明,然后提出技术措施,进行技术评价,从而作出最后决策。

决策。

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