軸流式止回閥碰撞噪聲數值模擬及實驗研究

摘 "要""采用LMS Virtual. Lab聲學軟件研究軸流式止回閥在關閉瞬間的碰撞噪聲問題。研究結果表明：碰撞噪聲具有明顯的方向性，碰撞方向上的聲壓級大于垂直于碰撞方向上的聲壓級；隨著閥瓣碰撞速度的增大，碰撞噪聲輻射聲壓級也相應增大。同時進行了鋼球撞擊鋼板的噪聲測試實驗，并對比分析了實驗結果與數值模擬結果，驗證了數值模擬方法的可靠性和可行性。該研究更好地了解閥門關閉時的工作狀態，有助于提高設備的安全性，可以針對性地改進閥門，減少噪聲產生的可能性，提高設備性能。

關鍵詞""軸流式止回閥""沖擊響應""碰撞噪聲""噪聲輻射" " " DOI：10.20031/j.cnki.0254-6094.202406011

中圖分類號""TH134 """""""""""""文獻標志碼""A"""""""""""""""文章編號 "0254-6094（2024）06-0000-00

軸流式止回閥因具有節流、止逆、流通能力好等優點，被廣泛應用于石油、石化、航天、城建等國民經濟領域[1]。隨著止回閥使用日益頻繁，人們對其運行穩定性和可靠性提出更高要求。止回閥頻繁啟閉會導致閥瓣振蕩，同時也會造成密封組件損壞，甚至引發沖擊噪聲，從而影響管路正常運行。關閥瞬間，閥瓣與閥座發生碰撞沖擊，致使止回閥密封組件損毀、啟閉發生故障。而沖擊噪聲是由結構零件受到沖擊載荷作用而產生的，閥瓣與閥座的碰撞沖擊過大，勢必會產生碰撞噪聲，故在閥門關閉時刻閥瓣與閥座之間高速碰撞引發的碰撞噪聲是止回閥對周圍人及機械設備造成危害的主要來源。該研究關系到設備運行的穩定性和可靠性。

目前，大多學者專注于簡單結構體的碰撞噪聲輻射問題。SEYBERT A F和SOENARKO B等通過推導邊界積分方程，成功計算出了任意形狀的結構體在三維空間中的噪聲輻射，并通過多個例子證實了其理論模型的可靠性[2]。余愛萍等基于聲學相關理論，在不同的沖擊載荷下，研究了球殼的瞬態噪聲問題，并通過撰寫有關程序計算球殼瞬態噪聲，驗證其理論模型[3]。WANG Y F和TONG Z F結合Hertz點接觸理論和圓柱體聲波方程，針對兩圓柱體間的碰撞聲場建立了聲壓時程函數關系，并通過實驗驗證了其準確性[4]。MEHRABY K等提出了一種理論模型，用于研究鋼板自動剪裁過程中鋼板與擋板碰撞所產生的噪聲，基于此模型，預測了鋼板與擋板碰撞噪聲的輻射情況[5]。ROSS A和OSTIGUY G運用解析模型研究了沖擊板的初始瞬態噪聲，結果表明：沖擊板的瞬態噪聲與其結構密切相關[6]。KITAGAWA T等通過測試設備測量了火車振動所產生的噪聲，并根據實驗結果建立了碰撞噪聲的理論模型，以研究火車經過軌道接頭時碰撞噪聲的產生機理[7]。邵忍平等研究了齒輪嚙合沖擊過程中，齒輪加工偏差和彈性形變對沖擊的影響，并估算其加速度噪聲[8，9]。李語亭等通過理論與實驗相結合的方法，研究了冰箱抽屜碰撞噪聲的產生原因，并用實驗結果驗證了理論分析[10]。

綜合上述文獻可見，在結構體的碰撞噪聲研究方面，大多學者拘泥于簡單結構體或是艦船車體等外部件的碰撞噪聲輻射問題，而對閥門方面的沖擊噪聲研究極少，尤其是閥門內部件的撞擊噪聲更是少有研究，因此，筆者通過顯示動力學與瞬態邊界元相結合的方法，針對關閥瞬間閥瓣對閥座的沖擊噪聲輻射規律進行深入研究，并進行鋼球撞擊鋼板的撞擊噪聲實驗，驗證文中所采用的數值模擬方法的可靠性和可行性，為之后閥門結構體沖擊噪聲的研究提供參考依據。

