液壓系統噪音分析與降噪措施研究＊

鄭壽慶 朱海容

（中國船舶重工集團公司第七二二研究所 武漢 430079）

1 引言

隨著液壓技術向著高壓、高速、高效和大功率的方向發展，液壓系統噪音產生的危害也日益凸現；振動與噪聲不僅影響著液壓系統的可靠性和穩定性，還會導致系統設備的損壞。對于軍用艦船來說，液壓系統的噪聲關系到艦船的戰斗力和生命力，噪聲問題及降噪技術目前成為了國內外相關領域極為關注的問題［1］。因此，對于液壓系統的噪聲機理進行研究，分析其產生原因，并采取針對性的控制措施是非常必要的。

2 液壓系統組成

液壓系統通常由液壓源、液壓控制元件、液壓執行元件及相關附件組成。

常見液壓系統都是由液壓泵在電機的驅動下，將來自油箱的液壓液輸出到液壓控制元件，由控制部件進行變向、變速、變壓后輸出到執行元件，由液壓執行元件帶動負載完成一定的動作，液壓油最終經管道回油箱。本文將圍繞液壓系統的組成對其噪音產生的機理進行分析。

3 液壓系統噪音分析與降噪措施

3.1 液壓源

在液壓系統的噪聲中，液壓泵的噪聲占很大比重。液壓泵的噪聲主要由流量脈動、壓力脈動和氣穴現象產生。

液壓泵通過泵體內腔工作容積的周期性變化來吸油和排油，泵的工作腔從吸油腔突然和壓油腔相通，或從壓油腔突然和吸油腔相通時，產生油液流量脈動，由流量脈動容易引起壓力脈動，進而產生噪聲。流量脈動與泵的斜盤工作半徑、斜角、柱塞數、柱塞工作面積、轉子角速度等參數有關，優化設計泵的結構和參數可以減少泵的固有流量脈動，理論分析表明，當柱塞數為奇數時，泵的流量脈動比柱塞數為偶數時要小［2］；此外，減小液壓泵的流量脈動，還可在液壓泵前安裝蓄能器，減少流量脈動帶來的沖擊噪聲。

液壓泵吸油腔中的壓力低于油液所在溫度下的空氣分離壓時，溶解在油液中的空氣就會析出而變成氣泡，這種帶有氣泡的油液進入高壓腔時，氣泡被擊破，形成局部的高頻壓力沖擊，從而引起噪聲［3］。為減小氣穴現象的產生，就要防止液壓系統中的壓力過度降低，通常要減小流經節流小孔前后的壓力差，一般小孔前后的壓力比應小于3.5；同時，要采用大容量的吸油過濾器和直徑較大的吸油管，防止油液中混入空氣，保證吸油管中液流速度不致太高。

3.2 液壓控制元件

在液壓控制元件中，溢流閥、節流閥是比較容易產生噪音的元件。它們產生噪音基本上都源于瞬間的壓力變化，壓力變化越大，噪音就越大。

溢流閥噪聲主要由油液振動、氣穴及液壓沖擊等產生。溢流閥由閥芯、閥座及彈簧組成，當內部油液經過閥芯狹縫時，產生高速噴射液流，此時，油液壓力分布不均，錐閥徑向力不平衡，很容易產生氣穴現象和沖擊振動，常用的降噪措施是：改善閥內流道，抑制氣穴現象，減小閥內壓力不均。

在液壓系統中，節流閥的噪聲僅次于液壓泵和溢流閥，節流閥是靠通流面積的變化來改變流量的，通過頻譜測量與高速攝像技術分析可知［4～5］，氣穴現象是節流閥的主要噪聲，氣穴噪聲通常比正常的背景噪聲高30dB左右，且為高頻噪聲。目前常用的降噪方法是將節流閥設計成階梯型閥口，對油液形成二次節流，能較大地降低閥口附近的壓力梯度，對氣穴現象有很好的抑制作用。在設計高壓液壓系統時，一定要注意提高節流口下游側的背壓，要使其高于空氣分離壓力的界值，同時還要進行排氣設計［6］。

通常，換向閥自身產生的噪音并不大，但是由換向閥產生的間接噪音不容忽視。換向閥突然打開、關閉或換向時，油液流速會發生急劇變化，導致液壓馬達與負載傳動件之間的沖擊，造成較大的振動和噪聲；系統壓力越高、換向時間越短，沖擊就越強，噪聲也越大。若液壓系統中使用電磁換向閥時，閥件可由開關閥改為先導緩沖閥疊加換向主閥，并在兩閥之間設置可調節的節流閥，延長轉換時間，將轉換速度放緩，會明顯地減少沖擊，改善液壓控制系統啟停、換向時對設備的沖擊。

氣穴及壓力沖擊引起的噪聲均屬于流體噪聲，對其測量及分析起來都有很大的難度，在工程使用時，可根據實際情況選用低噪音閥件。

3.3 液壓執行元件

液壓馬達作為常見的液壓執行元件，其工作原理與液壓泵可逆，結構形式相似。液壓馬達的噪聲有流體噪聲和機械噪聲。流體噪聲主要是流量脈動和壓力脈動造成的，由馬達內部空間結構變化的不均勻性造成的噪音是很難消除的；通常，在馬達進油口前設置蓄能器可以降低馬達進油口的油液脈動噪聲，安裝撓性軟管也可起到降低壓力脈動的作用。

