鏟運(yùn)機(jī)液壓系統(tǒng)振動和噪聲控制方法

郝志軍

(中國煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

液壓系統(tǒng)在煤礦車輛、機(jī)械等設(shè)備上使用廣泛。管路是液壓系統(tǒng)主要的功率傳遞途徑，是設(shè)備的“血管”。防爆鏟運(yùn)機(jī)作為連采后的配套設(shè)備，主要在煤礦井下連采工作面用于清理浮煤、搬運(yùn)材料等工作。鏟運(yùn)機(jī)的工作執(zhí)行機(jī)構(gòu)多以液壓為動力，包括多個工作回路和冷卻回路。但鏟運(yùn)機(jī)的工作環(huán)境往往光線較差，路面狀況也崎嶇不平，給鏟運(yùn)機(jī)的正常工作帶來多種不可控的因素。液壓系統(tǒng)是影響車輛正常工作的關(guān)鍵。液壓系統(tǒng)任何一個回路的故障都可能引發(fā)鏟運(yùn)機(jī)散熱不良、工作機(jī)構(gòu)泄壓等問題。在實際使用中，鏟運(yùn)機(jī)液壓系統(tǒng)的故障多表現(xiàn)為管路松動、脫落、泄漏及振動和異響。管路松動、脫落、泄漏為液壓系統(tǒng)故障的外在表現(xiàn)，此類故障往往容易解決。但振動和異響一般需要找出深層次的原因才能解決。

1 液壓系統(tǒng)振動和噪聲造成的危害

液壓系統(tǒng)振動和噪聲對鏟運(yùn)機(jī)造成的危害可歸結(jié)為：

1) 鏟運(yùn)機(jī)液壓系統(tǒng)的工作性能下降，縮短了液壓元件的使用壽命。

2) 影響鏟運(yùn)機(jī)的工作效率，嚴(yán)重時引起主要液壓元件的損壞。

3) 強(qiáng)烈振動容易造成管路的疲勞損傷和諧振失穩(wěn)，加劇磨損，導(dǎo)致管路接頭松脫，產(chǎn)生漏油，甚至有可能造成高壓油意外噴出帶來設(shè)備和人身事故。

4) 伴隨著振動產(chǎn)生的噪聲將惡化工人的勞動條件，引起司機(jī)疲勞，影響聽力，危害人身健康。

5) 危險信號和指揮信號被強(qiáng)噪聲淹沒，容易造成意外事故。

由此，對鏟運(yùn)機(jī)液壓系統(tǒng)的振動和噪聲進(jìn)行機(jī)制分析。

2 液壓系統(tǒng)振動和噪聲的產(chǎn)生原因

2.1 泵電動機(jī)的轉(zhuǎn)動

鏟運(yùn)機(jī)的液壓系統(tǒng)由油泵電動機(jī)驅(qū)動。有測試表明隨著泵電動機(jī)轉(zhuǎn)速的增大，油泵表面的振動越來越大，液壓管路的振動也越來越強(qiáng)烈。甚至還有可能存在頻率耦合，引發(fā)泵電動機(jī)和油泵產(chǎn)生共振現(xiàn)象[1]。

2.2 液壓泵的工作

液壓泵作為鏟運(yùn)機(jī)液壓系統(tǒng)的動力源，其產(chǎn)生振動主要有以下3點原因：

1) 受齒輪泵結(jié)構(gòu)及流量脈動影響，勢必引起泵出口及管路的壓力脈動，兩者相互影響，在管路中形成多種耦合作用的流量脈動。這種特有的流量脈動與壓力脈動必然將產(chǎn)生流體噪聲。

2) 液壓泵內(nèi)產(chǎn)生的氣穴和氣蝕會在系統(tǒng)中形成瞬時高頻脈沖振動，再次受流固耦合作用影響，逐漸衍生為隨機(jī)性強(qiáng)、寬頻域的振動波。