1""聲學理論計算方法

1.1 "模型及網格劃分

軸流式止回閥的三維模型如圖1所示，本研究為了解決閥瓣與閥座之間的碰撞問題，因此只保留閥瓣與閥座部分進行網格劃分，如圖2所示。

1.2 "止回閥碰撞噪聲聲學計算原理

具體求解步驟為：對閥瓣-閥座碰撞振動位移進行求導，獲得振動速度；應用Helmholtz積分方程和邊界元法；最后，計算閥瓣和閥座表面及聲場內各場點聲壓。場點聲壓[12]滿足：

其中，p（x）為場點聲壓，vn表面法向振速，（y）表面S上的任意點，x空間任意點，，，是三維空間格林函數。C（x）為實體角，若在輻射體內，則C（x）=0；若x在輻射體外，即在聲場空間，則C（x）=1；若x在輻射體表面，則C（x）=0.5。

通過邊界元法，將振動體表面分割成N個單元，得到離散的Helmholtz積分方程：

該公式可獲得止回閥結構的聲輻射響應。結構體噪聲計算結果通過各節點振動數據產生，很難使用解析法計算，因此，使用LMS Virtual.lab軟件和邊界元法計算止回閥閥瓣與閥座碰撞聲輻射響應。

2""止回閥碰撞噪聲聲學邊界元模型

2.1""網格劃分

聲學網格單元尺寸根據最短波長確定，其最大單元的邊長應該小于最短波長的1/6，而對于二次單元，最大單元的邊長則應小于最短波長的1/3，因此，聲學網格的單元尺寸為：

式中""c——噪聲在介質中的傳播速度；

fmax——最大的計算頻率。

聲學網格、場點網格與結構網格圖如圖3所示。

2.2""監測點設置

止回閥瞬態邊界元聲場研究設置A、B、C、D、E、F6個監測點，具體如圖4所示，選取各監測點進行數據采集分析，可得到各監測點的聲壓級響應曲線，進而得到止回閥碰撞噪聲的輻射規律。

2.3""聲學求解關鍵參數設置

聲學求解關鍵參數如下：

啟動平滑因子 "0

松弛因子 "12

CFL數 "0.35

3 "仿真結果分析

3.1""碰撞聲學仿真結果分析

本研究的流體介質為水，而軟件LMS Virtual.lab默認為空氣的參考聲壓，因此需要將其改為水的參考聲壓（1×10-6"Pa）。監測點的分布如圖2所示，圖5展示了閥瓣與閥座的碰撞噪聲輻射聲壓級分布云圖，圖6給出了碰撞噪聲輻射聲場中不同位置監測點的聲壓級曲線。

從圖5可知，閥瓣與閥座碰撞過程中，以閥瓣、閥座表面振動為噪聲源，從碰撞接觸面開始，噪聲輻射聲波逐漸以圓弧形狀向四周擴散，并且在同一聲輻射方向上，碰撞噪聲輻射聲壓級對稱分布，且碰撞噪聲具有明顯的方向性，聲壓幅值在碰撞方向上較大，在垂直于碰撞方向上較小。此外，隨著輻射聲波的傳播，碰撞噪聲的能量會逐漸耗散，導致聲壓幅值逐漸減小。

從圖6可知，輻射聲場中，各監測點的聲壓級都呈現出一個明顯的主波峰，其峰值最大且持續時間短，隨后，聲壓級幅值逐漸減小。主波峰的形成主要源于閥瓣與閥座接觸碰撞時產生的振動加速度，隨著閥瓣與閥座的分離，振動加速度逐漸減小，導致聲壓級也逐漸減小。但加速度發生變化產生的加速度噪聲在沖擊過程中持續存在，而沖擊結束后，閥瓣、閥座繼續振動產生的自鳴噪聲占據了碰撞輻射噪聲能量的絕大部分。

從圖6a、b、c可知，同一聲輻射方向上，隨著監測點到聲源的距離增加，輻射聲場的聲壓級逐漸降低，且在碰撞方向上，監測點的聲壓級變化更加明顯，具體表現為：監測點A靠近聲源，其峰值聲壓級為167.13"dB，監測點B遠離聲源，其峰值聲壓級為163.3"dB，越靠近聲源，聲壓級越高。并在整個沖擊過程中，監測點A的聲壓級始終高于監測點B的聲壓級。而且，隨著距離的增加，聲壓幅值衰減的速度也逐漸減緩。監測點A、D在不同聲輻射方向上且距離相同，由圖6d可知，碰撞方向上，監測點A的峰值聲壓級為167.13"dB，垂直于碰撞方向上，監測點D的峰值聲壓級為151.1"dB，這表明碰撞噪聲輻射聲場具有方向性，即沿著碰撞方向聲壓級大，而垂直于碰撞方向聲壓級較小。這與圖5所示聲壓級分布云圖的結論相符。

