低噪聲閥門設(shè)計原理及閥門噪聲控制

麻曉榮 馬尚才

(大眾閥門集團(tuán)能源股份有限公司，浙江 溫州 325105)

1 低噪聲閥門設(shè)計思路

首先，需要優(yōu)化閥門的結(jié)構(gòu)，設(shè)計人員在設(shè)計閥門結(jié)構(gòu)的過程中，而閥門結(jié)構(gòu)通暢性達(dá)不到保障的情況下，就極其容易發(fā)生障礙物堵塞的現(xiàn)象，進(jìn)而引起噪聲的產(chǎn)生；其次，需要對閥門的零件進(jìn)行優(yōu)化，在設(shè)計閥門結(jié)構(gòu)的過程中，為了能夠降低氣體紊流現(xiàn)象發(fā)生的概率，設(shè)計人員可以將帶有平行窄槽的閥籠投入其中進(jìn)行使用，這樣就可以很好地控制由于氣體動力而出現(xiàn)的噪聲。為了能夠降低閥門中的噪聲傳播，設(shè)計人員可以設(shè)置能夠減弱閥門噪聲傳播的設(shè)施。通過對閥門的運行環(huán)境進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)閥體壁和流體是閥門噪聲傳播的主要途徑。

2 振動和噪聲特性

靜流元件對閥門振動噪聲影響很大。無靜流元件的閥門具有中低壓比時，閥門的壓力比與閥門震動和噪聲的水平高低是成正反比的，壓力越大，閥門的震動速度就會越小。而靜流元件對于降低閥門震動和噪聲水平有著非常重要的作用，運用完靜流元件之后，發(fā)現(xiàn)最大的震動速度降低了18mm/s。而在高壓比比較高的狀況下，閥門振動速度也得到了降低。通過相關(guān)分析表明，在沒有運用靜態(tài)流量元件的過程中，閥頭和閥座組成的環(huán)形通道中，極其容易發(fā)生閥流量，而在這種現(xiàn)象下閥座內(nèi)的流場逐漸地不穩(wěn)定。而在安裝完靜流量元件之后，靜流量原件就完全地吸收了閥門流量，閥座內(nèi)的流場也不會出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，同時噪聲和震動的現(xiàn)象也可以得到緩解。但是，在這種情況下，如果靜態(tài)流元素的開口比較小，而壁厚又比較大的情況下，閥門的壓力就會逐步消失。(1)閥門的相對升降需要進(jìn)行一定的控制，當(dāng)相對升降達(dá)到30%的情況下，閥門就會處于完全打開的狀態(tài)。而靜流量元件對于這種現(xiàn)象具有較好的調(diào)節(jié)作用，閥門的流量特性曲線線性就可以處于較好的狀態(tài)，但是閥門流量的能力就會隨之得到降低，在這種情況下，空氣損失是比較大的。(2)用靜流量元件安裝球閥后，當(dāng)小壓力降低時，閥門的振動特性比未安裝靜流量元件時明顯降低，整個閥門顯示出較好的減振效果。

3 閥腔聲共振分析

在閥門出入口的另一端設(shè)置聲監(jiān)測點，將無流量和無聲源與閥門內(nèi)白色噪聲表面進(jìn)行比較，同一閥門監(jiān)測點處的聲壓譜曲線和線譜頻率重疊。(1)通過相關(guān)數(shù)值模擬確認(rèn)所用的小孔消聲裝置的主要降噪機(jī)理：將原閥中形成的單組高速射流分離，將帶有小孔消聲裝置的改進(jìn)閥與每個流動方向上的每個孔分離。(2)原有閥和改進(jìn)閥的輸入輸出噪聲譜是具有多個絕緣線路譜的連續(xù)寬帶譜，連續(xù)帶寬譜強(qiáng)度根據(jù)湍流脈沖譜特性從低頻到高頻減小。絕緣線路頻譜是閥門腔聲共振引起的，在聲共振頻率下，寬帶流量噪聲是“采集”的，得到了顯著改善。事實上，全閥噪聲的聲級總大小是由不同絕緣線路頻譜的高度決定的，本文還通過控制流量噪聲的共振，給出了思路和方法，從而降低噪聲。隨著流速的增加，每種頻率(尤其是高頻段)的聲音強(qiáng)度都會增加。(3)為了確定流量噪聲源及其形成機(jī)理，應(yīng)結(jié)合這些分析，對閥門流量主要噪聲源的位置和形成機(jī)理進(jìn)行深入分析，特別是通過q值和r值的分布以及POD流模式分析，實現(xiàn)匹配。為便于實施機(jī)構(gòu)分析和相關(guān)聲源定位，設(shè)計了用于顯示Lighthill等效聲源分布的嵌入式fluent模塊和用于POD分析的集成Matlab模塊，以驗證其是否適合。

