基于元件緩沖方法的低噪聲試驗液壓站系統設計

何曦光， 彭利坤， 陳軍奧

(海軍工程大學艦船動力工程軍隊重點實驗室， 湖北 武漢 430033)

基于元件緩沖方法的低噪聲試驗液壓站系統設計

何曦光， 彭利坤， 陳軍奧

(海軍工程大學艦船動力工程軍隊重點實驗室， 湖北 武漢 430033)

針對船舶液壓站的部分關鍵閥件二次噪聲治理問題，基于元件緩沖方法設計了一種低噪聲試驗液壓站系統樣機，在樣機的二次噪聲源閥件處并聯設置緩沖性試驗元件。在同一實船工況下，通過分別單獨使用普通元件和緩沖元件完成系統運行試驗，經傳感器采集對應壓力及流量變化曲線，并進行對比分析，驗證緩沖元件的減振降噪效果。試驗結果表明：系統設計滿足性能指標要求。

液壓站； 低噪聲試驗； 緩沖元件； 測控系統

液壓系統是船舶關鍵的輔助機械系統之一，由泵電機、液壓泵、各類閥件、輔助元件以及工作介質組成，大量全船性執行器的工作由其供油驅動。隨著液壓技術向高壓、大功率等方向發展，船舶液壓系統的振動與噪聲不僅影響系統性能和壽命，還會導致液壓機械、附件和管路損壞。液壓站是液壓系統的關鍵設備，用于給全船液壓執行器提供動力源，其主動力元件(電機、泵等)的啟停、卸荷將產生系統內的一次噪聲；壓力油通過管道流動，當流經閥件內部復雜的流體通道或遇到閥件換向時，流動狀態會發生急劇變化并產生空化現象，誘發二次噪聲，其與一次噪聲疊加，并通過遍布全船的液壓管道傳遞至船體結構及艙室內，對船機電設備造成損害，并對船上人員的工作和生活造成不利影響[1]。

針對船舶液壓系統的噪聲治理問題，國內外學者在振源元件的結構及控制特性優化上進行了一些研究。李偉剛等[2]通過電機、泵等的動平衡試驗避免共振，并通過選取振動隔振器以及增大閥件的附件質量來降低閥件噪聲；孔建益[3]主要通過管道有源消聲裝置進行主動降噪。英國國防調研局Kartha[4]利用內部裝有1/3壓電復合材料作動器的主動Helmholtz共振腔大大降低了管道體的流體脈動；Maillard[5]設計了一種非插入式結構作動器，用來控制艦船管道系統的流體脈動，發現圓環狀厚型壓電作動器作用在管壁上產生軸對稱的平面波，在徑向與流體脈動耦合，從而衰減流體脈動。

為驗證各類減振元件在實船液壓系統正常工況下工程應用效果，筆者基于元件緩沖方法設計了一種低噪聲試驗液壓站系統，模擬某型船舶液壓動力站進行試驗系統搭建，在截止止回閥及電磁溢流閥等二次振源處增設了緩沖試驗元件，完成相應測控系統設計，并通過比對性的減振降噪試驗進行驗證。

1 低噪聲試驗液壓站系統樣機設計方案

1.1 設計及性能指標要求

樣機設計完全模擬實船工況，平臺供油壓力范圍為8～12 MPa，系統壓力峰值不超過10 MPa；流量不能出現突變，平均流量在8 L/min之內；液壓油采用46號抗磨液壓油，黏度等級為N32；液壓氣瓶壓力10 MPa，容積400 L。

1.2 樣機組成

樣機由油源與測控系統組成：前者用于模擬船舶液壓站；后者用于油源部分的監控以及壓力、流量等數據采集。油源部分包括油箱、電機、螺桿泵、活塞式蓄能器、冷卻器、卸荷溢流閥、止回閥、緩沖蓄能器、過濾器和冷卻器等[6]。測控部分由就地控制箱、測控臺及安裝在油源部分的傳感器組成。其中：上位機與PLC安裝在測控臺內；就地控制箱內安裝有繼電器、接觸器、斷路器以及熱繼電器等低壓電器，可對油泵進行啟停控制。測控臺通過航插、配套航插及電纜與就地控制箱及傳感器進行連接。