對于液壓馬達，機械噪聲是主要的。機械噪聲有馬達與傳動部件之間的沖擊噪聲、回轉體部件不平衡噪聲、馬達輸出軸與傳動軸之間同軸度誤差等產生的噪音。

液壓馬達的沖擊噪聲，除了結構設計合理性及加工、裝配誤差等因素外，最主要的是液壓油的瞬間壓力變化引起的，對此應采取的措施前文已作介紹。

在液壓系統中，液壓泵和液壓馬達都作高速旋轉運動，如果回轉部件不平衡，就會產生周期性的不平衡力，這種不平衡力在運轉時就會產生較大的轉軸彎曲振動和噪聲，振動進一步傳遞，引起管路和附件的振動和噪聲。不平衡體高速旋轉產生的振動噪聲主要由基頻和高頻諧波組成，基頻為

式中：n為轉速（r／min）；f為基頻（Hz）。

一般基頻很低，只有20～30Hz，但不平衡體高速旋轉會對系統產生沖擊，破壞其它部件的運動狀態，引起高頻振動。當系統的固有頻率接近或等于不平衡體的旋轉頻率或其倍頻時，就會產生共振，發出很大的噪聲。

回轉體部件的不平衡噪聲可通過動平衡試驗機進行精確的動平衡測試或采用仿真軟件進行動態模擬分析，找到不平衡因素并進行補償，可有效控制不平衡因素引起的低頻噪聲。

馬達輸出軸與傳動部件盡量設計成耦合件，若條件不允許，可使用彈性聯軸器來減少兩軸不同心產生的誤差；通常，同軸度誤差不得超過0.08°。

3.4 液壓管道

由于液壓泵周期性的流量脈動，產生了液壓系統的壓力脈動，導致系統中的元件和管道周期性地振動，產生噪音。尤其是當系統振動頻率與管道頻率接近或相同時，會加劇液壓系統的振動，增大噪音。因此管路設計時，應合理選擇管長，避開液壓系統振動頻率。常用的方法是，在管路中加入一定數量的管夾，提高管道的連接剛度，改變管道的固有頻率，通常把管路的固有頻率fn控制在（20～30）f以外（f為液壓系統脈動源頻率）［7］。管路的固有頻率fn（Hz）計算公式如下［8］：

工程應用中，應優化管道空間布置，選擇合適的管長，避免管道的固有頻率接近液壓油壓力脈動頻率。管路應盡量減少彎折，彎折半徑至少為管路直徑的5倍以上。

為減少噪音在管道內的傳播，避免共振，可以在管道壁上涂抹阻尼材料，使管道的振動因阻尼作用而衰減，減小空氣的輻射噪聲，尤其對抑制高頻噪聲比較有效。常見的阻尼材料有瀝青、聚氨酯橡膠和一些高分子材料［9］。

在條件允許的情況下，應盡量選用液壓集成塊代替管道，以減少振動。適當加大管路直徑，以減少油液在管路中的流速，降低沖擊。

3.5 系統分析與對策

液壓系統的噪聲通常是由多個元件互相作用造成的，這種噪聲需要從總體上考慮，除了定性分析外，還要建立研究對象的數學模型，進行定量分析和仿真計算，從理論上研究得到合理的降噪手段。

系統噪聲通常采用消聲器、蓄能器和動壓反饋裝置進行控制和補償。安裝消聲器，既能從噪聲源上控制，又能控制噪聲傳播的路徑，降低輻射噪聲。合理配置蓄能器，可以吸收流量脈動，減少液壓沖擊，蓄能器的固有頻率和系統的脈動頻率相近時，降噪效果會更加顯著，其充氣體積越大，越能有效抑制噪聲，但充氣壓力過大，降噪效果會變差，因此在設計時應綜合考慮蓄能器的充氣體積和充氣壓力對降噪效果的影響［10］。

由于消聲器和蓄能器降噪屬于“無源”降噪，能抑制的噪聲頻率范圍很有限，為擴大頻率范圍，只能增大降噪裝置的尺寸和體積，這對于有空間和重量要求的液壓裝置來說是不合適的；一般需要估算系統的固有頻率，盡量選擇與系統脈動頻率相近的降噪裝置。

一般液壓伺服系統存在低阻尼的問題，阻尼低就會嚴重影響到系統的穩定性；目前，最簡單有效的方法是采用動壓反饋裝置提高液壓阻尼比，改善系統的穩定性和頻寬，進而降低沖擊產生的噪聲。動壓阻尼器具有高頻導通、低頻截止的特性，既能滿足系統所需要的動壓阻尼比，又能保證系統的穩定精度和靜態剛度。

4 結語

液壓系統的噪聲是一個復雜的問題，振動和噪聲直接影響到系統的使用性能和部件的工作壽命。

液壓系統噪音產生的原因和控制方法比較多。本文僅從系統設計角度對液壓系統的噪聲產生原因及降噪措施進行了簡要分析和介紹，并結合工程實際，提出了一些解決問題的措施；要想對液壓系統的噪音進行排除，還需要結合液壓系統的實際情況，比如系統總功率、負載情況、管路布設環境等具體分析與設計。

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