軸流式止回閥碰撞噪聲數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究

摘 "要""采用LMS Virtual. Lab聲學(xué)軟件研究軸流式止回閥在關(guān)閉瞬間的碰撞噪聲問題。研究結(jié)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(yīng)增大。同時進(jìn)行了鋼球撞擊鋼板的噪聲測試實(shí)驗(yàn)，并對比分析了實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的可靠性和可行性。該研究更好地了解閥門關(guān)閉時的工作狀態(tài)，有助于提高設(shè)備的安全性，可以針對性地改進(jìn)閥門，減少噪聲產(chǎn)生的可能性，提高設(shè)備性能。

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

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

軸流式止回閥因具有節(jié)流、止逆、流通能力好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于石油、石化、航天、城建等國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域[1]。隨著止回閥使用日益頻繁，人們對其運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性提出更高要求。止回閥頻繁啟閉會導(dǎo)致閥瓣振蕩，同時也會造成密封組件損壞，甚至引發(fā)沖擊噪聲，從而影響管路正常運(yùn)行。關(guān)閥瞬間，閥瓣與閥座發(fā)生碰撞沖擊，致使止回閥密封組件損毀、啟閉發(fā)生故障。而沖擊噪聲是由結(jié)構(gòu)零件受到?jīng)_擊載荷作用而產(chǎn)生的，閥瓣與閥座的碰撞沖擊過大，勢必會產(chǎn)生碰撞噪聲，故在閥門關(guān)閉時刻閥瓣與閥座之間高速碰撞引發(fā)的碰撞噪聲是止回閥對周圍人及機(jī)械設(shè)備造成危害的主要來源。該研究關(guān)系到設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

目前，大多學(xué)者專注于簡單結(jié)構(gòu)體的碰撞噪聲輻射問題。SEYBERT A F和SOENARKO B等通過推導(dǎo)邊界積分方程，成功計(jì)算出了任意形狀的結(jié)構(gòu)體在三維空間中的噪聲輻射，并通過多個例子證實(shí)了其理論模型的可靠性[2]。余愛萍等基于聲學(xué)相關(guān)理論，在不同的沖擊載荷下，研究了球殼的瞬態(tài)噪聲問題，并通過撰寫有關(guān)程序計(jì)算球殼瞬態(tài)噪聲，驗(yàn)證其理論模型[3]。WANG Y F和TONG Z F結(jié)合Hertz點(diǎn)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(shù)關(guān)系，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其準(zhǔn)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(chǎn)生的噪聲，基于此模型，預(yù)測了鋼板與擋板碰撞噪聲的輻射情況[5]。ROSS A和OSTIGUY G運(yùn)用解析模型研究了沖擊板的初始瞬態(tài)噪聲，結(jié)果表明：沖擊板的瞬態(tài)噪聲與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[6]。KITAGAWA T等通過測試設(shè)備測量了火車振動所產(chǎn)生的噪聲，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立了碰撞噪聲的理論模型，以研究火車經(jīng)過軌道接頭時碰撞噪聲的產(chǎn)生機(jī)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(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了冰箱抽屜碰撞噪聲的產(chǎn)生原因，并用實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析[10]。

綜合上述文獻(xiàn)可見，在結(jié)構(gòu)體的碰撞噪聲研究方面，大多學(xué)者拘泥于簡單結(jié)構(gòu)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(nèi)部件的撞擊噪聲更是少有研究，因此，筆者通過顯示動力學(xué)與瞬態(tài)邊界元相結(jié)合的方法，針對關(guān)閥瞬間閥瓣對閥座的沖擊噪聲輻射規(guī)律進(jìn)行深入研究，并進(jìn)行鋼球撞擊鋼板的撞擊噪聲實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證文中所采用的數(shù)值模擬方法的可靠性和可行性，為之后閥門結(jié)構(gòu)體沖擊噪聲的研究提供參考依據(jù)。

1""聲學(xué)理論計(jì)算方法

1.1 "模型及網(wǎng)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(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

1.2 "止回閥碰撞噪聲聲學(xué)計(jì)算原理

具體求解步驟為：對閥瓣-閥座碰撞振動位移進(jìn)行求導(dǎo)，獲得振動速度；應(yīng)用Helmholtz積分方程和邊界元法；最后，計(jì)算閥瓣和閥座表面及聲場內(nèi)各場點(diǎn)聲壓。場點(diǎn)聲壓[12]滿足：