3) 在液壓泵工作過程中，齒輪的轉(zhuǎn)動帶動各機(jī)械組件相互作用,激發(fā)產(chǎn)生復(fù)雜的機(jī)械振動，促進(jìn)與泵內(nèi)液體流量形成復(fù)雜的流固耦合振動。

在鏟運(yùn)機(jī)液壓系統(tǒng)中，液壓泵作為主要噪聲源，其噪聲量約占整個液壓系統(tǒng)噪聲的75%左右，主要由泵的流量和壓力的周期性變化及氣穴氣蝕現(xiàn)象引起[2]。

2.3 液壓系統(tǒng)中元件和介質(zhì)作用

鏟運(yùn)機(jī)液壓系統(tǒng)中的吸油過濾器、回油過濾器、蓄能器、液壓油缸、液壓閥組、管路等元件均具有液容、液阻及液感特性，會在液壓系統(tǒng)中產(chǎn)生強(qiáng)烈的非線性作用。由于液體的來回流動進(jìn)一步導(dǎo)致更為復(fù)雜的振動；且執(zhí)行機(jī)構(gòu)受到載荷的作用力，安裝連接部分受到基礎(chǔ)和減振支架的作用，會以強(qiáng)迫激勵的方式作用到液壓管路和流體流動中，產(chǎn)生更為復(fù)雜的流體振動。

在鏟運(yùn)機(jī)液壓系統(tǒng)中，電磁換向控制閥的突然打開或突然關(guān)閉造成液壓沖擊,是引起振動和噪聲的主要原因。如電磁換向閥快速切換使控制行駛方向的油路突然關(guān)閉或使油液流動突然換向，以及電磁閥突然打開而使液壓泵卸荷，都會產(chǎn)生瞬間的液壓沖擊。一般電磁閥的動作時間為0.08～0.12 s。由于快速切換，由高壓轉(zhuǎn)換低壓，引起液壓能量快速釋放，造成管內(nèi)液流壓力劇烈波動，并以接近聲速沿著管道方向傳播。當(dāng)傳到液壓油缸、閥組或其他大的液壓容腔時，就會引起這些環(huán)節(jié)產(chǎn)生液流沖擊，造成撞擊、振動和噪聲現(xiàn)象。

2.4 液壓管路存在的振動和噪聲

液壓管路管壁振動和內(nèi)部流體脈動都以振動波的形式傳遞。由于管路和流體的固有振動結(jié)合回沖振動，會在管路中形成駐波效應(yīng)，且管路中會產(chǎn)生復(fù)雜的三維湍流流動，導(dǎo)致更加復(fù)雜的振動。

鏟運(yùn)機(jī)需要適應(yīng)不同的工況，需要經(jīng)常改變液壓系統(tǒng)的工作狀態(tài)，例如電磁閥的開啟、泵的啟動、行走驅(qū)動及工作機(jī)構(gòu)動作等。在這些狀況下,液壓系統(tǒng)由原工作狀態(tài)發(fā)生瞬間的變化，由一個穩(wěn)定的狀態(tài)過渡到另一個新的狀態(tài)。然而，就在這個短暫的時間內(nèi)，管道內(nèi)將產(chǎn)生沖擊波，會產(chǎn)生油液的持續(xù)振蕩。在液流管路長度正好等于發(fā)生共振的管路長度時，液壓系統(tǒng)就會產(chǎn)生強(qiáng)烈的高頻噪聲。

2.5 氣穴現(xiàn)象產(chǎn)生噪聲

液壓系統(tǒng)中產(chǎn)生氣穴主要是由于有5%左右的空氣溶解在油液中或形成小氣泡混雜在油液中，當(dāng)空氣溶解量達(dá)到一定真空度時便會出現(xiàn)過飽和現(xiàn)象，并開始逐漸分解釋放出空氣。當(dāng)液壓系統(tǒng)中局部壓力變化到油的“空氣分離壓”時(如圖1所示)，則油液內(nèi)溶解的空氣會大量分離出來，成為氣泡而產(chǎn)生空穴現(xiàn)象。氣泡隨著油液經(jīng)管道進(jìn)入高壓區(qū)，由于高壓作用，氣泡會被擠壓破裂，體積迅速縮小，在液壓管路或其他局部范圍內(nèi)產(chǎn)生幅值很大的高頻沖擊波，使管路產(chǎn)生劇烈振動，激發(fā)高頻噪聲。