3.2""沖擊速度對碰撞噪聲輻射影響分析

研究影響止回閥關閉瞬間閥瓣與閥座碰撞噪聲大小的因素，有助于控制關閥碰撞噪聲。撞擊速度是載荷作用時長的決定性因素，故閥瓣的撞擊速度是影響瞬態沖擊噪聲的關鍵因素。

分別對關閥瞬間閥瓣沖擊速度為10.93、13.47、15.37"m/s的碰撞噪聲輻射聲場進行研究，并提取碰撞方向右側監測點A的聲壓級時程曲線如圖7所示。

結合圖7與表1可知，沖擊速度與監測點聲壓級成正比。隨著沖擊速度的減小，整個沖擊過程的聲壓級幅值也減小；此外，隨著沖擊速度的減小，監測點的聲壓級值出現時間會滯后，但碰撞噪聲的持續時間幾乎不受影響，這是因為當閥瓣與閥座的碰撞距離不變時，沖擊速度減小會導致碰撞延遲，從而使碰撞噪聲的產生也滯后。

3.3""沖擊碰撞能量分析

碰撞的本質是能量交換問題，在進行閥瓣與閥座碰撞問題的能量分析時，將閥瓣和閥座視作一個系統，閥瓣、閥座在系統內持續進行能量傳遞和轉化，其主要的能量來源為初速度動能。因此，以沖擊初速度10.93、13.47、15.37"m/s作為邊界條件，從閥瓣運動速度變化、系統能量轉化兩方面探究碰撞過程能量損耗情況。止回閥碰撞過程閥瓣運動速度變化曲線如圖8所示，整個系統能量轉化結果如圖9所示。

從圖8看出，閥瓣以不同的初速度撞擊閥座后，閥瓣運動速度從初速度減小到0，然后閥瓣運動速度短時間內從0分別降至穩定的-4.9、-6.7、-7.9"m/s，閥瓣發生了反向運動，即被反彈回去遠離閥座，同時說明接觸碰撞后，閥瓣仍然存在一定的動能；此外，沖擊速度越大，碰撞后的反彈速度越大，在碰撞過程中，會導致更多的能量耗散。

碰撞過程能量變化曲線通常要查看碰撞系統的總能量、內能、動能、沙漏能以及滑移能，由圖9可知，整個碰撞過程系統總能量基本不變；撞擊完成后，整個系統的動能轉變為內能，動能減少，內能增加，且沖擊速度越大，系統動能越大，轉化成的內能越多。在系統內能最大，動能最小時，閥座既有塑性變形又有彈性變形，隨后彈性變形開始恢復，閥座一部分內能又轉化成閥瓣的動能，發生反彈現象，直到閥瓣與閥座分離開，系統動能趨于穩定，整體保持能量平衡，與圖8閥瓣運動速度隨時間變化曲線相符。

沙漏能的主要作用是防止沙漏力對計算程序造成干擾。從圖8可知，不管以多大的沖擊速度進行仿真，最大沙漏能均在0.02"MJ左右，而且沙漏能曲線非常平穩，符合最大沙漏小于總能量5%的要求。

滑移能也是能量消耗中的一部分，本次仿真的滑移能主要是閥瓣與閥座碰撞時產生相對滑移形成，從圖9可知，滑移能曲線平滑，由表2可知，最大滑移能均不超過總能量的10%，說明仿真結果合理可信。

4 "實驗驗證

4.1""實驗目的、內容與實驗對象

筆者以不同直徑鋼球豎直下落撞擊鋼板的情形為例，進行鋼球撞擊鋼板的碰撞噪聲實驗，以驗證文中碰撞噪聲數值模擬方法的可行性和可靠性。

本實驗測量時通過在開口管上端部釋放鋼球，并在鋼板處采用SDT270聲學檢測儀采集聲壓信號，最后與鋼球-鋼板碰撞聲學仿真結果做對比。

實驗所用鋼球直徑分別為30、40、45"mm，鋼板厚度為30"mm。

4.2""實驗裝置

該實驗系統的主要組成部分包括動力系統、電源系統、穩壓系統、實驗臺支架和噪聲采集系統。其中，為了確保實驗所需的流量，動力系統采用了三泵并聯的方式，并配備了變頻器，以實現泵的變頻啟動和調節揚程。穩壓系統采用了主動加被動的穩壓方法，以減少水泵振動產生的流體低頻脈動，并提供穩定的流態；噪聲采集系統則采用SDT270超聲波噪聲檢測儀，以確保實驗過程中噪聲采集的準確性。實驗器材包括不同直徑的鋼球、與鋼球具有相同材料屬性的鋼板、法蘭、供水管道、標尺以及長度為2 m的開口管道。

