基于模態(tài)與振動(dòng)傳遞函數(shù)分析的低噪聲液壓站設(shè)計(jì)

孫營輝，李志印，李佳，彭文波

中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

基于模態(tài)與振動(dòng)傳遞函數(shù)分析的低噪聲液壓站設(shè)計(jì)

孫營輝，李志印，李佳，彭文波

中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

［目的］液壓油站作為液壓系統(tǒng)的動(dòng)力源，是液壓系統(tǒng)振動(dòng)、噪聲產(chǎn)生的根源。為進(jìn)一步降低液壓系統(tǒng)的振動(dòng)、噪聲水平，提出一種基于模態(tài)分析與振動(dòng)傳遞函數(shù)分析的低噪聲液壓油站的設(shè)計(jì)方法。［方法］建立液壓油站有限元模型，在此基礎(chǔ)上求解出油站的模態(tài)，并利用模態(tài)疊加法對油站結(jié)構(gòu)及液壓泵的安裝位置進(jìn)行優(yōu)化，得到油站的最佳結(jié)構(gòu)形式和液壓泵最佳安裝位置?；谡駝?dòng)傳遞函數(shù)分析對液壓油站箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，優(yōu)化泵組到油站機(jī)腳的振動(dòng)傳遞路徑，進(jìn)一步降低液壓泵組振動(dòng)噪聲對液壓油站的影響。［結(jié)果］油站的振動(dòng)噪聲測試結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方法顯著降低了液壓油站振動(dòng)、噪聲指標(biāo)，其中液壓油站振動(dòng)加速度總級降低5.7 dB，空氣噪聲降低2 dB，［結(jié)論］為液壓系統(tǒng)減振降噪提供了較好的方法。

液壓油站；模態(tài)分析；振動(dòng)傳遞函數(shù)；減振降噪

0 引 言

液壓傳動(dòng)由于具備功率密度高、承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于船舶、工程機(jī)械、注塑機(jī)械、工業(yè)機(jī)械等高強(qiáng)度、大扭矩且使用空間受到限制的場合。使用空間和能量更是潛艇的重要資源，尤其是當(dāng)潛艇在潛航期間，有限的可供使用的能量需要高能效比的傳動(dòng)方案［1］。因此，目前艇上大部分高能耗設(shè)備均采取液壓傳動(dòng)的方案，液壓系統(tǒng)是全船保障系統(tǒng)的重要組成部分之一［2］。然而，由于工作機(jī)理的限制，液壓泵作為液壓傳動(dòng)的動(dòng)力源，存在明顯的壓力脈動(dòng)現(xiàn)象，該脈動(dòng)傳遞到管路與其他液壓設(shè)備，會(huì)引起管路與設(shè)備的振動(dòng)，是液壓系統(tǒng)主要的噪聲源。由于長期的振動(dòng)環(huán)境極易導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生故障，同時(shí)噪聲也會(huì)嚴(yán)重影響操作人員的健康，因此液壓系統(tǒng)的減振降噪一直是眾多學(xué)者研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域，在噪聲產(chǎn)生機(jī)理、液壓泵減振降噪設(shè)計(jì)等方面做了大量研究工作［3-5］。油箱作為液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)部件，由于其結(jié)構(gòu)簡單，且內(nèi)部不存在機(jī)械部件的相對運(yùn)動(dòng)，故受到的關(guān)注非常少。然而，隨著液壓系統(tǒng)朝著小型化、集成化的方向發(fā)展，往往將油箱、泵組、過濾器等設(shè)備集成設(shè)計(jì)，油箱既是液壓油的儲(chǔ)存元件，又作為泵組的安裝基座，是液壓泵組振動(dòng)傳遞到船體的重要路徑。因此，油箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與油站設(shè)備的合理布局對油站的減振降噪存在重要的意義。

目前，針對液壓站減振降噪的主要措施是選取低噪聲的設(shè)備、在泵組安裝底座增加彈性隔振元件等隔振措施、在泵組出油口增加蓄能器等具備緩沖性質(zhì)的元件降低流體脈動(dòng)［6-7］。這些措施雖然能有效降低油站的振動(dòng)噪聲指標(biāo)，但都是通過增加外部設(shè)備和提高設(shè)備振動(dòng)噪聲要求的方式，并未從振動(dòng)噪聲產(chǎn)生機(jī)理及傳遞路徑上優(yōu)化油箱自身的結(jié)構(gòu)及油站的布局。

