降低子母叶片泵噪声的对策及效果

降低子母叶片泵噪声的对策及效果刘秀利(中国有色工程设计研究总院北京恩菲通用设备科技有限公司北京100083)苎睁分析了叶片泵噪声产生的根源以及影响叶片泵噪声的因的解决措施素，基于理论分析，进而提出了降低叶片泵。通过实际试验，对影响叶片泵噪声的关键结构要素进行了优化设计，最终获得了比较关键词：叶片泵；降低噪声；对策；效果中图分类号。TⅢ文献标识码：A文章编号：(2005}06—00o4—0042000年开始，我公司引进生产了子母叶片泵系列产品，该泵具有压力高(17．5—21MPa)、流量大(19～225L／min)、转速高(1800-2200r／min)、噪声低(62～69dB(A))等特点。为了将该系列泵的使用范围扩展到机床行业等领域，噪声值将成为一个关键性的指标，为此，我们组织了专门的技术攻关小组，对该泵噪声产生的根源、降噪的对策以及改进措施进行了大量的工作，取得了比较满意的效果。1叶片泵噪声的来源1．1机械噪声机械噪声主要来源于叶片、定子和转子的振动。尤其是叶片与定子间的机械撞击声，很容易通过壳体发射到周围空间，是构成叶片泵噪声的主要成分。引起叶片与定子振动撞击的原因主要有：(1)从吸油区到压油区或者从压油区到吸油区周期性压力切换时，闭死容积内压力急剧变化引起的定子、转子径向振动。(2)由定子曲线特性产生的对叶片的激振和助振作用。(3)叶片所受作用力变化时，产生的叶片跳跃或与定子脱空现象。1．2流体噪声流体噪声主要来源于输出流量的脉动。造成输出脉动的主要原因是闭死容积在大圆弧区段压力切换时的瞬时高压回流。这种流体声在低压工作时不甚显著，而在高压情况下则比较明显。另外流体声也来源于油泵排油口流道变化引起的流态紊乱，但由于流场空间的限制，这种现象不会扩展，而且这种流体声的频率较低，也不易通过壳体发射，所以并不是造成叶片泵噪声的主要原因。2影响叶片泵噪声的因素2．1定子曲线在平衡式叶片泵上使用最多的定子曲线是等加速等减速曲线，它的矢径p、径向速度、加速度口和加速度变化率(又称跃动)．，的变化情况示于图1，由图可见，在曲线两端与大小圆弧连接处及曲线中部~=a／2处均有加速度的突变，使这几处的加速度变化率．，为无穷大，跃动特性非常不好，很容易激起叶片的径向振动并产生对定子的撞击，因此机械噪声很大。图1等加速等减速定子曲线的特性降低子母叶片泵噪声的对策及效果刘秀利(中国有色工程设计研究总院北京恩菲通用设备科技有限公司北京100083)苎睁分析了叶片泵噪声产生的根源以及影响叶片泵噪声的因的解决措施素，基于理论分析，进而提出了降低叶片泵。通过实际试验，对影响叶片泵噪声的关键结构要素进行了优化设计，最终获得了比较关键词：叶片泵；降低噪声；对策；效果中图分类号。TⅢ文献标识码：A文章编号：(2005}06—00o4—0042000年开始，我公司引进生产了子母叶片泵系列产品，该泵具有压力高(17．5—21MPa)、流量大(19～225L／min)、转速高(1800-2200r／min)、噪声低(62～69dB(A))等特点。为了将该系列泵的使用范围扩展到机床行业等领域，噪声值将成为一个关键性的指标，为此，我们组织了专门的技术攻关小组，对该泵噪声产生的根源、降噪的对策以及改进措施进行了大量的工作，取得了比较满意的效果。1叶片泵噪声的来源1．1机械噪声机械噪声主要来源于叶片、定子和转子的振动。尤其是叶片与定子间的机械撞击声，很容易通过壳体发射到周围空间，是构成叶片泵噪声的主要成分。引起叶片与定子振动撞击的原因主要有：(1)从吸油区到压油区或者从压油区到吸油区周期性压力切换时，闭死容积内压力急剧变化引起的定子、转子径向振动。(2)由定子曲线特性产生的对叶片的激振和助振作用。(3)叶片所受作用力变化时，产生的叶片跳跃或与定子脱空现象。1．2流体噪声流体噪声主要来源于输出流量的脉动。造成输出脉动的主要原因是闭死容积在大圆弧区段压力切换时的瞬时高压回流。