李海濤，潘國培，賀 華，丁 煒

(上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031)

運(yùn)行工況對(duì)承壓閥振動(dòng)影響規(guī)律的試驗(yàn)研究

李海濤，潘國培，賀 華，丁 煒

(上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031)

液壓管路系統(tǒng)具有多工況運(yùn)行的特點(diǎn)，為研究工況對(duì)承壓閥振動(dòng)的影響，對(duì)承壓閥進(jìn)行了內(nèi)部流場仿真分析與試驗(yàn)研究，分別以流量與進(jìn)口壓力參數(shù)變化對(duì)承壓閥出口法蘭振動(dòng)總級(jí)的影響規(guī)律為對(duì)象進(jìn)行綜合分析，通過分析發(fā)現(xiàn)，隨著流量與進(jìn)口壓力的增加，承壓閥的出口法蘭處振動(dòng)加速度總級(jí)逐漸增大；在大流量與高進(jìn)口壓力狀態(tài)下，流量與進(jìn)口壓力的增加對(duì)承壓閥出口法蘭處振動(dòng)加速度總級(jí)的影響作用逐漸減弱，振動(dòng)加速度總級(jí)隨之增加幅值減小。該結(jié)論在現(xiàn)實(shí)工程中具有一定的參考意義。

振動(dòng)與波；承壓閥；流量；進(jìn)口壓力；運(yùn)行工況

液壓管路系統(tǒng)中存在大量種類繁多的閥門，為提高液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通常會(huì)在回油管路上增加承壓閥，保持回油管路始終具有一定的背壓，并且可以防止管路破損后空氣和水進(jìn)入油管。由于液壓系統(tǒng)中的用戶較多，工作狀態(tài)不一，這使得回油管路的回油流量變化較大，若是多用戶同時(shí)運(yùn)行時(shí)，會(huì)造成流量增大，壓力增高，并且容易引發(fā)承壓閥在使用過程中出現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)壓不穩(wěn)定及閥體振動(dòng)過大的問題，在大流量工況下閥體振動(dòng)過大，部分調(diào)節(jié)工況下甚至導(dǎo)致管路安裝馬腳產(chǎn)生敲擊振動(dòng)，嚴(yán)重影響液壓系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，并且長期處于振動(dòng)過大狀態(tài)下會(huì)造成閥門零件以及與之相連管道的機(jī)械性破壞?？梢?，降低振動(dòng)噪聲對(duì)承壓閥及其管路的安全性也十分重要[1–3]。

日本、美國、法國與加拿大等學(xué)者從20世紀(jì)70年代起就開展了承壓閥相關(guān)的基礎(chǔ)研究，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，僅通過優(yōu)化承壓閥內(nèi)部調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，就可以降低因液壓油流動(dòng)激勵(lì)產(chǎn)生的空氣噪聲約15 dB(A)～20 dB(A)[4]。承壓閥的噪聲問題一直是國外相關(guān)閥門企業(yè)的研究重點(diǎn)，但是各個(gè)公司的研究成果各有不同。目前，國外的承壓閥大多采用多級(jí)調(diào)節(jié)閥，但是結(jié)構(gòu)尺寸相對(duì)較大，因此對(duì)安裝空間有較高的要求。其閥內(nèi)件大多采用傳統(tǒng)的套筒式閥內(nèi)件結(jié)構(gòu)，也有個(gè)別采用了疊片式閥內(nèi)件，并且取得了較好的減振降噪效果。

圖1 承壓閥三維圖

本文以如圖1所示的承壓閥（型號(hào)：DN50P02025）作為研究對(duì)象，以承壓閥出口法蘭10 Hz～10 kHz的振動(dòng)總值來描述承壓閥的振動(dòng)值，通過仿真分析承壓閥的內(nèi)部流場與承壓閥出口法蘭振動(dòng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究不同運(yùn)行工況（流量與進(jìn)口壓力）對(duì)承壓閥振動(dòng)的影響情況，并總結(jié)其中的規(guī)律。

1 承壓閥的結(jié)構(gòu)

1.1 承壓閥的組成

承壓閥為彈簧膜片反作用式壓力調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)，承壓閥主要由調(diào)節(jié)螺釘、彈簧、彈簧座、橡膠膜片、閥盤、閥體等部件組成，各個(gè)部件的相對(duì)位置與承壓閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。承壓閥的閥口密封形式采用橡膠軟密封，從而使其在關(guān)閉狀態(tài)下具有良好的保壓性能。