模態(tài)分析與振動(dòng)傳遞函數(shù)分析作為振動(dòng)工程理論的一個(gè)重要分支，為各種產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能評估提供了強(qiáng)有力的工具，其可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往作為產(chǎn)品性能評估的有效標(biāo)準(zhǔn)［8］。本文將利用Hypermesh和Nastran建立液壓油箱箱體有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，通過采用模態(tài)疊加法尋找泵組與油箱基腳的最佳安裝位置，通過振動(dòng)傳遞函數(shù)分析方法指導(dǎo)油站箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而有效降低油站的振動(dòng)噪聲指標(biāo)。

1 油站模態(tài)分析

本文所設(shè)計(jì)的液壓油站包含2臺液壓泵組，2臺泵組互為備用以提高系統(tǒng)的可靠性。為達(dá)到集成化、小型化的設(shè)計(jì)目的，泵組采用半浸入的安裝方式安裝在油箱頂部。在滿足功能性和安裝空間的前提下，針對液壓油站，項(xiàng)目組提出了方形、H型及C型3種結(jié)構(gòu)形式，針對泵組，項(xiàng)目組提出了對角分布在油站頂部、集中分布在油站中部及如圖1所示分布形式3種泵組安裝分布形式，并利用模態(tài)分析法評估不同結(jié)構(gòu)形式及安裝位置的優(yōu)劣，最終確定采用如圖1所示的C型結(jié)構(gòu)形式及泵組分布形式，經(jīng)過模態(tài)分析—結(jié)構(gòu)改進(jìn)—模態(tài)分析的多次迭代對油站結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.1 建立液壓油站的有限元模型

有限元法是用來解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)問題的一種數(shù)值分析方法，是機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域中最重要的現(xiàn)代設(shè)計(jì)手段之一［9-10］。本文對油箱箱體三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，箱體采用板材與角鋼焊接而成，材料密度為7.9×103kg/m3，泊松比為0.3，彈性模量為2.1×105MPa。其中，結(jié)構(gòu)板由四邊形為主的殼單元組成，焊縫連接處采用RBE2剛性單元模擬，對泵組、冷卻器、油液在線綜合凈化裝置等附件采用集中質(zhì)量模擬，質(zhì)量參數(shù)采用設(shè)計(jì)值，質(zhì)心為其幾何中心，其連接采用RBE3單元。

在該有限元模型中，使用四面體單元對空氣和液壓油進(jìn)行模擬，液壓油與空氣的耦合采用共節(jié)點(diǎn)耦合。其中，液壓油與空氣的材料參數(shù)如表1所示。

表1 空氣介質(zhì)與液壓油介質(zhì)材料參數(shù)Table 1 Material parameters of air and hydraulic oil

油站模型的有限元網(wǎng)格模型如圖1所示，包括結(jié)構(gòu)模型和流體模型。模型單元以四邊形、四面體網(wǎng)格為主，部分結(jié)構(gòu)采用三角形網(wǎng)格和六面體網(wǎng)格，有限元模型基本信息如表2所示。

圖1 液壓油站有限元模型Fig.1 Finite element model of hydraulic power unit

表2 有限元模型基本信息Table 2 Finite element model parameters

1.2 液壓油站的有限元分析

模態(tài)分析用于確定系統(tǒng)的振動(dòng)特性，即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型［11-12］。本文通過該方法對油站的振動(dòng)噪聲特性進(jìn)行初步判斷和評價(jià)，根據(jù)前文所建立的有限元網(wǎng)格模型，將約束條件設(shè)置為自由狀態(tài)，利用Nastran求解器SOL103求解出油站200 Hz頻率以下的模態(tài)，采用模態(tài)疊加法對油站進(jìn)行模態(tài)分析。油站主要的全局模態(tài)振型如圖2所示，200 Hz頻率以下的模態(tài)疊加振型如圖3所示。

圖2 油站模型全局模態(tài)振型Fig.2 Overall vibration modes for hydraulic power unit

圖3 油站模型模態(tài)疊加振型分布Fig.3 Modal superposition distribution for hydraulic power unit

從油站全局模態(tài)振型分析結(jié)果可以看出，盡管經(jīng)過多輪迭代設(shè)計(jì)，但第14和22階模態(tài)對機(jī)腳1和機(jī)腳2的振動(dòng)仍起放大作用，可能導(dǎo)致該頻段振動(dòng)較大；從200 Hz頻率以下的模態(tài)疊加振型結(jié)果可以看出，機(jī)腳1，3，4和安裝點(diǎn)1，2處的振動(dòng)較小，表明該油站的機(jī)腳和泵組的安裝位置合理。