1.3 技術方案

筆者設計的液壓站可進行緩沖止回閥、緩沖卸荷閥2個元件的減振降噪試驗。

緩沖止回閥由液控單向閥和阻尼孔構成，阻尼孔連接液控單向閥的液控口和進油口，其工作原理為：當油液正向流動時，液控單向閥打開，油液正常通過；當油液反向流動時，由于阻尼孔的節流作用，液控單向閥將會緩慢關閉，從而避免了單向閥在油液換向時因突然關閉而產生壓力沖擊。

緩沖溢流閥由溢流閥、電磁換向閥、節流閥構成，其工作原理為：當卸荷換向閥未開啟時，緩沖溢流閥與普通溢流閥功能相同，起到溢流保持壓力穩定的作用；當卸荷換向閥打開后，溢流閥的先導油路與節流閥接通，在節流閥的作用下溢流壓力緩慢降低，直至完全卸荷，避免了供油壓力的突變，預防系統管路中的壓力振蕩。

在緩沖元件油路進出口處各配置1個三通頭，用于安裝壓力傳感器以測量元件前、后管路油壓，驗證減振元件的減振降噪效果。為了能讓原有元件及緩沖元件單獨連入系統并進行試驗，在原有元件和試驗元件進出口處加設4個截止閥，分別用1、2、3、4表示；在油泵的排油口(測壓點1)、止回閥的輸出口(測壓點2)、系統回油管路(測壓點3)以及系統壓力總管處分別安裝4個壓力傳感器，對管路油壓進行測量；且在系統壓力總管處安裝了流量傳感器，可進行系統流量測量；管路安裝了氣動活塞式蓄能器，并在其缸體內安裝了3個行程開關，分別對壓力油充滿、充放和放空進行狀態信號采集；在回油總管處設置了手動壓力調節閥，用于模擬負載設置一定的背壓。低噪聲試驗液壓站工作原理如圖1所示。

圖1 低噪聲試驗液壓站工作原理

正常供油時，氣動活塞式蓄能器在氣瓶壓力的作用下保持油壓，并通過壓力油管供給模擬負載(壓力流量閥組)使用，而后通過冷卻器冷卻流回油箱；待蓄能器充油完畢時，電機停止或卸荷閥打開，使螺桿泵卸荷空載運行。低噪聲試驗液壓站工況如表1所示。

表1 低噪聲試驗液壓站工況

油源在工作時，測控臺PLC通過信號線電纜采集管路壓力、流量、蓄能器活塞位置、油泵啟停工作狀態等信號，根據邏輯判斷更新就地控制箱面板上的信號燈狀態，同時通過控制箱的接觸器、繼電器動作完成油泵和卸荷閥控制。與此同時，PLC通過485通信線將數據傳送至上位機。另外，上位機亦配備了數據采集卡，通過其模擬量輸入端口AI采集3個測壓點的壓力以及回油管路流量數據。上位機采用LabVIEW軟件編寫界面程序，實時顯示油源各傳感器數值及油泵、卸荷閥的工作狀態。

2 測控系統設計

2.1 硬件組成

為了提高測控效率，系統采取星型網絡拓撲結構“一主兩從”控制模式，即上位機同時與PLC以及數據采集卡進行通信[7]。測控系統結構組成如圖2所示。

圖2 測控系統結構

2.2 軟件設計

本系統PLC選用德國西門子公司的S7-200，其數據存儲區包括數字量輸入(I區)和輸出映像區(Q區)、模擬量輸入(AI區)和輸出映像區(AQ區)、變量存儲器區(V區)、順序控制繼電器區(S區)等[8]。

液壓站測控臺PLC的I區和AI區用于采集油管油壓、蓄能器活塞位置以及油泵電機啟停狀態信號；Q區產生開關量輸出，送至就地控制箱及液壓站，完成油泵啟停、卸荷閥控制以及蓄能器狀態顯示；V區用于存放本機與上位機之間發送以及接收緩沖區的數據。

