基于元件緩沖方法的低噪聲試驗(yàn)液壓站系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何曦光， 彭利坤， 陳軍奧

(海軍工程大學(xué)艦船動(dòng)力工程軍隊(duì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430033)

基于元件緩沖方法的低噪聲試驗(yàn)液壓站系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何曦光， 彭利坤， 陳軍奧

(海軍工程大學(xué)艦船動(dòng)力工程軍隊(duì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430033)

針對(duì)船舶液壓站的部分關(guān)鍵閥件二次噪聲治理問題，基于元件緩沖方法設(shè)計(jì)了一種低噪聲試驗(yàn)液壓站系統(tǒng)樣機(jī)，在樣機(jī)的二次噪聲源閥件處并聯(lián)設(shè)置緩沖性試驗(yàn)元件。在同一實(shí)船工況下，通過分別單獨(dú)使用普通元件和緩沖元件完成系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)，經(jīng)傳感器采集對(duì)應(yīng)壓力及流量變化曲線，并進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證緩沖元件的減振降噪效果。試驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足性能指標(biāo)要求。

液壓站； 低噪聲試驗(yàn)； 緩沖元件； 測(cè)控系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)是船舶關(guān)鍵的輔助機(jī)械系統(tǒng)之一，由泵電機(jī)、液壓泵、各類閥件、輔助元件以及工作介質(zhì)組成，大量全船性執(zhí)行器的工作由其供油驅(qū)動(dòng)。隨著液壓技術(shù)向高壓、大功率等方向發(fā)展，船舶液壓系統(tǒng)的振動(dòng)與噪聲不僅影響系統(tǒng)性能和壽命，還會(huì)導(dǎo)致液壓機(jī)械、附件和管路損壞。液壓站是液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，用于給全船液壓執(zhí)行器提供動(dòng)力源，其主動(dòng)力元件(電機(jī)、泵等)的啟停、卸荷將產(chǎn)生系統(tǒng)內(nèi)的一次噪聲；壓力油通過管道流動(dòng)，當(dāng)流經(jīng)閥件內(nèi)部復(fù)雜的流體通道或遇到閥件換向時(shí)，流動(dòng)狀態(tài)會(huì)發(fā)生急劇變化并產(chǎn)生空化現(xiàn)象，誘發(fā)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(jié)構(gòu)及艙室內(nèi)，對(duì)船機(jī)電設(shè)備造成損害，并對(duì)船上人員的工作和生活造成不利影響[1]。

針對(duì)船舶液壓系統(tǒng)的噪聲治理問題，國內(nèi)外學(xué)者在振源元件的結(jié)構(gòu)及控制特性優(yōu)化上進(jìn)行了一些研究。李偉剛等[2]通過電機(jī)、泵等的動(dòng)平衡試驗(yàn)避免共振，并通過選取振動(dòng)隔振器以及增大閥件的附件質(zhì)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(jìn)行主動(dòng)降噪。英國國防調(diào)研局Kartha[4]利用內(nèi)部裝有1/3壓電復(fù)合材料作動(dòng)器的主動(dòng)Helmholtz共振腔大大降低了管道體的流體脈動(dòng)；Maillard[5]設(shè)計(jì)了一種非插入式結(jié)構(gòu)作動(dòng)器，用來控制艦船管道系統(tǒng)的流體脈動(dòng)，發(fā)現(xiàn)圓環(huán)狀厚型壓電作動(dòng)器作用在管壁上產(chǎn)生軸對(duì)稱的平面波，在徑向與流體脈動(dòng)耦合，從而衰減流體脈動(dòng)。

為驗(yàn)證各類減振元件在實(shí)船液壓系統(tǒng)正常工況下工程應(yīng)用效果，筆者基于元件緩沖方法設(shè)計(jì)了一種低噪聲試驗(yàn)液壓站系統(tǒng)，模擬某型船舶液壓動(dòng)力站進(jìn)行試驗(yàn)系統(tǒng)搭建，在截止止回閥及電磁溢流閥等二次振源處增設(shè)了緩沖試驗(yàn)元件，完成相應(yīng)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并通過比對(duì)性的減振降噪試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 低噪聲試驗(yàn)液壓站系統(tǒng)樣機(jī)設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)及性能指標(biāo)要求