針對第14和22階模態(tài)對機(jī)腳1和機(jī)腳2的振動(dòng)起放大作用的問題，本文通過進(jìn)一步模態(tài)分析找到了影響油站振動(dòng)模態(tài)的薄弱位置，如圖4中顏色較深區(qū)域所示。針對薄弱區(qū)域加筋槽以提高其剛度，可進(jìn)一步降低油站振動(dòng)噪聲指標(biāo)。

圖4 油站弱點(diǎn)位置分布圖Fig.4 Structure weakness distribution for hydraulic power unit

2 油站振動(dòng)傳遞函數(shù)分析

振動(dòng)傳遞函數(shù)（Vibration Transfer Function，VTF）分析是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中振動(dòng)噪聲分析最重要的指標(biāo)之一［13］。在油站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，本文采取基于振動(dòng)傳遞函數(shù)法的結(jié)構(gòu)評估—優(yōu)化—再評估的設(shè)計(jì)策略。由前文分析可知，液壓泵是引起油站振動(dòng)噪聲的源頭。因此，在油站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)保證液壓泵安裝點(diǎn)到油站機(jī)腳處的振動(dòng)傳遞函數(shù)小于1（整個(gè)頻段內(nèi)85%曲線在1以下）。

2.1 振動(dòng)函數(shù)分析方法

采用1.1節(jié)所建立的有限元網(wǎng)格模型，設(shè)定約束條件為自由狀態(tài)，計(jì)算頻率范圍為10～1 000 Hz，步長為5 Hz，定義結(jié)構(gòu)阻尼為0.02，流體阻尼為0.3。在泵組安裝點(diǎn)1，2處施加一單位加速度的強(qiáng)迫激勵(lì)，安裝點(diǎn)位置如圖3所示。采用Nastran中SOL111進(jìn)行模態(tài)頻響求解，計(jì)算輸出機(jī)腳各位置的振動(dòng)。

2.2 振動(dòng)函數(shù)分析與評價(jià)

在滿油和空油2種狀態(tài)下，繪制泵組安裝點(diǎn)到油站8處機(jī)腳點(diǎn)的振動(dòng)傳遞函數(shù)，如圖5所示。

由圖5可知，安裝點(diǎn)1到油站機(jī)腳處的VTF在少部分低頻段區(qū)域和高頻段區(qū)域存在大于1的峰值；安裝點(diǎn)2到油站機(jī)腳處的VTF在多個(gè)低頻段區(qū)域內(nèi)存在大于1的峰值，同時(shí)在少部分高頻段區(qū)域也存在大于1的峰值。

圖5 油站模型的振動(dòng)傳遞函數(shù)曲線Fig.5 VTF for hydraulic power unit model

2.3 油站結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

如圖5所示，振動(dòng)傳遞函數(shù)在少部分低頻段區(qū)域存在最大值，分析該頻段下油站結(jié)構(gòu)的模態(tài)可知，其弱點(diǎn)位置在箱體下表面和內(nèi)側(cè)表面的過渡位置處，如圖6所示。

圖6 204 Hz下油站弱點(diǎn)位置分布圖Fig.6 Structure weakness distribution for hydraulic power unit at 204 Hz

根據(jù)以上分析，通過在油站表面弱點(diǎn)位置處增加加強(qiáng)筋對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，加強(qiáng)筋具體分布如圖7所示。其中，筋高度為10 mm，寬度為30～50 mm不等。

圖7 油站加強(qiáng)筋分布圖Fig.7 Reinforcing rib distribution for hydraulic power unit

計(jì)算空油狀態(tài)下優(yōu)化的油站VTF曲線，結(jié)果如圖8所示。從圖中可以看出，上述優(yōu)化方案能大幅降低VTF峰值，同時(shí)減少VTF大于1的頻率范圍。然而，由于油站整體質(zhì)量的限制，并不能通過增加更多的加強(qiáng)筋來提高薄弱處的強(qiáng)度，因此在低頻段存在少部分區(qū)域內(nèi)振動(dòng)傳遞函數(shù)大于1的區(qū)間。

圖8 加筋后油站模型的振動(dòng)傳遞函數(shù)曲線Fig.8 VTF for hydraulic power unit model with reinforcing ribs