PLC主程序模塊在首次掃描時完成參數和通信初始化，同時不斷采集油管油壓、油泵電機啟停狀態、蓄能器活塞位置、就地控制箱接觸器觸點狀態等信號。采集完成后，將數據送至發送緩沖區，并經信號線更新就地控制箱蓄能器狀態指示燈，同時完成對卸荷閥通斷的控制。在參數初始化中，設置了PLC端口0定時中斷的時間間隔(5 ms)。在通信初始化中，通過控制字定義了PLC與上位機的通信模式。發送完成時產生1號中斷，接收完成時產生0號中斷。PLC工作流程如圖3所示。

圖3 PLC工作流程

PLC與上位機通過端口0進行通信。接收開始時，PLC進行5個字節的數據頭判斷，而后從VB400開始進行存儲。發送的數據存儲區從VB500開始，將蓄能器活塞位置、油泵電機啟停狀態以及油管壓力等數據上傳；發送時，序列末尾設置了與接收數據相同的5個校驗字；發送完成后，允許繼續接收數據。

上位機采用LabVIEW軟件編寫界面程序，通過VISA I/O API函數進行端口號、波特率以及停止位、校驗位、數據位的配置，經延時后進行數據讀取、校驗，最后轉換為布爾量，經面板進行液壓站的狀態顯示。與此同時，上位機通過數據采集卡采集3個測壓點的油壓及回油管路流量信號，經相應的處理及轉換后在面板進行顯示。上位機工作流程如圖4所示。

圖4 上位機工作流程

3 試驗驗證

在液壓泵站油箱充滿油、蓄能器各行程開關動作正常、液壓空氣瓶充氣完成后，開啟泵站，為管路供給壓力油，即可進行試驗。圖5、6分別為緩沖止回閥和緩沖溢流閥，圖7為低噪聲試驗液壓站全景。

圖5 緩沖止回閥

圖6 緩沖溢流閥

圖7 低噪聲試驗液壓站

3.1 緩沖止回閥減振降噪試驗

該試驗包括普通止回閥和緩沖止回閥2個減振降噪試驗，采用流量傳感器采集系統的流量數據，通過比較2個試驗的數據來驗證緩沖止回閥的減振降噪效果。

首先，進行普通止回閥減振降噪試驗。試驗開始前，打開普通止回閥前的截止閥3，關閉緩沖止回閥前的截止閥4，使普通止回閥接入系統。此時蓄能器處于未充滿狀態，啟動電機并使液壓站處于連續工作狀態，由于系統壓力在極短時間內由0 MPa上升到10 MPa，瞬間產生較大的壓力沖擊，流量產生較快突變。通過測控系統采集一個時間段內的流量數據，其變化曲線如圖8所示。

圖8 未加裝緩沖止回閥時系統流量變化曲線

其次，進行緩沖止回閥減振降噪試驗。關閉普通止回閥前截止閥3，打開緩沖止回閥前截止閥4，使緩沖止回閥接入系統。在與普通止回閥減振降噪試驗相同的系統工況下，啟動油泵進行升壓，通過測控系統采集相同時間段內的流量數據，其變化曲線如圖9所示。

圖9 加裝緩沖止回閥時系統流量變化曲線

由圖8、9可知：在加裝緩沖單向閥后，系統的振動得到明顯改善，緩沖止回閥在卸荷后沒有立即關閉，而是在阻尼孔的作用下緩慢關閉，抑制了流量的突變，減弱了系統的振蕩以及管路振動。

3.2 緩沖卸荷閥減振降噪試驗

該試驗包括普通卸荷溢流閥和緩沖卸荷溢流閥2個減振降噪試驗，通過測控臺對測壓點1的壓力進行采集，通過比較2個試驗的數據來驗證緩沖卸荷溢流閥的減振降噪效果。

首先，進行普通卸荷溢流閥減振降噪試驗。試驗開始前，打開普通卸荷溢流閥前的截止閥2，關閉緩沖卸荷溢流閥前的截止閥1，使普通卸荷溢流閥接入系統，此時蓄能器處于未充滿狀態，啟動電機并使液壓站處于連續工作狀態；當蓄能器中的液壓油達到設定壓力后，卸荷溢流閥打開，螺桿泵卸荷，此時卸荷溢流閥前后的壓差極大，會產生氣蝕噪聲、螺旋脫離聲及高頻自激振蕩噪聲。通過測控系統檢測并記錄一個時間段內測壓點1的壓力，其變化曲線如圖10所示。