其中，p（x）為場點(diǎn)聲壓，vn表面法向振速，（y）表面S上的任意點(diǎn)，x空間任意點(diǎn)，，，是三維空間格林函數(shù)。C（x）為實(shí)體角，若在輻射體內(nèi)，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(jié)構(gòu)的聲輻射響應(yīng)。結(jié)構(gòu)體噪聲計(jì)算結(jié)果通過各節(jié)點(diǎn)振動數(shù)據(jù)產(chǎn)生，很難使用解析法計(jì)算，因此，使用LMS Virtual.lab軟件和邊界元法計(jì)算止回閥閥瓣與閥座碰撞聲輻射響應(yīng)。

2""止回閥碰撞噪聲聲學(xué)邊界元模型

2.1""網(wǎng)格劃分

聲學(xué)網(wǎng)格單元尺寸根據(jù)最短波長確定，其最大單元的邊長應(yīng)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(yīng)小于最短波長的1/3，因此，聲學(xué)網(wǎng)格的單元尺寸為：

式中""c——噪聲在介質(zhì)中的傳播速度；

fmax——最大的計(jì)算頻率。

聲學(xué)網(wǎng)格、場點(diǎn)網(wǎng)格與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格圖如圖3所示。

2.2""監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置

止回閥瞬態(tài)邊界元聲場研究設(shè)置A、B、C、D、E、F6個監(jiān)測點(diǎn)，具體如圖4所示，選取各監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析，可得到各監(jiān)測點(diǎn)的聲壓級響應(yīng)曲線，進(jìn)而得到止回閥碰撞噪聲的輻射規(guī)律。

2.3""聲學(xué)求解關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置

聲學(xué)求解關(guān)鍵參數(shù)如下：

啟動平滑因子 "0

松弛因子 "12

CFL數(shù) "0.35

3 "仿真結(jié)果分析

3.1""碰撞聲學(xué)仿真結(jié)果分析

本研究的流體介質(zhì)為水，而軟件LMS Virtual.lab默認(rèn)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(jiān)測點(diǎn)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(jiān)測點(diǎn)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(kuò)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(dǎo)致聲壓幅值逐漸減小。

從圖6可知，輻射聲場中，各監(jiān)測點(diǎn)的聲壓級都呈現(xiàn)出一個明顯的主波峰，其峰值最大且持續(xù)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(chǎn)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(dǎo)致聲壓級也逐漸減小。但加速度發(fā)生變化產(chǎn)生的加速度噪聲在沖擊過程中持續(xù)存在，而沖擊結(jié)束后，閥瓣、閥座繼續(xù)振動產(chǎn)生的自鳴噪聲占據(jù)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(jiān)測點(diǎn)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(jiān)測點(diǎn)的聲壓級變化更加明顯，具體表現(xiàn)為：監(jiān)測點(diǎn)A靠近聲源，其峰值聲壓級為167.13"dB，監(jiān)測點(diǎn)B遠(yuǎn)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(jiān)測點(diǎn)A的聲壓級始終高于監(jiān)測點(diǎn)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(jiān)測點(diǎn)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(jiān)測點(diǎn)A的峰值聲壓級為167.13"dB，垂直于碰撞方向上，監(jiān)測點(diǎn)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(jié)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(guān)閉瞬間閥瓣與閥座碰撞噪聲大小的因素，有助于控制關(guān)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(tài)沖擊噪聲的關(guān)鍵因素。

分別對關(guān)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(jìn)行研究，并提取碰撞方向右側(cè)監(jiān)測點(diǎn)A的聲壓級時程曲線如圖7所示。

結(jié)合圖7與表1可知，沖擊速度與監(jiān)測點(diǎn)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??；此外，隨著沖擊速度的減小，監(jiān)測點(diǎn)的聲壓級值出現(xiàn)時間會滯后，但碰撞噪聲的持續(xù)時間幾乎不受影響，這是因?yàn)楫?dāng)閥瓣與閥座的碰撞距離不變時，沖擊速度減小會導(dǎo)致碰撞延遲，從而使碰撞噪聲的產(chǎn)生也滯后。

3.3""沖擊碰撞能量分析

碰撞的本質(zhì)是能量交換問題，在進(jìn)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(tǒng)，閥瓣、閥座在系統(tǒng)內(nèi)持續(xù)進(jìn)行能量傳遞和轉(zhuǎn)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(yùn)動速度變化、系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)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(yùn)動速度變化曲線如圖8所示，整個系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化結(jié)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(yùn)動速度從初速度減小到0，然后閥瓣運(yùn)動速度短時間內(nèi)從0分別降至穩(wěn)定的-4.9、-6.7、-7.9"m/s，閥瓣發(fā)生了反向運(yùn)動，即被反彈回去遠(yuǎn)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(dǎo)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(tǒng)的總能量、內(nèi)能、動能、沙漏能以及滑移能，由圖9可知，整個碰撞過程系統(tǒng)總能量基本不變；撞擊完成后，整個系統(tǒng)的動能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能，動能減少，內(nèi)能增加，且沖擊速度越大，系統(tǒng)動能越大，轉(zhuǎn)化成的內(nèi)能越多。在系統(tǒng)內(nèi)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(fù)，閥座一部分內(nèi)能又轉(zhuǎn)化成閥瓣的動能，發(fā)生反彈現(xiàn)象，直到閥瓣與閥座分離開，系統(tǒng)動能趨于穩(wěn)定，整體保持能量平衡，與圖8閥瓣運(yùn)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(jì)算程序造成干擾。從圖8可知，不管以多大的沖擊速度進(jìn)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(wěn)，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(chǎn)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(jié)果合理可信。

