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关于柱塞泵的流体噪声研究

2017-04-05 10:33:35      点击:

流体噪声研究主要围绕着柱塞泵的压力冲击和流量脉动的瞬变过程进行数学建模及相应的试验测试研究。
20世纪60年代,前苏联学者ZAICHENKO等对柱塞腔压力进行数学建模,模型中考虑油液的可压缩性、泄漏以及阻尼槽的节流作用。受当时条件限制,模型没有求解。该模型比较粗糙,误差较大,后人经试验验证在实际压力超调为1.3MPa时,模型预测只有0.1MPa,随着压力和转速提高,误差还会增大;模型无法对油液倒灌引起的压力振动过程进行预测。
20世纪70年代中期,日本学者YAMAUCHI等首次通过试验实现对柱塞腔压力的测试,得到了柱塞腔瞬时压力的时间函数模型,为后人进行柱塞腔压力测试提供了参考。YAMAUCHI等在理论分析时忽略油液泄漏,对非线性项进行了线性化近似,通过差分方法实现对数学模型求解。
到20世纪70年代末,英国巴斯大学(UniversityofBath)提出将泵视作一个流量脉动源和泵源阻抗的并联组合,并将二者的乘积作为液压栗流体噪声特性的评价指标,这种评价指标原理简单,但是这种高阻抗法测量要求输出管道要足够长(大于60m),不易实现,且该方法只能测试到流量脉动源和泵源阻抗的乘积,无法对脉动因素进行独立评价。20世纪80年代初,BOWNS等提出采用不同长度的管道作为泵的输出管道,进行噪声特性测量。该方法要通过对不同长度、管径的管道进行反复试验,直到满足两次测量结果近似,该结果就是所求解。
该方法最初要对60多根管道进行测量,采用优选方法也要进行至少9根管道的测量,每根管道要对多点压力进行测量,实现起来十分繁杂。该方法开启了人们对流量脉动理论分析和试验测试的序幕。
20世纪80年代,英国巴斯大学EDGE等率领一批学者开始柱塞泵流量脉动和压力冲击比较系统的研究。首先改进了多管道流量脉动的测量方法,采用伸缩结构得到不同长度的输出管道,节省了拆换管道的时间,但要想得到精确结果仍然需要对多组管长、不同位置进行反复测试,再对各组数据采用描点拟合估算结果。随后他们又提出“二次源”测量法,该方法将栗视作流量脉动源和栗源阻抗的并联组合,将管道动态特性的层流流动模型精确地应用于流量脉动测量,借助辅助栗对被测泵的泵源阻抗进行测量。该方法测试时间短,仅需5〜15min,测量结果通过标准的数据处理程序计算得到,精度较高。该法已成为国际上精确测量液压栗流体噪声的标准(ISO10767小1996)_]»该方法的缺点在于原理上要求辅助泵能产生比被测栗的脉动频宽更宽的频率范围,辅助泵产生的各次谐波频率应不与被测泵的各次谐波频率重合,测试系统比较复杂。在数学建模分析方面,除了考虑油液的可压缩性、泄漏因素以及阻尼槽的节流作用,模型还引入节流槽内油液的惯性项影响,首次得到惯性作用产生的柱塞腔压力振荡的过程;之前的模型在高压、高速时压力超调反而变小,与实际不符,改善后的模型对压力超调的预测与试验测试吻合很好但是该模型对压力变化过渡时间的计算误差较大,可达10%以上。总体来说巴斯大学在该领域的研究比较系统,成果显著,为后续研究奠定了基础。
同一时期,日本学者1<:0111^等利用管道动态特性中的层流流动模型进行流量脉动测量,他们采用高、低阻抗回路对柱塞泵出口处的压力测量,再根据管道模型推算出被测泵的流量脉动源和栗源阻抗。该方法要求泵的输出管道既要满足高负载阻抗(采用硬管)又要满足低负载阻抗(加蓄能器等),同时在应用管道动特性模型时对传递函数进行较大的简化,因此该方法测试过程较复杂,精度不高。在理论分析模型上与巴斯大学类似,但是缺少惯性项,无法分析流体冲击振动过程;同时存在压力超调与实际不符的问题。
