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關於柱塞泵的流體噪聲研究

2017-04-05 10:33:35      點擊:

流體噪聲研究主要圍繞著柱塞泵的壓力衝擊和流量脈動的瞬變過程進行數學建模及相應的試驗測試研究。
20世紀60年代,前蘇聯學者ZAICHENKO等對柱塞腔壓力進行數學建模,模型中考慮油液的可壓縮性、泄漏以及阻尼槽的節流作用。受當時條件限製,模型沒有求解。該模型比較粗糙,誤差較大,後人經試驗驗證在實際壓力超調為1.3MPa時,模型預測隻有0.1MPa,隨著壓力和轉速提高,誤差還會增大;模型無法對油液倒灌引起的壓力振動過程進行預測。
20世紀70年代中期,日本學者YAMAUCHI等首次通過試驗實現對柱塞腔壓力的測試,得到了柱塞腔瞬時壓力的時間函數模型,為後人進行柱塞腔壓力測試提供了參考。YAMAUCHI等在理論分析時忽略油液泄漏,對非線性項進行了線性化近似,通過差分方法實現對數學模型求解。
到20世紀70年代末,英國巴斯大學(UniversityofBath)提出將泵視作一個流量脈動源和泵源阻抗的並聯組合,並將二者的乘積作為液壓栗流體噪聲特性的評價指標,這種評價指標原理簡單,但是這種高阻抗法測量要求輸出管道要足夠長(大於60m),不易實現,且該方法隻能測試到流量脈動源和泵源阻抗的乘積,無法對脈動因素進行獨立評價。20世紀80年代初,BOWNS等提出采用不同長度的管道作為泵的輸出管道,進行噪聲特性測量。該方法要通過對不同長度、管徑的管道進行反複試驗,直到滿足兩次測量結果近似,該結果就是所求解。
該方法最初要對60多根管道進行測量,采用優選方法也要進行至少9根管道的測量,每根管道要對多點壓力進行測量,實現起來十分繁雜。該方法開啟了人們對流量脈動理論分析和試驗測試的序幕。
20世紀80年代,英國巴斯大學EDGE等率領一批學者開始柱塞泵流量脈動和壓力衝擊比較係統的研究。首先改進了多管道流量脈動的測量方法,采用伸縮結構得到不同長度的輸出管道,節省了拆換管道的時間,但要想得到精確結果仍然需要對多組管長、不同位置進行反複測試,再對各組數據采用描點擬合估算結果。隨後他們又提出“二次源”測量法,該方法將栗視作流量脈動源和栗源阻抗的並聯組合,將管道動態特性的層流流動模型精確地應用於流量脈動測量,借助輔助栗對被測泵的泵源阻抗進行測量。該方法測試時間短,僅需5〜15min,測量結果通過標準的數據處理程序計算得到,精度較高。該法已成為國際上精確測量液壓栗流體噪聲的標準(ISO10767小1996)_]»該方法的缺點在於原理上要求輔助泵能產生比被測栗的脈動頻寬更寬的頻率範圍,輔助泵產生的各次諧波頻率應不與被測泵的各次諧波頻率重合,測試係統比較複雜。在數學建模分析方麵,除了考慮油液的可壓縮性、泄漏因素以及阻尼槽的節流作用,模型還引入節流槽內油液的慣性項影響,首次得到慣性作用產生的柱塞腔壓力振蕩的過程;之前的模型在高壓、高速時壓力超調反而變小,與實際不符,改善後的模型對壓力超調的預測與試驗測試吻合很好但是該模型對壓力變化過渡時間的計算誤差較大,可達10%以上。總體來說巴斯大學在該領域的研究比較係統,成果顯著,為後續研究奠定了基礎。
同一時期,日本學者1<:0111^等利用管道動態特性中的層流流動模型進行流量脈動測量,他們采用高、低阻抗回路對柱塞泵出口處的壓力測量,再根據管道模型推算出被測泵的流量脈動源和栗源阻抗。該方法要求泵的輸出管道既要滿足高負載阻抗(采用硬管)又要滿足低負載阻抗(加蓄能器等),同時在應用管道動特性模型時對傳遞函數進行較大的簡化,因此該方法測試過程較複雜,精度不高。在理論分析模型上與巴斯大學類似,但是缺少慣性項,無法分析流體衝擊振動過程;同時存在壓力超調與實際不符的問題。