圖1 空氣分離壓與空氣溶解量的關(guān)系

3 鏟運(yùn)機(jī)振動和噪聲控制方法

針對液壓系統(tǒng)的振動和噪聲，研究人員主要采用理論分析、數(shù)學(xué)建模、動力學(xué)分析和NVH分析等手段進(jìn)行模擬分析，并采用搭建試驗臺的方式進(jìn)行驗證。針對鏟運(yùn)機(jī)的振動和噪聲的控制，主要有以下幾種控制方法。

3.1 選擇合理的管道約束方式

液壓管路的振動和噪聲與振動的性質(zhì)、振幅、管道長度、管徑、管路支承方式及管道材質(zhì)等因素有關(guān)。這些因素相互作用，很難用準(zhǔn)確的計算方法來確定。為了防止管道和液流的共振，且考慮流固耦合作用對管道的固有頻率產(chǎn)生的影響，通常其影響因數(shù)為70%～85%[3]，將管道系統(tǒng)的固有頻率控制在液壓脈動振動頻率的1/3～3倍范圍之外。

可采用在振動大的位置加支撐架固定或改變閥體的安裝方向等，都可降低管路系統(tǒng)的振動。在管道系統(tǒng)上安裝支承時，應(yīng)盡量設(shè)在堅固牢靠的機(jī)架上。該方式屬于被動控制方式，還可以使用主動控制、半主動控制和混合振動控制等策略[4]。

3.2 增加過載保護(hù)元件

鏟運(yùn)機(jī)前進(jìn)和后退行駛是由隔爆電磁鐵的換向來實現(xiàn)的，其操作機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的是階躍信號，要求換向迅速、靈敏，而且在換向處不能緩慢關(guān)閉?？梢圆捎眠^載保護(hù)的溢流閥或安全閥，以減少沖擊對其他元件的損害，如圖2所示。鏟運(yùn)機(jī)采用的蓄能器可以增加液壓系統(tǒng)的瞬時功率。當(dāng)液壓沖擊發(fā)生時，蓄能器也可起到過載保護(hù)作用，減少管道的振動和對閥組的沖擊。

1-安全閥； 2-節(jié)流閥； 3-換向閥； 4-油缸。

3.3 增加回油保護(hù)

鏟運(yùn)機(jī)的振動和噪聲主要采用以上3種方法進(jìn)行解決。

對鏟運(yùn)機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn),在鏟運(yùn)機(jī)電磁換向閥后增加了節(jié)流閥,如圖3所示。為了驗證改進(jìn)后電磁閥后壓力的變化，利用壓力傳感器對其壓力進(jìn)行了測量，測量結(jié)果如圖4所示。同時在第7秒時關(guān)閉電磁換向閥開關(guān)。改進(jìn)之前,壓力直接從10.0 MPa降至0.5 MPa左右，振動產(chǎn)生的噪聲約為95 db(A)；改進(jìn)之后,壓力從10.0 MPa先降至3.7 MPa左右，然后逐漸降至0 MPa，振動產(chǎn)生的噪聲降至53 db(A)，這證明增加節(jié)流閥達(dá)到了預(yù)期的效果。

圖3 鏟運(yùn)機(jī)液壓系統(tǒng)采用的改進(jìn)方法

圖4 改進(jìn)前后電磁閥后壓力對比

4 結(jié)論

針對鏟運(yùn)機(jī)液壓系統(tǒng)在使用過程中產(chǎn)生振動的特點，對液壓管路重新進(jìn)行合理布置，增加溢流閥防止過載，增加節(jié)流閥加強(qiáng)保護(hù)，有效地解決了斷電關(guān)閉換向閥后油管產(chǎn)生的噪聲和振動問題。在斷電停車時，噪聲由原先的95 db(A)降至53 db(A)，證明此方法是可行的。