樣機(jī)設(shè)計(jì)完全模擬實(shí)船工況，平臺(tái)供油壓力范圍為8～12 MPa，系統(tǒng)壓力峰值不超過10 MPa；流量不能出現(xiàn)突變，平均流量在8 L/min之內(nèi)；液壓油采用46號(hào)抗磨液壓油，黏度等級(jí)為N32；液壓氣瓶壓力10 MPa，容積400 L。

1.2 樣機(jī)組成

樣機(jī)由油源與測(cè)控系統(tǒng)組成：前者用于模擬船舶液壓站；后者用于油源部分的監(jiān)控以及壓力、流量等數(shù)據(jù)采集。油源部分包括油箱、電機(jī)、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(cè)控部分由就地控制箱、測(cè)控臺(tái)及安裝在油源部分的傳感器組成。其中：上位機(jī)與PLC安裝在測(cè)控臺(tái)內(nèi)；就地控制箱內(nèi)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(duì)油泵進(jìn)行啟?？刂啤y(cè)控臺(tái)通過航插、配套航插及電纜與就地控制箱及傳感器進(jìn)行連接。

1.3 技術(shù)方案

筆者設(shè)計(jì)的液壓站可進(jìn)行緩沖止回閥、緩沖卸荷閥2個(gè)元件的減振降噪試驗(yàn)。

緩沖止回閥由液控單向閥和阻尼孔構(gòu)成，阻尼孔連接液控單向閥的液控口和進(jìn)油口，其工作原理為：當(dāng)油液正向流動(dòng)時(shí)，液控單向閥打開，油液正常通過；當(dāng)油液反向流動(dòng)時(shí)，由于阻尼孔的節(jié)流作用，液控單向閥將會(huì)緩慢關(guān)閉，從而避免了單向閥在油液換向時(shí)因突然關(guān)閉而產(chǎn)生壓力沖擊。

緩沖溢流閥由溢流閥、電磁換向閥、節(jié)流閥構(gòu)成，其工作原理為：當(dāng)卸荷換向閥未開啟時(shí)，緩沖溢流閥與普通溢流閥功能相同，起到溢流保持壓力穩(wěn)定的作用；當(dāng)卸荷換向閥打開后，溢流閥的先導(dǎo)油路與節(jié)流閥接通，在節(jié)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(yù)防系統(tǒng)管路中的壓力振蕩。

在緩沖元件油路進(jìn)出口處各配置1個(gè)三通頭，用于安裝壓力傳感器以測(cè)量元件前、后管路油壓，驗(yàn)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(dú)連入系統(tǒng)并進(jìn)行試驗(yàn)，在原有元件和試驗(yàn)元件進(jìn)出口處加設(shè)4個(gè)截止閥，分別用1、2、3、4表示；在油泵的排油口(測(cè)壓點(diǎn)1)、止回閥的輸出口(測(cè)壓點(diǎn)2)、系統(tǒng)回油管路(測(cè)壓點(diǎn)3)以及系統(tǒng)壓力總管處分別安裝4個(gè)壓力傳感器，對(duì)管路油壓進(jìn)行測(cè)量；且在系統(tǒng)壓力總管處安裝了流量傳感器，可進(jìn)行系統(tǒng)流量測(cè)量；管路安裝了氣動(dòng)活塞式蓄能器，并在其缸體內(nèi)安裝了3個(gè)行程開關(guān)，分別對(duì)壓力油充滿、充放和放空進(jìn)行狀態(tài)信號(hào)采集；在回油總管處設(shè)置了手動(dòng)壓力調(diào)節(jié)閥，用于模擬負(fù)載設(shè)置一定的背壓。低噪聲試驗(yàn)液壓站工作原理如圖1所示。

圖1 低噪聲試驗(yàn)液壓站工作原理

正常供油時(shí)，氣動(dòng)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(fù)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(shí)，電機(jī)停止或卸荷閥打開，使螺桿泵卸荷空載運(yùn)行。低噪聲試驗(yàn)液壓站工況如表1所示。