實驗原理：通過調節水泵，使管道中水的流速穩定在0.7"m/s，并在保證水不會從開口管道上端噴出的情況下，通過釋放鋼球使其豎直下落并撞擊鋼板，將傳感器放置在鋼板處以確保SDT270能夠檢測到噪聲并從顯示屏上讀取聲壓幅值。實驗簡易裝置如圖10所示，閥門檢測中心搭建好的實驗臺如圖11所示。

4.3""鋼球-鋼板碰撞噪聲輻射數值模擬與實驗結果分析

碰撞噪聲的危害一般是撞擊瞬間的噪聲峰值太大造成，鋼球與鋼板發生碰撞，引起鋼板振動，產生沖擊噪聲，其持續時間短，瞬態聲壓幅值高，故本實驗將側重采集鋼球鋼板碰撞瞬間的聲壓幅值，將傳感器放置在鋼板處，確保采集聲壓為撞擊點處的聲壓幅值。

為確保實驗聲壓信號采集的可靠性，在相同的實驗條件下，對直徑為30、40、45"mm的鋼球進行了3次實驗，每個直徑下鋼球得到3組實驗數據，并取平均值，具體數據見表3。

由表3可知，3次實驗數據差異較小，表明該實驗具有較高的穩定性和可靠性。通過表4可知，實驗結果與數值模擬結果的聲壓級數據基本吻合，但仍然存在細微差異，其主要原因有：環境噪聲對輻射聲場的影響不可避免，當鋼球與鋼板發生碰撞時，輻射噪聲的聲壓幅值越小，環境噪聲的影響就越敏感；整個實驗過程中都有聲波的反射作用。

通過表4中的相對誤差分析結果可知，數值計算結果與實驗結果的相對誤差均不超過10%，符合工程計算所允許的誤差范圍，這表明瞬態邊界元模型能夠準確預測閥門碰撞噪聲的輻射聲場，從而驗證了本文數值計算方法的可靠性。

5 "結論

5.1 "從碰撞接觸面開始，閥瓣與閥座碰撞噪聲輻射聲波逐漸向四周呈圓弧形狀擴散，且在同一聲輻射方向上，碰撞噪聲輻射聲壓級對稱分布；碰撞噪聲具有明顯的方向性，聲壓幅值在碰撞方向上較大，在垂直于碰撞方向上較小。

5.2 "同一聲輻射方向上，測點A靠近聲源，測點B遠離聲源，其峰值聲壓級分別為167.13、163.3"dB，不同聲輻射方向上，與聲源等距的測點A與測點D的峰值聲壓級分別為167.13、151.1"dB，因此，在同輻射方向上，靠近聲源的測點聲壓級高，不同輻射方向上，碰撞方向上的聲壓級大于垂直于碰撞方向上的聲壓級。

5.3 "閥瓣沖擊速度分別為10.93、13.47、15.37"m/s條件下，監測點A峰值聲壓級分別為167.13、178.06、193.41"dB，隨著閥瓣沖擊速度的增大，碰撞噪聲輻射聲壓級也相應增大，且隨著閥瓣沖擊速度的增大，監測點的聲壓級值出現時間會提前。

5.4 "通過閥瓣運動速度變化與系統能量轉化可知，閥瓣運動速度首先從初速度分別為10.93、13.47、15.37"m/s減小到0，然后短時間內從0分別降至-4.9、-6.7、-7.9"m/s，閥瓣被反彈，且沖擊速度越大，反彈速度越大，能量耗散越多；整個碰撞過程，總能量基本不變，系統動能轉化為內能，始終遵循能量守恒。

5.5 "鋼球豎直下落撞擊鋼板的撞噪聲實驗，并與數值模擬結果做對比可知，鋼球直徑分別為30、40、45"mm時，實驗結果與數值模擬結果相對誤差分別為7.19%、7.69%、8.35%，均小于10%，符合工程計算所允許的誤差范圍，驗證了文中數值模擬方法的可靠性和可行性。

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（收稿日期：2024-01-24，修回日期：2024-11-13）

基金項目：甘肅省青年科技基金計劃（批準號：22JR5RA297）資助的課題。

作者簡介：張希恒（1966-），副教授，從事閥門設計與密封，zhangxhdm@163.com。

引用本文：張希恒，趙昕宇，陳新超，等.軸流式止回閥碰撞噪聲數值模擬及實驗研究[J].化工機械，2024，51（6）：000-000.