4 閥門試驗臺振動與噪聲消除方法

在閥門試驗臺一旦出現(xiàn)震動和噪聲的現(xiàn)象下，相關(guān)工作人員需要根據(jù)原因進(jìn)行及時地操作。下面我們將詳細(xì)地分析閥門試驗臺震動與噪聲消除的方法：(1)液壓泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)和吸氣線需要相關(guān)設(shè)計人員給予較強(qiáng)的重視，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，盡可能地減少管道狹窄和彎曲的現(xiàn)象發(fā)生，否則將會導(dǎo)致產(chǎn)生低壓區(qū)。同時在實際運用閥門實驗臺的過程中，液壓泵和進(jìn)氣管必須合理設(shè)計，避免“空氣堵塞”。(2)在選擇材料的過程中也要根據(jù)實際施工狀況進(jìn)行選擇，不斷地提升機(jī)械的強(qiáng)度，從而達(dá)到提升閥門實驗臺質(zhì)量的目的。在選擇液壓泵和液壓馬達(dá)材料過程中，良好的材料可以有效地防止磨削、刮削、齒面修剪、活塞死亡和不規(guī)則運動的發(fā)生。(3)當(dāng)關(guān)閉板兩側(cè)的排氣槽打開時，當(dāng)封閉腔體積減小時，左側(cè)的排氣槽連接到機(jī)油壓力室；音量增大時，右側(cè)的排氣孔與吸油腔相連。(4)提高零件安裝的精度，降低閥門試驗臺的振動與噪聲也是非常有效的。如果在進(jìn)行安裝的過程中沒有加以重視，那么液壓馬達(dá)的質(zhì)量就會受到影響，進(jìn)而就會加大閥門試驗臺的噪聲和震動。只有重視液壓泵和液壓馬達(dá)不加安裝的精度，閥門試驗臺的安裝質(zhì)量才能夠得到提升，閥門試驗臺的震動和噪聲發(fā)生的現(xiàn)象也會得到緩解。(5)選擇質(zhì)量優(yōu)等的閥門。(6)液壓泵和閥門在管上的位置也需要設(shè)計師給予一定的重視，只有合理地安排好這兩者的位置，并按照相關(guān)的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行工作，閥門實驗臺的質(zhì)量就會得到提升。

5 實驗結(jié)果分析

氣動控制閥最常見的故障是控制閥、氣動執(zhí)行器、定位器和外部故障?？筛鶕?jù)噪聲信號的統(tǒng)計特性檢測氣動調(diào)節(jié)閥故障，自動相關(guān)功能中斷點確定故障發(fā)生的時間，完成氣動調(diào)節(jié)閥故障檢測。氣動調(diào)節(jié)閥正常工作時，氣動調(diào)節(jié)閥的輸入信號以正弦信號開始，以常數(shù)0.5開始。1800s，以更大的正弦信號結(jié)束。當(dāng)氣動控制閥鎖定900s時，杠桿的位移也變?yōu)?.5的常數(shù)。因此，如果直接觀察過程信號，就會出現(xiàn)檢驗損失，錯誤地認(rèn)為故障狀態(tài)下的調(diào)節(jié)閥仍在工作，無法發(fā)出預(yù)警?；谠肼暤墓收蠙z測分析能夠檢測到這些故障，這些故障可以通過與調(diào)節(jié)閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的工藝噪聲以及控制閥結(jié)構(gòu)及其工藝噪聲的變化來檢測。一些噪聲特性可用于故障檢測。從統(tǒng)計角度看，提取噪聲信號的自相關(guān)功能特性可用作故障檢測的特征值。噪聲分析的最大好處是成本低，適合于工業(yè)場所的實時診斷。

6 結(jié)語

在流體管路的整個系統(tǒng)中，閥門是其中最重要，也是最普通的一個控制單元，特別是在工業(yè)與生活中被廣泛地應(yīng)用，閥門主要是控制管路內(nèi)流體的壓力、流量和流向。所以，閥門的設(shè)計和制造工作是非常重要的，是否能夠控制好整體結(jié)構(gòu)以及流動損失是閥門的主要表現(xiàn)形式。如果閥門在開啟和關(guān)閉的情況下流體經(jīng)過閥門，那么流體的流動狀態(tài)就會受到影響，整體的閥門實驗臺就會逐漸出現(xiàn)噪聲、振動等問題，這也是由于閥門內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特點所導(dǎo)致的，這也是閥門容易失控或者損壞的原因。所以，只有不斷地控制閥門的特點、優(yōu)化閥門設(shè)計，這樣對于控制振動和噪聲的發(fā)生都是十分有利的。