某型液壓舵機主泵振動與噪音原因分析

莫崇君

摘?要：文章針對艦船用某型液壓舵機大負載工況下運行至極限舵角時，出現的主油泵振動和噪聲過大問題，分析了產生振動和噪聲的各種可能。通過試驗驗證、實物拆檢等方法逐一進行分析排除，最終得出泵本身存在質量問題，同時也有系統設計上的不足。

關鍵詞：舵機;液壓泵;振動;沖擊

目前大多艦船所使用的舵裝置主要由舵及其支承、舵機、操舵儀三大部分組成，舵機是舵裝置的執行部分，是艦船上的重要設備，對艦船的生命力影響至關重要。

舵機按照結構形式和控制方式的不同分為很多種，本文所述液壓舵機為撥叉式液壓舵機，采用的是閉式變量泵泵控系統。

本文所述液壓舵機按照試驗程序進行臺架負載試驗過程中，當舵機在大負載工況下運行至極限轉舵角（左舵35°或右舵35°）后換向時，舵機主油泵出現振動和噪音，表現為主泵的冷卻油回油管（圖中序號2所示軟管，以下簡稱冷卻回油管）出現抖動和噪音。舵角在35°時外加負載最大，0°時最小，現就冷卻回油管出現抖動和噪音的原因進行分析。

主泵出現振動和噪音，可能是泵本身的質量原因引起的，可能是系統設計上存在缺陷所造成，也有可能是操作不當或使用不當所導致，原因還可能是多方面的。

為了查找原因，首先進行低負載工況下的功能試驗，試驗結果正常，說明液壓系統的基本功能能夠實現，管路連接正確。然后對液壓油進行化驗，油品正確，油液清潔度符合規定，結果正常。因此，排除操作不當或使用不當造成故障的可能性。

由于液壓設備在低負載下的功能試驗沒有問題，且在高負載工況下試驗的過程當中也沒有出現故障，只是在高負載工況下液體換向（設備換向引起液體換向）的瞬時出現冷卻回油管的振動和噪音，由此可以斷定這是一起典型的由于液壓沖擊引起設備故障的案例。

液壓沖擊在液壓系統中是難免的，在液壓系統管道內流動的液體由于快速換向或突然啟閉各種閥，出現瞬時壓力值突增，這種現象就是液壓沖擊。液壓沖擊會使系統的瞬時壓力比正常工作壓力大好幾倍，產生巨大的振動和噪聲，油溫迅速升高，損壞密封裝置、管件等部件。

產生液壓沖擊的原因：

（1）管道內瞬時速度的變化。

（2）液壓元件靈敏度不高。

（3）溢流閥運行滯后，不能及時開啟，造成超調。

（4）限壓變量泵壓力升高，流量不能及時減小。

（5）控制閥關閉后，高速遠動部件在慣性力的作用下任繼續運動，需要一段時間才能完全停止。在這種情況下，系統壓力會迅速瞬間上升，造成液壓沖擊。

在試驗過程中，我們發現，當舵運行至極限舵角后立即回舵，冷卻回油管的振動和噪音更加明顯;當舵運行至極限舵角后停留一段時間再回舵，冷卻回油管的振動和噪音明顯減弱，說明該舵機的液壓系統在舵機快速換向引起液壓沖擊，特別是大負載下快速換向時會產生更嚴重的液壓沖擊。

由于主油路的補油與主泵的冷卻采用的是同一個輔泵，而舵機在大負載工況下大角度換向時，主泵所受的沖擊較大，其泄漏量在瞬時會有所增加，勢必造成冷卻油的瞬間減少，也會造成一定的沖擊。試驗過程中我們還發現，若取消主泵的冷卻（即將圖中的冷卻進油管件1直接接回油箱），其它條件不變，主泵的冷卻回油管的振動和噪音有所改善，即說明換向瞬間冷卻油的沖擊對主泵的振動和噪音的產生也有一定的影響。

液壓系統若混入空氣，也是產生振動和噪音的一個重要原因。系統中混入空氣有多個渠道，最主要的有兩種，一種是吸油管吸入空氣，另一種是設備拆裝后混入空氣。設備拆裝后混入空氣一般可通過系統中設置的放氣閥進行排除，泵的吸油管吸入空氣則會造成連續不斷的振動和噪聲，現象很明顯，與本文所述想象明顯不同。排除吸油管吸入空氣的可能。

液壓系統中的溶入空氣一般情況下不會對系統造成影響。若溶入空氣形成氣穴，則會對系統造成教大的影響。

一般礦物油中都溶解有6%-12%體積的空氣，當管路的壓力低于空氣分離壓力時，溶解于液體中的空氣就被分離出來，以氣泡的形式存在于液體中，在油中占據一定的空間，使油液變得不連續，這就是我們所說的氣穴（又稱空穴）現象。氣穴使液壓系統工作性能惡化、容積效率降低、損壞零件、縮短管道機械壽命，使系統壓力和流量受到影響，還會造成液壓沖擊、振動與噪聲等不利現象。

從后來主泵的拆解來看，主泵的缸體和配流盤均有不同程度的損壞，重新測量主泵的容積效率，容積效率有較明顯下降，說明系統中存在氣穴與氣蝕的可能性較大。因此，氣穴與氣蝕現象是液壓系統不可忽視的一個重要現象。

另外還分析了主泵本身質量原因造成其振動和噪音過大的可能性。前面提到，液壓系統由于各種原因，有時不可避免的會存在液壓沖擊，會存在一定的氣穴與氣蝕現象，若泵本身存在質量問題將不能承受，很快就會毀壞，出現容積效率降低，產生振動與噪音，壓力升不上來等居多現象。

本文中所用主泵為通軸式軸向柱塞泵，采用斜盤變量。該類型泵的缸體與配流盤間有相對滑動，是瞬間密封，因此要求表面光潔、加工精度高。為了避免配流盤燒壞，要求滑動面間有一定的油膜，缸體與配流盤間的比壓、比功不能超過材料的允許值。因此該類型泵的最大缺點就是抗污染能力差，缸體上的缸孔分布圓直徑較大，滑動速度較高，缸體傾覆力矩由主軸承受，因而軸徑較大。

在試驗過程中，我們還發現一個重要現象，就是冷卻回油管出現振動和噪音的同時，補油泵的壓力下降明顯，說明需要大量的油液補充到主油路中。若不考慮泄漏，閉式系統是不需要補油的，而現在需要大量補油，造成冷卻油路瞬時斷流。將主泵的冷卻油直接接回油箱，觀察主泵泄油管，此時發現換向瞬間主泵的泄漏量很大，該現象極不正常，說明補油泵起了彌補主泵大量泄漏的作用。通過分析，主泵在換向瞬間發生大量泄油的原因只有是主泵的配流盤在主泵換向的瞬間與缸體脫開，形成空隙，主系統的油通過此空隙漏到主泵殼體內。主泵的配流盤與缸體脫開，即是主泵的軸向定位不夠穩定，換向瞬間軸向發生位移。

由此分析，引起該液壓舵機主泵出現過大振動和噪音的原因可能是多方面的，且可能是幾個方面綜合影響的結果。有泵自身的質量問題，也有系統設計上的不足。要減少液壓設備的故障，首先要從液壓元件上入手，要選用靈敏度高，質量可靠的產品，在系統設計時要充分考慮液壓沖擊、氣穴和氣蝕可能產生的嚴重后果，盡量從系統設計上防止和減小液壓沖擊，防止氣穴與氣蝕的產生。