表1 低噪聲試驗(yàn)液壓站工況

油源在工作時(shí)，測(cè)控臺(tái)PLC通過信號(hào)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(tài)等信號(hào)，根據(jù)邏輯判斷更新就地控制箱面板上的信號(hào)燈狀態(tài)，同時(shí)通過控制箱的接觸器、繼電器動(dòng)作完成油泵和卸荷閥控制。與此同時(shí)，PLC通過485通信線將數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)。另外，上位機(jī)亦配備了數(shù)據(jù)采集卡，通過其模擬量輸入端口AI采集3個(gè)測(cè)壓點(diǎn)的壓力以及回油管路流量數(shù)據(jù)。上位機(jī)采用LabVIEW軟件編寫界面程序，實(shí)時(shí)顯示油源各傳感器數(shù)值及油泵、卸荷閥的工作狀態(tài)。

2 測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件組成

為了提高測(cè)控效率，系統(tǒng)采取星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)“一主兩從”控制模式，即上位機(jī)同時(shí)與PLC以及數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行通信[7]。測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖2 測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 軟件設(shè)計(jì)

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

液壓站測(cè)控臺(tái)PLC的I區(qū)和AI區(qū)用于采集油管油壓、蓄能器活塞位置以及油泵電機(jī)啟停狀態(tài)信號(hào)；Q區(qū)產(chǎn)生開關(guān)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(tài)顯示；V區(qū)用于存放本機(jī)與上位機(jī)之間發(fā)送以及接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)。

PLC主程序模塊在首次掃描時(shí)完成參數(shù)和通信初始化，同時(shí)不斷采集油管油壓、油泵電機(jī)啟停狀態(tài)、蓄能器活塞位置、就地控制箱接觸器觸點(diǎn)狀態(tài)等信號(hào)。采集完成后，將數(shù)據(jù)送至發(fā)送緩沖區(qū)，并經(jīng)信號(hào)線更新就地控制箱蓄能器狀態(tài)指示燈，同時(shí)完成對(duì)卸荷閥通斷的控制。在參數(shù)初始化中，設(shè)置了PLC端口0定時(shí)中斷的時(shí)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(jī)的通信模式。發(fā)送完成時(shí)產(chǎn)生1號(hào)中斷，接收完成時(shí)產(chǎn)生0號(hào)中斷。PLC工作流程如圖3所示。

圖3 PLC工作流程

PLC與上位機(jī)通過端口0進(jìn)行通信。接收開始時(shí)，PLC進(jìn)行5個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)頭判斷，而后從VB400開始進(jìn)行存儲(chǔ)。發(fā)送的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)從VB500開始，將蓄能器活塞位置、油泵電機(jī)啟停狀態(tài)以及油管壓力等數(shù)據(jù)上傳；發(fā)送時(shí)，序列末尾設(shè)置了與接收數(shù)據(jù)相同的5個(gè)校驗(yàn)字；發(fā)送完成后，允許繼續(xù)接收數(shù)據(jù)。

上位機(jī)采用LabVIEW軟件編寫界面程序，通過VISA I/O API函數(shù)進(jìn)行端口號(hào)、波特率以及停止位、校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位的配置，經(jīng)延時(shí)后進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取、校驗(yàn)，最后轉(zhuǎn)換為布爾量，經(jīng)面板進(jìn)行液壓站的狀態(tài)顯示。與此同時(shí)，上位機(jī)通過數(shù)據(jù)采集卡采集3個(gè)測(cè)壓點(diǎn)的油壓及回油管路流量信號(hào)，經(jīng)相應(yīng)的處理及轉(zhuǎn)換后在面板進(jìn)行顯示。上位機(jī)工作流程如圖4所示。

圖4 上位機(jī)工作流程

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

在液壓泵站油箱充滿油、蓄能器各行程開關(guān)動(dòng)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(jìn)行試驗(yàn)。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(yàn)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(yàn)液壓站

3.1 緩沖止回閥減振降噪試驗(yàn)

該試驗(yàn)包括普通止回閥和緩沖止回閥2個(gè)減振降噪試驗(yàn)，采用流量傳感器采集系統(tǒng)的流量數(shù)據(jù)，通過比較2個(gè)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)來驗(yàn)證緩沖止回閥的減振降噪效果。

