船用操舵系統低噪聲設計及特性分析

陳宗斌，何　琳，徐榮武（1.海軍工程大學 振動與噪聲研究所，湖北 武漢 430033；2.船舶振動噪聲重點實驗室，湖北 武漢 430033）

船用操舵系統低噪聲設計及特性分析

陳宗斌1，2，何琳1，2，徐榮武1，2
（1.海軍工程大學 振動與噪聲研究所，湖北 武漢 430033；2.船舶振動噪聲重點實驗室，湖北 武漢 430033）

艦船液壓系統噪聲大，嚴重影響船員生活。本文結合船用操舵系統，提出直驅式電液伺服系統架構設計，進行系統元件低噪聲分析和選型。指出系統噪聲源主要來自于液體噪聲，并重點針對液壓流體沖擊噪聲進行仿真分析。最后結合噪聲源分析和仿真分析，給出進一步降噪設計建議。

低噪聲；直驅式電液伺服系統；液壓沖擊

0　引 言

艦船操舵系統是保證艦船航行的重要設備。然而，液壓操舵系統噪聲大，嚴重影響了船員的生活。隨著液壓技術向高壓、高速、大流量、高功率發展，液壓系統噪聲問題更加突出。就艦船液壓系統而言，更加注重設備的低噪聲特性［1］。因此，本文將結合某船用操舵系統，給出低噪聲液壓原理設計，探討系統噪聲源，并重點針對液壓系統的沖擊噪聲，基于AMESim仿真平臺，做出仿真分析，給出降噪設計建議。

1　系統原理設計

傳統液壓操舵系統采用了泵控式架構設計或閥控式架構設計。泵控系統主要通過改變回路中變量泵的排量來調節執行元件速度；閥控系統主要通過改變流量控制閥的流通截面積大小來控制流入或流出執行元件的流量。直驅式電液伺服系統，結合了電機變頻調速靈活和液壓大出力特點，采用變頻電機控制定量泵，通過電機轉速的改變調節系統流量，進而控制整個回路，基本原理如圖1所示。

其主要由控制子系統和機械子系統兩大部分組成。其中控制子系統由控制器、伺服驅動器以及傳感器組等組成；機械子系統由伺服電機、雙向定量泵及液壓回路等組成。控制子系統采用基于磁場定向的伺服控制原理，其控制結構由位置環、轉速環和電流環3個閉環組成。機械子系統主要由伺服電機驅動定量泵，為液壓系統提供動力源。整個系統通過控制子系統調節伺服電機轉速，改變泵的流量，達到控制作動器動作的目的。由于取消了泵控系統中連續運行的電機和閥控系統中頻繁動作的伺服閥，同時，電動機和液壓泵長期在額定轉速或低于額定轉速的情況下運行，可減少液壓泵的磨損和系統的噪聲，提高系統壽命和可靠性［2］。

圖1　船用直驅式電液伺服操舵系統示意圖Fig.1　DDVC's components diagram

2　系統噪聲源分析

2.1伺服電機

直驅式電液伺服系統中，伺服電機需全工況變轉速運行，低噪聲電機的選型至關重要。電機運行可能產生電磁噪聲、旋轉噪聲、軸承噪聲、殼體振動噪聲等。相應的GJB69A-97以及 GB 10069.3-2008 對船用電機噪聲做出了規范。步進電機在低速時易出現低頻振動現象。交流伺服電機運轉平穩，即使在低速時也不會出現振動現象。同時交流伺服系統具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統內部具有頻率解析機能（FFT），可檢測出機械的共振點，便于系統調整，避開共振點。交流伺服電機又分為同步型和異步型，同步型體積大、啟動特性欠佳。綜合考慮，系統選用異步交流伺服電機。

2.2液壓泵

相關文獻列出了液壓系統主要噪聲源排名，指出液壓泵是液壓系統中主要噪聲來源［3］。液壓泵一般是靠密封容積變化的原理完成油液的吸排，由于油液受到作用的不連續性，不可避免會產生流量脈動，流量的不均勻帶動泵體和管路的結構振動。這種振動還可能引發諧振，使得噪聲增加。當泵的吸油口壓力下降或者油液溫度升高，導致溶解在油液中的空氣析出，形成氣泡。當氣泡進入高壓部位，氣泡擊破產生壓力沖擊，還會形成氣穴噪聲。同時，由于機械原因，泵的轉動部件不平衡時，也會產生回轉噪聲。液壓泵是液壓系統的動力源，泵產生的噪聲隨著液流傳遞，輻射范圍極廣。因此，設計時必須考慮選用低噪聲泵。表1列出了常用泵的性能比較［4］。