圖10 未加裝緩沖卸荷閥時系統壓力變化曲線

其次，進行緩沖卸荷溢流閥減振降噪試驗。試驗開始前，關閉普通卸荷溢流閥前的截止閥2，打開緩沖卸荷溢流閥前的截止閥1，使卸荷溢流閥接入系統。在與普通卸荷溢流閥減振降噪試驗相同的系統工況下，啟動油泵進行升壓，經測控系統記錄測壓點1在相同時間段內的壓力，其變化曲線如圖11所示。

圖11 加裝緩沖卸荷閥時系統壓力變化曲線

由圖10、11可知：在加裝緩沖卸荷閥后，系統的振動得到明顯改善，最大壓力峰值不超過10 MPa，無明顯壓力突變和振蕩，管路壓力在卸荷閥打開后緩慢減小，避免了單向閥的迅速關閉，從而減弱了系統的壓力振蕩。

4 結論

筆者基于元件緩沖方法設計了一種低噪聲試驗用液壓站系統，在振源處安裝了緩沖元件，在實船工況下單獨接入普通元件和緩沖元件，分別采集對應壓力和流量變化曲線，對緩沖元件的減振降噪效果進行驗證。試驗結果表明：緩沖元件有效抑制了管路振動，系統壓力及流量均在設定范圍之內，滿足設計性能指標要求。由于在試驗中并未直接測量管路振動與噪聲，下一步將在試驗中加裝振動測試儀和測噪儀，結合壓力、流量等數據對系統噪聲進行綜合分析，提出實船液壓系統減振降噪方案。

[1] 俞孟薩.潛艇機械噪聲控制技術的現狀與發展概述[J].船舶力學, 2003(8)：52-54.

[2] 李偉剛，王春健，李兵尚.船舶液壓動力站管路振動與噪聲的分析控制[J]. 機床與液壓，2011(7)：34-37.

[3] 孔建益.潛艇振動噪聲的控制研究[J].噪聲振動與控制，2006(10)：134-136.

[4] Kartha S C. Active, Passive and Active Passive Control Techniques for Reduction of Vibrational Power Flow in Fluid Filled Pipes [D]. Virginia, USA: Virginia Polytechnic Institute and State University, 2000.

[5] Maillard J. Active Control of Pressure Pulsations in Piping Systems[R]. Sweden: University of Karlskrona/Ronneby, 1998.

[6] 張利平.液壓傳動與控制[M].西安：西北工業大學出版社，2005：646-660.

[7] 陳佳.一體化數字液壓作動器測控系統設計[J]. 機床與液壓，2009(8)：34-39.

[8] 海心，馬銀忠，劉樹青. 西門子開發入門與典型實例[M].北京：人民郵電出版社，2010：212-214.

(責任編輯: 尚彩娟)

Design of Low-noise Experimental Hydraulic Station System Based on Buffer Component

HE Xi-guang, PENG Li-kun, CHEN Jun-ao

(Army Key Laboratory of Naval Ship Dynamic Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Aiming at the derivative noise control of some key valves in ship hydraulic system, the authors design a kind of low-noise experimental hydraulic station system sample, in which some experimental buffer devices are in parallel set around the vibrating area. Under the working condition of the same ship, the system run testing is completed with the common component and buffer component separately, and the corresponding system pressure and flow change data are acquired by the sensor and compared for analysis，so as to validate the vibration and noise reduction effect of the buffer components. The experimental results show that the system design can meet the requirements of performance.

hydraulic station; low-noise experiment; buffer component; measurement and control system

1672-1497(2015)06-0058-06

2015-09-12

何曦光(1982-)，男，講師，碩士。

TH137

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.06.012