这种流体声在低压工作时不甚显著，而在高压情况下则比较明显。另外流体声也来源于油泵排油口流道变化引起的流态紊乱，但由于流场空间的限制，这种现象不会扩展，而且这种流体声的频率较低，也不易通过壳体发射，所以并不是造成叶片泵噪声的主要原因。2影响叶片泵噪声的因素2．1定子曲线在平衡式叶片泵上使用最多的定子曲线是等加速等减速曲线，它的矢径p、径向速度、加速度口和加速度变化率(又称跃动)．，的变化情况示于图1，由图可见，在曲线两端与大小圆弧连接处及曲线中部~=a／2处均有加速度的突变，使这几处的加速度变化率．，为无穷大，跃动特性非常不好，很容易激起叶片的径向振动并产生对定子的撞击，因此机械噪声很大。图1等加速等减速定子曲线的特性2005年11月刘秀利：降低子母叶片泵噪声的对策及效果52．2闭死现象为了保证叶片泵工作时吸、压油腔不发生沟通，配流盘上的吸油窗口和排油窗口之间的间隙所对应的圆心角必须大于或等于相邻两叶片之间的圆心角，见图2所示，角与卢角的比值称为遮盖比，故卢≥1。因此，当相邻两叶片同时处于卢角范围内时，由两叶片、转子、定子和配流盘围成的容积abcd(图中阴影部分)与吸、排油窗口均隔离，出现闭死现象。如果是从吸油区转向压油区，出现闭死时abcd密闭容积内的油液仍保持与吸油腔压力相同的低压P，随着转子向前转动，一旦接通排油窗口，由于压差悬殊，压油腔的高压油将在瞬间内反冲入两叶片间的容腔，使该腔压力迅猛升高，出现所谓的“高压回流”，造成很大的压力冲击。这不仅导致叶片泵输出流量和输出压力的脉动，更造成了定子环的径向振动，从而产生噪声。若是从压油区转向吸油区，出现闭死时abcd密闭容积内的油液处于等同于压油腔压力P的高压，一旦接通吸油窗El，闭死容积内的高压油将在瞬间内向吸油腔喷出，突然泄压，同样产生振动和噪声。图2闭死现象2．3配合间隙及内泄漏叶片泵各滑动副之间的配合间隙，既保证形成一定的油膜来防止泄漏，又不能产生零件间形成干摩擦而研伤表面，所以必须有一个比较恰当的间隙值。太大的间隙虽然可以减少零件间相互研伤，但形不成油膜，使高低压腔串通而造成的内泄漏，不仅降低了油泵的容积效率，而且伴随着油泵的发热、零件运行失衡等现象，将产生流体泄漏噪声以及零件运行不稳出现的机械撞击；太小的间隙虽然可以获得优异的容积效率指标，但零件间形成干摩擦的机率成倍增长，同时对加工成本也相应提高，研伤后的零件出现较大的噪声是难免的。3解决的措施3．1改进定子曲线该系列子母叶片泵的定子曲线仍采用等加速等减速曲线，存在着如图1所示的径向加速度的变化率为无穷大的情况，意味着叶片有很大的跃动力来撞击定子，但将压油区定子曲线向大圆弧区段延长，使闭死容积从低压向高压切换时实现预压缩，对减轻油液的高压回流，降低高压工作时的流体噪声有较好效果。同时，预压缩对缓和闭死容积内压力的急剧变化，从而减轻定子和转子的径向振动及由此引起的机械噪声也有好处；同样，将吸油区定子曲线向小圆弧区段延伸实现预扩张，以减缓从压油区到吸油区压力切换时的压力冲击和由此引起的径向振动。原定子过渡曲线包角为48。，我们将其扩大到74。，两边13。各为预压缩、预扩张区，通过理论计算与计算机模拟，结合多次的加工试验，现行定子曲线比原曲线平均降低噪声值3-5dB(A)。3．2修正卸荷槽形状配流盘窗口』F设V形尖槽，是解决叶片泵闭死容积最常用的有效办法。但闭死容积的升压、减压过程与V形尖槽的几何尺寸有关。当V形尖槽的横截面为等腰三角形时，随着V形尖槽逐渐进入两叶片间的容腔，按节流作用和油液可压缩性计算出的闭死容腔压力P的升压过程如图3所示，其中∈是V形尖槽的槽底倾角；‘P是V形尖槽的范围角；‘P是从槽尖算起的转角，见图4。由升压过程曲线可见，若V形尖槽过浅，升压过程过慢，转过‘P角仍未升压到P值，接通排油窗口时仍将有一定程度的压力突变；若V形尖槽过深，升压过程又太快，尚未转到‘P角即已提前升压到P值。理想的情况是连续平稳地升压，当转过‘P角时正好升压到P值。