表1　常用液壓泵性能比較Tab.1 Some hydraulic pump performance comparison

綜合表中給出的特性，螺桿泵噪聲最小，效率適中，自吸特性較好。因此系統選用螺桿泵。

2.3液壓集成閥塊

傳統的液壓操舵系統采用了集中液壓油源分布式作動器設計，通過長管路連接油源與作動器。傳統設計液壓管路布置較長，遍布全船。管道一般不直接產生噪聲，但當液流流量變化引起壓力波動時，管路產生振動十分明顯。同時，管路的拐彎、流通面積變化，多條管路并排都易引發管路噪聲，甚至共振。直驅式電液伺服操舵系統，采用集成化設計思想，集成液壓塊體連接各閥，實現回路功能，減少管道連接。一般的液壓集成閥塊設計，即為簡單的管路集成，主要考慮了布局和布孔的優化，少有流道優化和低噪聲方面設計。張宏［5］指出液壓系統能量損失、運動精度、振動、沖擊以及噪聲等無不與系統油流流道特性相關，因此從內部流道優化以及低噪聲特性設計集成閥塊十分重要。基于流道優化的液壓集成閥塊設計可參考文獻［5］，同時可通過提高閥塊的加工精度，保證孔道內表面光潔度，減少毛刺等降低流動噪聲。國外先進制造公司甚至采用精密制造工藝生產集成閥塊，以改善液體流動性能。

2.4液壓缸

液壓缸是系統的執行元件，頻繁往復運動。在液壓缸中的活塞桿或柱塞等部件長期使用發生彎曲時，與液壓缸的油封、甚至是缸壁的機械摩擦加劇，將產生劇烈振動［6］。油液中混入氣體時，液壓缸中的高壓也將導致氣穴現象引發較大噪聲。因此，液壓缸制造應提高活塞加工質量，保證活塞桿與缸筒的對中和密封。同時，應排盡油液中空氣，降低氣穴噪聲。

3　液壓沖擊仿真分析

液壓系統中的噪聲主要有流體噪聲、結構噪聲以及由于系統表面振動而引起的空氣噪聲，而結構噪聲和空氣噪聲在很大程度上都由流體噪聲引起［7］。流體噪聲主要由流量脈動以及液壓沖擊產生，文獻指出壓力變化量和壓力變化率是衡量液壓沖擊強度的量化指標［8］。因此本節將重點針對液壓沖擊現象，搭建系統AMESim 仿真模型，以直驅式電液伺服系統作動器兩腔壓力差為指標，研究設計參數對系統液壓沖擊噪聲的影響。

基于直驅式電液伺服系統原理設計，AMESim 仿真模型可搭建為如圖2所示。

圖2 直驅式電液伺服系統仿真模型Fig.2　DDVC's simulation model

傳統液壓系統中，液壓沖擊產生的直接原因是伺服閥的頻繁開啟與關閉。直驅式電液伺服操舵系統取消了伺服閥的設計，降低了液壓沖擊的可能性。然而，液壓沖擊一旦產生，不僅降低設備可靠性，還將產生較大振動噪聲，因此系統仍需進行抗沖擊設計。本節研究電機加速度、控制器位置超調量和外界負載變化率與系統液壓沖擊之間的關系，找出產生液壓沖擊的根本原因，為抗沖擊設計提供指導。

3.1電機加速度對液壓缸兩腔壓力差變化的影響

在 AMESim中，輸入幅值大小為 750 r·min-1，運動時間為 5 s的電機轉速信號，設置電機加速度為1 200 r/min·s-1，600 r/min·s-1和 360 r/min·s-1，觀察液壓缸兩腔壓力差變化、舵角輸出以及電機轉速，結果如圖3～圖4所示。

圖3　不同電機加速度下液壓缸兩腔壓差變化Fig.3　The pressure difference under different motor acceleration

圖4　不同電機加速度下的電機轉速Fig.4　Motor speed under different motor acceleration

仿真結果可知：

1）在電機啟動階段電機加速度越小，液壓缸兩腔壓力差的變化梯度越小，但都存在壓力振蕩，初步理論分析可知，此壓力振動由電機轉速振蕩與系統結構共同決定，并非由電機加速度決定。

2）電機減速階段，液壓缸兩腔壓力差也存在波動，且電機加速越小，壓力差的變化梯度越小，相比啟動階段，減速階段的壓力差變化梯度以及振蕩程度都較小，因此，系統液壓沖擊振動更易出現在啟動階段；