20世紀90年代初瑞典林雪平大學(LinkdpingUniversity)重點針對流量脈動測量進行研究。他們首先提出兩測點測量方法,該方法原理類似於“二次源”法,利用測試係統的主泵與容積元件組合代替“二次源”產生寬頻頻譜區。近年來又致力於源阻抗測試方法(圖1)的研究,該方法的特點是不用建立泵出口管道的數學模型,而是直接在脈動源的產生位置進行測量,結合數據采集處理係統實現自動測試。但是該測試方法還不成熟,對內嵌式變量泵測量,當頻率較高時測量結果不可靠。目前林雪平大學仍在對該方法進行繼續研究。
自20世紀90年代末開始美國密蘇裏州-哥倫比亞大學(Missouri-ColumbiaUniversity)MANRING
等[2()-21]在該領域開展了一係列的研究,他們的研究重點集中在齒輪泵脈動方麵。對柱塞泵的研究主要進行建模分析,基本模型與KOJIMA的模型類似,忽略了泄漏因素的影響,不考慮慣性項影響。對柱塞泵工作過程進行分段分析,針對過渡區和接通後兩種情況分別建模,使得模型得到細化。
近年來美國普渡大學(PurdueUniversity)IVANTYSYNOVA等研究小組圍繞柱塞泵/馬達開展一係列的研究,重點對摩擦副的流場、溫度、受力特性進行研究,開發的CASPAR軟件可用於柱塞泵內流場、溫度、受力特性,包括柱塞腔壓力瞬時變化過程的預測。
在國內,20世紀80年代末哈爾濱工業大學李小寧對柱塞腔壓力瞬時變化過程進行數學分析,對三角型阻尼槽壓力微分方程分析中用簡單的一次有理分式表示壓力對油液綜合體積彈性模量的影響項。但是該模型中未考慮慣性因素的影響,並且有些係數是假定的,因此存在一定的誤差。
20世紀80年代末90年代初,上海交通大學邱澤麟等在該領域開展了一係列的研究。1988年成功實現對柱塞泵柱塞腔壓力瞬變過程測量,之後用實用近似法實現泵出口流量脈動的測量。實用近似法將油泵看作流量脈動源和泵源阻抗的串聯組合,利用油泵進出油口的幾何結構確定泵源阻抗,
測試係統中省去輔助泵係統,結構更加簡化。但是由於泵源阻抗的確定釆用近似等效,測量結果不精確。在理論分析上,對巴斯大學模型中壓力變化過渡時間的計算誤差問題進行修正,同時對模型中節流係數給出修正方程,並結合試驗建立油液綜合體積彈性模量的動態模型。
20世紀90年代初,甘肅工業大學那成烈等對柱塞腔瞬時壓力特性建模,加入斜盤傾角的影響,比較精確地建立了減振孔和三角槽的過流麵積公式。用仿真方法分析軸向柱塞泵瞬時流量脈動特性及控製方法,證明考慮油液可壓縮性時,軸向柱塞泵實際流量均勻性遠低於理想狀態,與柱塞數目的奇偶性無關。提出最佳通油比例的設計規律,即預升壓區通過節流槽油液的體積與油缸預升壓力所需壓縮油液總體積的比例滿足最優設計時可以避免配流盤上死點的壓力衝擊,據此設計了非對稱偏轉式低噪聲配流盤結構,並申請了國家發明專利(專利號ZL91111998.1).
20世紀90年代安徽理工大學劉小華也開展一係列的研究。進行數學建模的分析,模型中主要考慮柱塞腔油液的可壓縮性、泄漏因素以及阻尼槽的節流作用,沒有考慮慣性項,重點結合數學模型對柱塞數的奇偶因素對流量脈動的影響進行分析;搭建針對泵出口位置的壓力脈動試驗台。
20世紀90年代後期,北京航空航天大學王占林等開展理論模型分析。討論柱塞腔油液的可壓縮性、泄漏因素以及阻尼槽的節流作用,重點對泄漏作了比較詳細的推導分析,對阻尼槽位置的過流麵積計算作了細化工作;模型中沒有考慮慣性項影響。
2002年開始,西南交通大學鄧斌對三角阻尼槽的結構進行分析。釆用動網格技術對水壓軸向柱塞泵流量脈動進行計算流體動力學研究,分析手段上有了很大突破。由於仿真模型進行大量簡化,需要進行進一步完善。
近年來,浙江大學流體傳動及控製國家重點實驗室一方麵針對閥芯兩種典型的阻尼槽(V形槽和U形槽)噪聲特性開展研究,其結構、壓力分布和噪聲之間的規律同樣適用於柱塞泵配流盤的阻尼槽。分析結果表明等斷麵的U形阻尼槽在卸壓時,壓力回升迅速,有利於抑製噪聲。另一方麵,搭建了柱塞泵配流副潤滑特性試驗台,針對柱塞泵配流特性正在開展研究。