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溢流阀动态特性

溢流阀动态特性、噪声分析及降噪的研究

成兆义

(中国运载火箭技术研究院第十八研究所北京100076)

Analysis of Relief Valve of Noise and Dynamic Characteristics

CHENG Zhao-yi

摘要:溢流阀作为伺服能源的重要控制调节元件,其动态特性、稳定性及工作噪声将影响到整个伺服系统的正常工作。以某型溢流阀为例,基于AMESim仿真软件研究其动静态特性、模态特性以及对稳定性的影响。首先利用AMESim软件对某型溢流阀进行建模,仿真出动态曲线,并与实际试验曲线对比,确保模型的准确性;通过AMESim软件中频域分析工具对其频域特性、模态特性进行分析,找出溢流阀模型各阶固有频率,同时利用试验采集溢流阀工作噪声,并进行频谱分析,结合仿真结果,验证该型溢流阀动态特性、频率特性与噪声的关系。

关键词: 溢流阀; 动态特性; 噪声

中图分类号:TH137 文献标识码:A 文章编号:1672-8904(2008)05-0027-004

作者简介:成兆义,男,1978年出生,硕士,主要从事液压伺服流体传动方面的研究。

引言

溢流阀在伺服液压系统中是重要的压力控制调节元件,同时也是液压系统中主要的噪声源之一。根据目前调查的数据,除了液压泵之外最大的噪声源就是溢流阀了,这种噪声不仅直接危及到人的情绪、健康和周围环境,而且影响液压系统工作性能,缩短自身或其他液压元件的使用寿命,降低产品可靠性,甚至导致伺服能源功能失效。目前很多溢流阀产品已经对噪声提出了指标要求。因此研究溢流阀的振动和噪声、分析动态特性与噪声的内在关系、找到降低并消除噪声的方

法是具有重要意义的。

1 溢流阀动态特性、噪声初步分析

液压系统的噪声分为机械噪声和流体噪声。机械噪声主要由于机械部件的振动产生的;而流体噪声是由于压力流量脉动、气穴和气蚀、旋涡运动、高低压突变、流体的摩擦等原因造成的。

对于溢流阀来说,机械噪声主要由导阀或主阀的质量一弹簧系统的自激振荡引起的,主要包含

以下两种情况:

1. 自激振动噪声

溢流阀的阀芯是支承在弹簧上的,当弹簧的(包括油液的弹性)质量和溢流阀阻尼孔以及与负载相匹配的有关参数超过稳定临界值时,阀芯就会因为其他部分的扰动而产生持续的自激振动和异常噪声。这种振动和溢流阀的导阀、主阀的形状及尺寸有关,导阀、主阀和阀座的加工精度也会影响此类噪声的发生。油液温度越高,油液粘度越低,这种情况就越容易发生。一般先导阀接近开启压力时最容易自振,并带来主阀的相应振动。

2. 共振噪声

共振噪声是溢流阀的弹簧质量系统与液压泵等设备压力脉动高次谐波共振的结果。这种共振

有时会引起阀芯敲击阀座,产生很强的噪声。

本文的研究主要是从稳定性角度出发分析某型溢流阀动态特性、模态特性,尤其是其稳定性问题;然后对阀的噪声进行频谱分析,最终找出其动态特性与噪声的内在关系。

2 溢流阀AMESim模型的建模

本文研究的对象是某型先导式溢流阀,先导式溢流阀的主阀是由先导阀控制的。如图1所示,先导阀作为调压阀,起到直动式溢流阀调压弹簧的作用,通过主、导阀之间的阻尼孔,控制主阀上腔的压力。先导式溢流阀能够用较小的调压弹簧控制很高的系统压力,最大限度地改善了溢流阀的启闭特性。与此同时这也对溢流阀的结构和压力稳定性提出了更高的要求,特别是对于作为伺服能源控制调节元件的高压溢流阀而言,显得更为重要。因为压力不稳定将引起较大的压力波动和

振动噪声。

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AMESim(Advanced Modeling Environment for-performing Simulations of engineering systems)主要用于模拟控制对象的真实建模环境。AMESim软件是基于图形化的仿真软件,带有多种工程设计软件包;其中液压仿真软件包包含了大量常用的液压元件,液压源和液压管路等,该软件在建立液压系统数字模型的过程中充分考虑到液压油的物理特性和液压元件的非线性特性。本文以AMESim作为仿真计算平台就某型先导式溢流阀进行参数建模、仿真及动态特性分

析。

根据AMESim液压元件库中各个模块的特性,将某型溢流阀构建成如图2的仿真模型,阀工作原理:在系统压力未达到调定压力时,导阀9和主阀8在导弹簧11和主弹簧6的作用下处于关闭状态,当系统压力超过导阀开启压力时,导阀9被推开,这时有小流量油液通过阻尼孔流入主阀芯

后腔,并由导阀9与导阀座之间的导阀口流回油箱12。这样,主阀芯的前后腔产生压力差。随着系统压力的进一步升高,通过主阀8与导阀9缝隙的流量进一步加大,当达到能够克服主阀弹簧力和摩擦力后,推动主阀8运动,主阀便打开了。油液将通过主阀阀口溢流,使系统压力降下来,并稳定在调定压力处。当系统压力回到导阀开启压力之下时,导阀关闭,主阀8前后腔压力差迅速消失,