20世纪90年代初瑞典林雪平大学(LinkdpingUniversity)重点针对流量脉动测量进行研究。他们首先提出两测点测量方法,该方法原理类似于“二次源”法,利用测试系统的主泵与容积元件组合代替“二次源”产生宽频频谱区。近年来又致力于源阻抗测试方法(图1)的研究,该方法的特点是不用建立泵出口管道的数学模型,而是直接在脉动源的产生位置进行测量,结合数据采集处理系统实现自动测试。但是该测试方法还不成熟,对内嵌式变量泵测量,当频率较高时测量结果不可靠。目前林雪平大学仍在对该方法进行继续研究。
自20世纪90年代末开始美国密苏里州-哥伦比亚大学(Missouri-ColumbiaUniversity)MANRING
等[2()-21]在该领域开展了一系列的研究,他们的研究重点集中在齿轮泵脉动方面。对柱塞泵的研究主要进行建模分析,基本模型与KOJIMA的模型类似,忽略了泄漏因素的影响,不考虑惯性项影响。对柱塞泵工作过程进行分段分析,针对过渡区和接通后两种情况分别建模,使得模型得到细化。
近年来美国普渡大学(PurdueUniversity)IVANTYSYNOVA等研究小组围绕柱塞泵/马达开展一系列的研究,重点对摩擦副的流场、温度、受力特性进行研究,开发的CASPAR软件可用于柱塞泵内流场、温度、受力特性,包括柱塞腔压力瞬时变化过程的预测。
在国内,20世纪80年代末哈尔滨工业大学李小宁对柱塞腔压力瞬时变化过程进行数学分析,对三角型阻尼槽压力微分方程分析中用简单的一次有理分式表示压力对油液综合体积弹性模量的影响项。但是该模型中未考虑惯性因素的影响,并且有些系数是假定的,因此存在一定的误差。
20世纪80年代末90年代初,上海交通大学邱泽麟等在该领域开展了一系列的研究。1988年成功实现对柱塞泵柱塞腔压力瞬变过程测量,之后用实用近似法实现泵出口流量脉动的测量。实用近似法将油泵看作流量脉动源和泵源阻抗的串联组合,利用油泵进出油口的几何结构确定泵源阻抗,
测试系统中省去辅助泵系统,结构更加简化。但是由于泵源阻抗的确定釆用近似等效,测量结果不精确。在理论分析上,对巴斯大学模型中压力变化过渡时间的计算误差问题进行修正,同时对模型中节流系数给出修正方程,并结合试验建立油液综合体积弹性模量的动态模型。
20世纪90年代初,甘肃工业大学那成烈等对柱塞腔瞬时压力特性建模,加入斜盘倾角的影响,比较精确地建立了减振孔和三角槽的过流面积公式。用仿真方法分析轴向柱塞泵瞬时流量脉动特性及控制方法,证明考虑油液可压缩性时,轴向柱塞泵实际流量均匀性远低于理想状态,与柱塞数目的奇偶性无关。提出最佳通油比例的设计规律,即预升压区通过节流槽油液的体积与油缸预升压力所需压缩油液总体积的比例满足最优设计时可以避免配流盘上死点的压力冲击,据此设计了非对称偏转式低噪声配流盘结构,并申请了国家发明专利(专利号ZL91111998.1).
20世纪90年代安徽理工大学刘小华也开展一系列的研究。进行数学建模的分析,模型中主要考虑柱塞腔油液的可压缩性、泄漏因素以及阻尼槽的节流作用,没有考虑惯性项,重点结合数学模型对柱塞数的奇偶因素对流量脉动的影响进行分析;搭建针对泵出口位置的压力脉动试验台。
20世纪90年代后期,北京航空航天大学王占林等开展理论模型分析。讨论柱塞腔油液的可压缩性、泄漏因素以及阻尼槽的节流作用,重点对泄漏作了比较详细的推导分析,对阻尼槽位置的过流面积计算作了细化工作;模型中没有考虑惯性项影响。
2002年开始,西南交通大学邓斌对三角阻尼槽的结构进行分析。釆用动网格技术对水压轴向柱塞泵流量脉动进行计算流体动力学研究,分析手段上有了很大突破。由于仿真模型进行大量简化,需要进行进一步完善。
近年来,浙江大学流体传动及控制国家重点实验室一方面针对阀芯两种典型的阻尼槽(V形槽和U形槽)噪声特性开展研究,其结构、压力分布和噪声之间的规律同样适用于柱塞泵配流盘的阻尼槽。分析结果表明等断面的U形阻尼槽在卸压时,压力回升迅速,有利于抑制噪声。另一方面,搭建了柱塞泵配流副润滑特性试验台,针对柱塞泵配流特性正在开展研究。

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