3 油站噪聲測試結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)臺搭建

為驗(yàn)證油站減振降噪的效果，本文搭建了油站噪聲測試試驗(yàn)臺架。試驗(yàn)臺架主要由油箱箱體、2臺泵組、過濾器、液壓油冷卻器等組成。

3.2 測點(diǎn)布置

根據(jù)GJB4058-2000《艦船設(shè)備噪聲、振動(dòng)測量方法》，結(jié)合實(shí)際研究目標(biāo)制定油站振動(dòng)噪聲測試方案。如上文圖3所示，在油站機(jī)腳安裝螺栓附近布置8個(gè)垂直于安裝面的單向傳感器測試機(jī)腳振動(dòng)加速度級；在2個(gè)泵組的安裝平面、油站機(jī)腳6、機(jī)腳8處共布置4個(gè)三向傳感器測試設(shè)備振動(dòng)烈度，其中依次將機(jī)腳6、機(jī)腳8、左泵安裝平面、右泵安裝平面處的測點(diǎn)定義為測點(diǎn)1、測點(diǎn)2、測點(diǎn)5和測點(diǎn)6；空氣噪聲測量布置5個(gè)測點(diǎn)，分別位于設(shè)備四周和頂部。振動(dòng)測試傳感器和烈度測試傳感器的安裝方式如圖9所示。

圖9 油站振動(dòng)測點(diǎn)布置圖Fig.9 Layout of vibration signals for hydraulic power unit

3.3 測試工況

根據(jù)油站的實(shí)際需求，同時(shí)為全面評估油站減振降噪的效果，本文在以下3種不同工況下對油站進(jìn)行振動(dòng)噪聲測試，工況參數(shù)如表3所示。

表3 運(yùn)行工況Table 3 Working conditions

3.4 測試結(jié)果

本文利用4231型聲校準(zhǔn)器、4294型標(biāo)準(zhǔn)激勵(lì)器、4189-A-021型傳聲器組對油站進(jìn)行振動(dòng)噪聲測試。測試內(nèi)容包括：3種工況下泵組安裝位置與油站機(jī)腳振動(dòng)烈度測試、單開左泵工況下泵組安裝位置與油站機(jī)腳振動(dòng)加速度級測試、3種工況下油站空氣噪聲測試。本文利用3560D型噪聲振動(dòng)分析系統(tǒng)對測試結(jié)果進(jìn)行分析。

圖10所示為單開左泵、單開右泵和雙泵開啟這3種工況下的振動(dòng)烈度測試結(jié)果。從圖中可以看出，單開左泵和單開右泵時(shí)，測點(diǎn)1和測點(diǎn)2位置在y方向和z方向的振動(dòng)速度遠(yuǎn)小于泵組自身的振動(dòng)速度；雙泵同時(shí)開啟時(shí)，油站機(jī)腳處的振動(dòng)烈度在y方向和z方向的指標(biāo)也遠(yuǎn)小于泵組自身振動(dòng)速度。

圖10 油站振動(dòng)烈度測試結(jié)果Fig.10 Vibration intensity of hydraulic power unit

由于振動(dòng)傳遞機(jī)理相同，本文僅通過單開左泵工況下泵組安裝點(diǎn)1、安裝點(diǎn)2與油站機(jī)腳6和機(jī)腳8在3個(gè)頻段的平均振動(dòng)加速度級測試結(jié)果對油站減振效果進(jìn)行分析，測試結(jié)果如圖11所示。圖中：D-value 3和D-value 1分別代表機(jī)腳6與泵組安裝點(diǎn)1和安裝點(diǎn)2在3個(gè)頻段的平均振動(dòng)加速度級的差值，正值表示前者大于后者；D-value 2和D-value 4分別代表機(jī)腳8與泵組安裝點(diǎn)1和安裝點(diǎn)2在3個(gè)頻段的平均振動(dòng)加速度級的差值，正值表示前者大于后者。由圖11可以看出，機(jī)腳8處振動(dòng)加速度級在第1個(gè)頻段內(nèi)稍高于2個(gè)泵組安裝點(diǎn)處，在第2和第3個(gè)頻段則只略高于安裝點(diǎn)1處，這與2個(gè)安裝點(diǎn)到機(jī)腳8處VTF（圖8中棕色曲線）在第1個(gè)頻段存在較長區(qū)域明顯大于1的峰值，在第2和第3個(gè)頻段存在少部分大于1的峰值的現(xiàn)象一致；相比之下，盡管圖8所示的VTF也存在大于1的區(qū)間，但2個(gè)安裝點(diǎn)到機(jī)腳6處的VTF（藍(lán)色曲線）要明顯優(yōu)于到機(jī)腳8處的VTF，因此該處振動(dòng)加速度級小于泵組安裝點(diǎn)處。因此，基于VTF分析的設(shè)計(jì)方法有效優(yōu)化了泵組振動(dòng)到油站機(jī)腳的傳遞路徑，有效降低了泵組振動(dòng)對油站整體的影響。