原产品图样在吸、压油窗口都开设有V形尖pP2图3闭死容积升压过程6流体传动与控制2005年第6期图4V形尖槽尺寸参数槽。压油窗口倾角为8。，吸油窗口倾角为6。，截面形状为90。V形槽。我们将截面形状改变为等边三角形(60。)V形槽，通过改变压油窗口倾角(4-8。之间)，吸油窗口倾角(3-6。之间)，结合定子曲线的改进，发现压油窗口倾角为6．5。，吸油窗口为5。效果比较理想，较原产品降低噪声值2-3dB(A)。另外，由于吸、压油窗口是由铸造直接形成的，相对位置偏差较大，这样形成对称方向的V形槽所对的包角不同，也造成一定的压力冲击，为此，我们通过机加工窗口解决了该问题。3．3合理选择各滑动副的间隙值子母叶片泵各滑动副之间的间隙选择，对油泵的性能指标、使用寿命以及噪声影响较大。转子与定子、转子与母叶片的轴向间隙，直接影响着油泵的容积效率和使用寿命，进而影响整泵的噪声指标。原产品是基于加工精度较低的情况下设定的公差值，较一般设计宽松很多，虽然从加工方面可以轻松达到，但零件互换性差，油泵整机性能相差很大。为此，鉴于我们目前加工工艺状况，将零件公差普遍提高一个档次；同时对合格零件进行尺寸分组，按照最佳间隙值组装，经过几千台次的装试，确定了该系列油泵经济、可靠的配合间隙范围，使液压泵容积效率由原来的80-85％提高到86-91％，整体噪声比原产品降低1-3dB(A)。3．4提高零件加工与装配精度要想获得优良的产品性能指标，仅仅从设计上满足是不现实的，关键取决于零件加工精度能否满足设计要求以及零件组装是否合适。我们主要从以下几点进行控制：(1)确保转子两端面与内花键的垂直度要求转子两端面与内花键的垂直度偏差太大，致使转子外缘与配流盘侧面研伤，造成液压泵早期损坏。若想减少两者之间的划伤，只有加大配合间隙，楔形的配合间隙既形不成油膜用于密封，又造成转子高速运行过程中不稳定，最终结果就是内泄漏增大，研伤机会多，使用寿命和噪声都受到影响。原产品要求两者垂直度要求0．05-0．08，我们将其控制在0．02-0．03，基本E消除了研伤现象，同时才能保证按照最佳间隙值进行组装。(2)保证卸荷槽形状规矩并对称卸荷槽形状不统一，达不到卸荷效果，即实现不了降噪的目的。采用切削方式逐个进行加工受工件定位方式、前序加工精度等影响较大，另外由于空间结构的限制，所使用的刀具及加工部位都可能满足不了图纸要求。我们采用成型模具一次将八个卸荷槽冲压成型，尺寸、深浅以及相互间的位置很统一，可以保证各卸荷槽的尺寸一致性。当然，由于油窗口铸造成型造成了卸荷槽长度不对称，我们采用后补机加工对油窗口进行形状修正，确保对称方向的两条卸荷槽包角相等。(3)提高定子外圆与壳体件内孔的配合精度由于定子受叶片周期性的撞击而产生振动，并通过壳体传播出来，在尽量减小叶片的撞击情况下，使定子不产生与壳体间的撞击可以有效减轻噪声的传播，因此提高定子与壳体件内孔的配合精度是可行的。我们首先控制了定子外圆尺寸和圆度、圆柱度要求，对壳体件内孔进行尺寸分组，既保证两者能轻松滑合，又使定子在受到高压作用时产生弹性变形而紧贴内孔，即高压时定子与壳体成为一体，可以有效减轻噪声的传播。(4)保证整泵的组装质量合格的零件不一定能装出合格的成品。因此装配过程对产品的最终质量起决定性影响，加强零件的精整与清洗，可以确保产品不出现早期故障。正确的装配过程和技巧可以提高一次装配合格率，并可以保证整泵有一个良好的性能指标。我们从零件选择上人手，确保进入装配的零件关键项目合格率达到100％，制定了严格、详细的操作规程，配备了全程所需的工艺辅具，加强了整机的最终检验。经过几年的努力，可以保证装配一次合格率达到98％以上，产品性能指标的噪声值满足设计要求达到1o0％4结论经过几年的技术攻关与试验，该系列子母叶片泵在保证各项性能指标的前提下，噪声指标有了明显的改善，具体效果对比如下：降低子母叶片泵噪声的对策及效果7测定工况：1200r／min，14MPa，50，N46抗磨液压油。CountermeasureandEfectforDecrea