3）電機加速度越小，壓力波動越小，液壓系統振動越小，但剎車距離越大。

3.2位置超調量對壓力對液壓缸兩腔壓力差變化的影響

在 AMESim中輸入幅值為 15°的階躍舵角信號，通過設置位置 PID 控制器的比例系數 P 來實現不同的位置超調量，觀察空載的舵角輸出、電機轉速和液壓缸兩腔壓力差，結果如圖5～圖6所示。

仿真結果可知：

1）電機啟動階段，不同超調量下的液壓缸兩腔壓力差波動相同（矩形框處），由于啟動階段，電機的轉速變化都一樣，因此壓力波動一致；

圖5　空載條件下的轉速輸出Fig.5　Motor speed under no-load

圖6　空載條件下的壓力差輸出Fig.6　Pressure difference under no-load

2）電機剎車階段，超調量越大，壓力差波動越劇烈（橢圓處），但隨著超調量增加，壓力差波動劇烈程度趨于一定值；

3）超調量引起壓力差波動主要在舵角剎車階段，由于位置超調引起了電機轉速超調，導致壓力差的波動。

3.3外界負載沖擊對液壓缸兩腔壓力差變化的影響

在 t=10 s 時，輸入幅值為 12 t，上升至 12 t 力所用時間為 0.000 1 s，0.01 s和 1 s，觀察液壓缸兩腔壓力差和舵角輸出，結果如圖7～圖9所示：

圖7　液壓缸兩腔壓力差變化Fig.7　Pressure difference of cylinder two cavities

圖8　舵角輸出Fig.8　Rudder angle output under different load

由仿真結果可知：

1）當外界負載壓力的梯度越大，液壓缸兩腔壓力差的變化越大，且易產生峰值，但是峰值產生之后，立即會穩定；

2）舵角輸出不易受外界負載沖擊的影響，即外界負載沖擊并未引起舵角輸出振蕩。

3.4小 結

通過仿真結果可知，電機加速度的大小直接影響系統沖擊強度大小。控制器參數的變化，本質也是由于控制器改變了電機加速度。因此，直驅式電液伺服系統沖擊噪聲，直接決定于電機加速度的變化。在硬件配置不變的情況下，可考慮優化控制策略，改進電機轉速控制算法，降低液壓沖擊。外界負載力的變化，屬于擾動參數，為不可控因素。因此，必須考慮加裝壓力衰減器，采用軟管等硬件設計來降低負載擾動沖擊。

4　結 語

本文從降低液壓操舵系統噪聲角度出發，提出了直驅式電液伺服系統的架構設計，從原理設計上降低系統噪聲。根據液壓系統噪聲的來源部位，首先基于設計原理，對元件噪聲源進行了分析，指出交流異步電機，螺桿泵更適用于系統的低噪聲設計。同時，采用一體化的集成閥塊設計，避免了管路噪聲。低噪聲、流道優化的集成閥塊設計不僅改善系統內部油流特性，還可降低流體噪聲。然后，對系統整體，建立了AMESim 仿真模型，重點針對系統液壓沖擊進行了定性仿真分析，仿真知：電機加速度直接影響系統的壓力波動；外界負載的突變帶來的沖擊影響有限。下一步，可根據仿真結果，采用蓄能器、壓力衰減器或者優化算法控制等方法，進一步降低系統的沖擊振動。

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［6］王龍.艦船液壓系統的噪聲及其控制［J］.液壓與氣動，2011（9）：54-56.

［7］胡軍華.閥控舵機系統噪聲控制的試驗分析［J］.噪聲與振動控制，2010，30（1）：25-28.

［8］付永領，趙克，祁曉野，等.比例方向閥控船舶操舵系統壓力沖擊抑制［J］.北京航空航天大學學報，2010，36（6）：640-644.

Low noise design and characteristics analysis for marine steering system

CHEN Zong-bin1，2，HE Lin1，2，XU Rong-wu1，2
（1.Institute of Noise and Vibration，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China；2.State Key Laboratory of Ship Vibration and Noise，Wuhan 430033，China）

In modern time，we all want a quiet life.But the marine steering system produce great noise，which affect the crew life seriously.Because of that，a new low noise steering system is put forward，which adopts the direct drive electrohydraulic servo system architecture.Aiming at reducing the system noise，low noise components are chosen.The main noise source of whole system is fluid noise.So，in view of the fluid impulsive noise，simulation analysis is carried out.Finally，based on the simulation analysis，the noise reduction design suggestions are given.

low noise；direct drive electro-hydraulic servo system；hydraulic impact

U674.941+

A

1672-7619（2016）07-0049-05

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.07.011

2015-06-25；

2015-09-14

陳宗斌（1992-），男，碩士研究生，主要從事液壓系統設計及仿真工作。