主阀在主弹簧6的力作用下关闭。

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3 溢流阀模型的仿真

将输入信号设为额定流量的阶跃信号,输入流量信号设为控制量,将主阀入口压力设为观测量,对溢流阀模型进行时域和频域的仿真计算。该型溢流阀开启压力为20MPa,额定工作压力为21MPa,额定流量为35L/min。与以往试验曲线对比,证明该模型是准确的。结果如图3所示。

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根据以上仿真结果可以看出,虽然该型溢流阀整体是稳定的,但频率特性的增益裕量并不大。

作为结构相对复杂的先导式溢流阀,具有多自由度,其系统固有频率的直接计算是比较困难的,而利用AMESim软件中的模态分析工具计算出其各阶固有频率点,并与试验频谱对比就可以分析出其固有频率的大致范围。重新将输入流量信号设为控制量,将主阀阀芯位移设为观测量,输入信号设为正弦波信号,进行再次仿真,计算出的各阶模态频率如表1所示,图4为二阶模态频率点

(1073.52Hz)主阀芯位移能量幅值振动曲线。

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4 模型频率特性与噪声试验分析

溢流阀的模态分析能够通过一系列的试验数据使溢流阀的内部结构和可得到的输入之间产生了一定的相关关系。通过对试验数据的分析,不同的固有频率将被剥离出来,除此之外还能得到该结构系统的特征。对于一般结构,要求各阶模态频率远离工作频率,以致影响结构系统的正常工

作。

采用现场测量的方法,将该型溢流阀装入试验用的油箱内,在距离溢流阀安装部位水平方向20cm处放置声音采样器,对溢流阀从未开启状态至额定流量,以及伺服能源实际工作状态进行了测量和记录,最后传递至计算机利用专用软件进行了频谱分析。由于本文篇幅所限,只选取典型曲

线进行说明。

当溢流阀入口压力达到20MPa时,溢流阀的先导阀将开启,随着压力的提高先导阀开度逐渐由小增大。在此过程中f=1000Hz的噪声声压级都较小,5000Hz的噪声声压级较大,与1000Hz 噪声声压级有40dB以上的差值,如图5。当压力达到20.2MPa时溢流阀的先导阀已全开,主阀处于将要开启还未开的临界状态时,f=1000Hz噪声有所下降。当超过20.2MPa时,主阀刚刚开启。此时1000Hz的噪声有所增加,如图6。随着入口压力的增加,溢流阀的主阀逐步开启而低频噪声有所下降,高频噪声逐渐增加。当溢流阀全部开启,噪声逐渐趋于平缓。声压级较高的噪声被抑制在500~5000Hz的频域内。由此可见,被试阀开启过程噪声峰值主要是由溢流阀本身的噪声1000Hz和处于紊流状态的液流本底噪声5000Hz构成,而且溢流阀在刚刚开启时噪声最为明显。随着溢流阀主阀开度的增大,噪声峰值得到一定的抑制。

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与以上模态计算结果对比,溢流阀刚刚开启时出现的1000Hz的频率噪声同1073Hz的模态十分接近,可以判断此时溢流阀进入了该阶固有频率的自激振荡区间,而1000Hz频率正好为伺服能

源工作频率。

5 降低噪声的初步研究

一般根据经验当发现溢流阀啸叫时,首先可以考虑设置消声器或消声螺钉改变其固有频率,其

次就是采取减小先导阀芯前腔的体积的办法。

通过AMESim仿真分析表明该型溢流阀增益裕量较小,从改善其稳定性出发,采取增大进口阻尼作用的方式,降低系统刚度,从而尝试降低固有频率及其噪声。

利用AMESim软件中的优化工具,将减小进油口直径的模块加入到原溢流阀AMESim模型中,设进油口直径大小为优化变量,将二阶模态频率值最小设为优化目标,并重新进行了迭代优化计算。结果表明当减小进口直径为原有的70%时,二阶模态频率已经远离1000Hz,并且增益裕量提高到40dB以上,如图7,在确保其相对稳定性的同时也相应的降低了其固有频率。

根据AMESim优化仿真结果和该型溢流阀结构特点,在不改变安装接口及工作原理的前提下,在主阀前腔增加进油套,提高主阀进口阻尼作用,尝试消除1000Hz左右的噪声频率,并进行了噪

声试验。

从试验频谱曲线可以看出,图6是改进前有尖叫的噪声曲线,图8是改进后溢流阀的噪声频谱曲线,除保留5000Hz的液流本底噪声外,原有的1000Hz左右的噪声声压级有了较大的降低。图5为测试时液流环境的本底噪声曲线,从该图可知,5000Hz噪声为本底噪声,不是被测溢流阀产生

的。

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6 小结

从溢流阀的动态稳定性入手,利用频率特性中的模态分析,找出较为复杂的溢流阀模型固有频率,结合噪声试验研究其频谱特性,通过优化提高溢流阀的稳定裕量,降低固有频率,从而达到降低噪声的目标。经试验验证,在主阀前腔增加进油套,提高主阀进口阻尼作用,基本消除了1000Hz左

右的频率噪声。

这里应该指出,溢流阀的噪声成因有多种因素,仅仅通过简化的数学模型进行稳定性及频谱分析仍然是不够的,还要充分考虑到液压系统的相关因素。如设备的工作压力和流量、油液的粘度、

清洁度、油温、回油路是否正常等因素