首先，進(jìn)行普通止回閥減振降噪試驗(yàn)。試驗(yàn)開始前，打開普通止回閥前的截止閥3，關(guān)閉緩沖止回閥前的截止閥4，使普通止回閥接入系統(tǒng)。此時(shí)蓄能器處于未充滿狀態(tài)，啟動(dòng)電機(jī)并使液壓站處于連續(xù)工作狀態(tài)，由于系統(tǒng)壓力在極短時(shí)間內(nèi)由0 MPa上升到10 MPa，瞬間產(chǎn)生較大的壓力沖擊，流量產(chǎn)生較快突變。通過測(cè)控系統(tǒng)采集一個(gè)時(shí)間段內(nèi)的流量數(shù)據(jù)，其變化曲線如圖8所示。

圖8 未加裝緩沖止回閥時(shí)系統(tǒng)流量變化曲線

其次，進(jìn)行緩沖止回閥減振降噪試驗(yàn)。關(guān)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(tǒng)。在與普通止回閥減振降噪試驗(yàn)相同的系統(tǒng)工況下，啟動(dòng)油泵進(jìn)行升壓，通過測(cè)控系統(tǒng)采集相同時(shí)間段內(nèi)的流量數(shù)據(jù)，其變化曲線如圖9所示。

圖9 加裝緩沖止回閥時(shí)系統(tǒng)流量變化曲線

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

3.2 緩沖卸荷閥減振降噪試驗(yàn)

該試驗(yàn)包括普通卸荷溢流閥和緩沖卸荷溢流閥2個(gè)減振降噪試驗(yàn)，通過測(cè)控臺(tái)對(duì)測(cè)壓點(diǎn)1的壓力進(jìn)行采集，通過比較2個(gè)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)來驗(yàn)證緩沖卸荷溢流閥的減振降噪效果。

首先，進(jìn)行普通卸荷溢流閥減振降噪試驗(yàn)。試驗(yàn)開始前，打開普通卸荷溢流閥前的截止閥2，關(guān)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(tǒng)，此時(shí)蓄能器處于未充滿狀態(tài)，啟動(dòng)電機(jī)并使液壓站處于連續(xù)工作狀態(tài)；當(dāng)蓄能器中的液壓油達(dá)到設(shè)定壓力后，卸荷溢流閥打開，螺桿泵卸荷，此時(shí)卸荷溢流閥前后的壓差極大，會(huì)產(chǎn)生氣蝕噪聲、螺旋脫離聲及高頻自激振蕩噪聲。通過測(cè)控系統(tǒng)檢測(cè)并記錄一個(gè)時(shí)間段內(nèi)測(cè)壓點(diǎn)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(shí)系統(tǒng)壓力變化曲線

其次，進(jìn)行緩沖卸荷溢流閥減振降噪試驗(yàn)。試驗(yàn)開始前，關(guān)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(tǒng)。在與普通卸荷溢流閥減振降噪試驗(yàn)相同的系統(tǒng)工況下，啟動(dòng)油泵進(jìn)行升壓，經(jīng)測(cè)控系統(tǒng)記錄測(cè)壓點(diǎn)1在相同時(shí)間段內(nèi)的壓力，其變化曲線如圖11所示。

圖11 加裝緩沖卸荷閥時(shí)系統(tǒng)壓力變化曲線

由圖10、11可知：在加裝緩沖卸荷閥后，系統(tǒng)的振動(dòng)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(guān)閉，從而減弱了系統(tǒng)的壓力振蕩。

4 結(jié)論

筆者基于元件緩沖方法設(shè)計(jì)了一種低噪聲試驗(yàn)用液壓站系統(tǒng)，在振源處安裝了緩沖元件，在實(shí)船工況下單獨(dú)接入普通元件和緩沖元件，分別采集對(duì)應(yīng)壓力和流量變化曲線，對(duì)緩沖元件的減振降噪效果進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明：緩沖元件有效抑制了管路振動(dòng)，系統(tǒng)壓力及流量均在設(shè)定范圍之內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)性能指標(biāo)要求。由于在試驗(yàn)中并未直接測(cè)量管路振動(dòng)與噪聲，下一步將在試驗(yàn)中加裝振動(dòng)測(cè)試儀和測(cè)噪儀，結(jié)合壓力、流量等數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)噪聲進(jìn)行綜合分析，提出實(shí)船液壓系統(tǒng)減振降噪方案。

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(責(zé)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