圖11 油站振動(dòng)加速度級測試結(jié)果Fig.11 Vibration acceleration of hydraulic power unit

表4所示為油站和泵組的振動(dòng)噪聲測試結(jié)果。單開左泵情況下（工況1）油站平均加速度級比泵組加速度級降低8.8 dB，空氣噪聲降低4 dB；單開右泵情況下（工況2）油站平均加速度級比泵組加速度級降低8.7 dB，空氣噪聲降低1 dB。相對于以往同類產(chǎn)品，該油站加速度總級降低5.7 dB，空氣噪聲降低2 dB。

表4 振動(dòng)噪聲測試結(jié)果Table 4 Measuring results of vibration noise

4 結(jié) 語

1）本文建立了液壓油站的有限元模型，利用模態(tài)分析方法對液壓油站結(jié)構(gòu)及液壓泵組的安裝位置進(jìn)行評估，基于此，通過設(shè)計(jì)—評估—優(yōu)化的方法對油站整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2）通過對液壓油站噪聲源到油站機(jī)腳處的VTF進(jìn)行分析，得到油站結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，在控制設(shè)備質(zhì)量的前提下通過增加加強(qiáng)筋的方式增加油站薄弱環(huán)節(jié)剛度，使得VTF在大部分區(qū)間內(nèi)小于1，進(jìn)一步優(yōu)化了振動(dòng)傳遞路徑。

3）搭建了油站振動(dòng)噪聲測試試驗(yàn)臺，基于此對油站的振動(dòng)噪聲指標(biāo)進(jìn)行測試。油站振動(dòng)烈度、振動(dòng)加速度級測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合。油站振動(dòng)加速度總級測試比以往同類產(chǎn)品降低5.7 dB，空氣噪聲降低2 dB。

4）綜上，基于模態(tài)分析與傳遞函數(shù)分析的減振降噪設(shè)計(jì)方法可有效降低液壓油站振動(dòng)噪聲指標(biāo)，為液壓系統(tǒng)減振降噪提供了一種新的思路。

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Low-noise hydraulic power unit design based on vibration modal and transfer function analysis

SUN Yinghui，LI Zhiyin，LI Jia，PENG Wenbo
China Ship Development and design Center，Wuhan 430064，China

The hydraulic power unit is the power source of a hydraulic system,and also the source causing hydraulic system vibration and noise.In order to further reduce the vibration and noise level of hydraulic systems,this paper presents a low-noise hydraulic station design method based on modal analysis and Vibration Transfer Function（VTF） analysis.The finite element model of the hydraulic station is established,the mode of the oil station solved and the modal superposition method used to optimize the structure of the station and the installation position of the hydraulic pump.The optimal structure of the station and the improved installation location of the pump are obtained.The VTF is used to optimize the structure of the oil tank,and the influence of the pump vibration on the station is further reduced.The test results for vibration and noise show that the design method is effective in significantly reducing the vibration and noise of the hydraulic station.The vibration acceleration of the hydraulic station is reduced by 5.7 dB,and the air noise is reduced by 2 dB.In short,this paper provides a better way for reducing the vibration and noise of hydraulic systems.

hydraulic power unit；modal analysis；Vibration Transfer Function（VTF）；vibration and noise reduction

U664.84

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.04.009

http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20170727.1023.020.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

孫營輝，李志印，李佳，等.基于模態(tài)與振動(dòng)傳遞函數(shù)分析的低噪聲液壓站設(shè)計(jì)［J］.中國艦船研究，2017，12（4）：55-61.SUN Y H，LI Z Y，LI J，et al.Low-noise hydraulic power unit design based on vibration modal and transfer function analysis［J］.Chinese Journal of Ship Research，2017，12（4）：55-61.

2017-03-30< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：

時(shí)間：2017-7-27 10:23

國家部委基金資助項(xiàng)目

孫營輝（通信作者），男，1991年生，碩士，助理工程師。研究方向：船舶液壓系統(tǒng)，船舶保障系統(tǒng)。

E-mail：847237393@qq.com

李志印，男，1980年生，碩士，高級工程師。研究方向：船舶系統(tǒng)

李佳，女，1979年生，碩士，工程師。研究方向：船舶保障系統(tǒng)

彭文波，男，1966年生，碩士，研究員。研究方向：船舶系統(tǒng)