4 "實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1""實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?nèi)容與實(shí)驗(yàn)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(jìn)行鋼球撞擊鋼板的碰撞噪聲實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證文中碰撞噪聲數(shù)值模擬方法的可行性和可靠性。

本實(shí)驗(yàn)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(xué)檢測儀采集聲壓信號，最后與鋼球-鋼板碰撞聲學(xué)仿真結(jié)果做對比。

實(shí)驗(yàn)所用鋼球直徑分別為30、40、45"mm，鋼板厚度為30"mm。

4.2""實(shí)驗(yàn)裝置

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要組成部分包括動力系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、穩(wěn)壓系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)臺支架和噪聲采集系統(tǒng)。其中，為了確保實(shí)驗(yàn)所需的流量，動力系統(tǒng)采用了三泵并聯(lián)的方式，并配備了變頻器，以實(shí)現(xiàn)泵的變頻啟動和調(diào)節(jié)揚(yáng)程。穩(wěn)壓系統(tǒng)采用了主動加被動的穩(wěn)壓方法，以減少水泵振動產(chǎn)生的流體低頻脈動，并提供穩(wěn)定的流態(tài)；噪聲采集系統(tǒng)則采用SDT270超聲波噪聲檢測儀，以確保實(shí)驗(yàn)過程中噪聲采集的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)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(biāo)尺以及長度為2 m的開口管道。

實(shí)驗(yàn)原理：通過調(diào)節(jié)水泵，使管道中水的流速穩(wěn)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(shí)驗(yàn)簡易裝置如圖10所示，閥門檢測中心搭建好的實(shí)驗(yàn)臺如圖11所示。

4.3""鋼球-鋼板碰撞噪聲輻射數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)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(fā)生碰撞，引起鋼板振動，產(chǎn)生沖擊噪聲，其持續(xù)時間短，瞬態(tài)聲壓幅值高，故本實(shí)驗(yàn)將側(cè)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(diǎn)處的聲壓幅值。

為確保實(shí)驗(yàn)聲壓信號采集的可靠性，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，對直徑為30、40、45"mm的鋼球進(jìn)行了3次實(shí)驗(yàn)，每個直徑下鋼球得到3組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并取平均值，具體數(shù)據(jù)見表3。

由表3可知，3次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)差異較小，表明該實(shí)驗(yàn)具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。通過表4可知，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的聲壓級數(shù)據(jù)基本吻合，但仍然存在細(xì)微差異，其主要原因有：環(huán)境噪聲對輻射聲場的影響不可避免，當(dāng)鋼球與鋼板發(fā)生碰撞時，輻射噪聲的聲壓幅值越小，環(huán)境噪聲的影響就越敏感；整個實(shí)驗(yàn)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(jié)果可知，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相對誤差均不超過10%，符合工程計(jì)算所允許的誤差范圍，這表明瞬態(tài)邊界元模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測閥門碰撞噪聲的輻射聲場，從而驗(yàn)證了本文數(shù)值計(jì)算方法的可靠性。

5 "結(jié)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(kuò)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(diǎn)A靠近聲源，測點(diǎn)B遠(yuǎn)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(diǎn)A與測點(diǎn)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(diǎn)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(jiān)測點(diǎn)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(yīng)增大，且隨著閥瓣沖擊速度的增大，監(jiān)測點(diǎn)的聲壓級值出現(xiàn)時間會提前。

5.4 "通過閥瓣運(yùn)動速度變化與系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化可知，閥瓣運(yùn)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(nèi)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(tǒng)動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)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(shí)驗(yàn)，并與數(shù)值模擬結(jié)果做對比可知，鋼球直徑分別為30、40、45"mm時，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相對誤差分別為7.19%、7.69%、8.35%，均小于10%，符合工程計(jì)算所允許的誤差范圍，驗(yàn)證了文中數(shù)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(xiàng)目：甘肅省青年科技基金計(jì)劃（批準(zhǔn)號：22JR5RA297）資助的課題。

作者簡介：張希恒（1966-），副教授，從事閥門設(shè)計(jì)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(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究[J].化工機(jī)械，2024，51（6）：000-000.