1.2 承壓閥的結(jié)構(gòu)特性

圖2 承壓閥結(jié)構(gòu)圖

承壓閥作為液壓系統(tǒng)中必備的控制元件，其自身結(jié)構(gòu)特性對(duì)整個(gè)液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性有重要的影響，承壓閥的結(jié)構(gòu)特性主要決定于其固有頻率特性。通過分析可知承壓閥低頻模態(tài)主要為閥盤、橡膠膜片、彈簧座、彈簧和調(diào)節(jié)螺釘部件形成的質(zhì)量彈簧系統(tǒng)的1階固有頻率。其中，承壓閥門內(nèi)部結(jié)構(gòu)質(zhì)量：m=1.35 kg，承壓閥門內(nèi)部彈簧剛度：k=20.2 N/mm，所以第1階模態(tài)主要為第1階垂向剛體模態(tài)，頻率為?=19.45 Hz。

采用Ansys有限元軟件，對(duì)承壓閥進(jìn)行模態(tài)分析?？紤]到實(shí)際狀態(tài)中承壓閥所在管路中的進(jìn)口法蘭處于被約束狀態(tài)，故在模態(tài)分析時(shí)，對(duì)進(jìn)口法蘭處采取綁定約束，計(jì)算得到的承壓閥閥體第2階至第七階模態(tài)振型圖如圖3所示。

圖3 承壓閥模態(tài)振型圖

由圖3可知，承壓閥閥體的結(jié)構(gòu)模態(tài)主要為閥體的彎曲與扭轉(zhuǎn)模態(tài)，并且集中在中高頻段。所以承壓閥的低頻結(jié)構(gòu)模態(tài)由閥桿、閥盤和彈簧等調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成的質(zhì)量彈簧系統(tǒng)的固有頻率決定，中高頻段結(jié)構(gòu)模態(tài)由閥體的結(jié)構(gòu)模態(tài)決定。

在設(shè)計(jì)試驗(yàn)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該避免出現(xiàn)液壓管路與承壓閥的低頻結(jié)構(gòu)模態(tài)共振，并且供油裝置的激勵(lì)頻率與承壓閥的低頻結(jié)構(gòu)模態(tài)也應(yīng)該保持20%以上的避開度[5–6]。

2 承壓閥內(nèi)部流場的仿真分析

承壓閥在工作中，閥芯處于動(dòng)態(tài)過程，通過它的流體動(dòng)量發(fā)生變化，因而會(huì)有液動(dòng)力作用到閥芯上[7,8]。液動(dòng)力是影響液壓閥性能的關(guān)鍵因素之一，其不僅會(huì)影響閥芯的操作力，使輸入信號(hào)與閥芯位移關(guān)系變得不確定，而且還可能造成閥體的自激振動(dòng)，所以研究運(yùn)行工況對(duì)承壓閥閥芯液動(dòng)力的影響有助于分析承壓閥的振動(dòng)機(jī)理。

2.1 計(jì)算模型及網(wǎng)格

進(jìn)行內(nèi)部流場計(jì)算時(shí)，需提取內(nèi)部流體計(jì)算域模型，如圖4所示。在建模時(shí)，考慮到進(jìn)出口流動(dòng)對(duì)象內(nèi)流場的影響以及收斂性等問題，在液壓閥出口段進(jìn)行了延長。

圖4 承壓閥計(jì)算域模型主視圖和三維實(shí)體圖

網(wǎng)格生成是數(shù)值模擬的重要組成部分，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接影響到數(shù)值解和計(jì)算精度，有些情況下這種影響是決定性的。計(jì)算采用分區(qū)劃分網(wǎng)格的辦法，將計(jì)算域分成四部分，并對(duì)閥芯和閥座之間的流體域進(jìn)行了局部加密處理，最后獲得的網(wǎng)格如圖5所示。

2.2 內(nèi)部流場的數(shù)值模擬

利用CFD軟件對(duì)液壓閥內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，為了簡化計(jì)算，根據(jù)承壓閥的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)選取三個(gè)不同開度（指閥盤與閥門出口處間隙垂向距離）。

計(jì)算所得的閥芯液動(dòng)力變化規(guī)律如圖6所示，圖6中的(a)至(c)分別表達(dá)了閥口開度d=1 mm、2 mm和3 mm時(shí)，不同進(jìn)口壓力條件下，對(duì)應(yīng)的閥芯液動(dòng)力隨流量的變化關(guān)系曲線。

圖5 液壓閥計(jì)算網(wǎng)格平面示意圖

通過分析計(jì)算結(jié)果可以得出如下結(jié)論：

(1)在相同閥口開度和進(jìn)口壓力條件下，閥芯液動(dòng)力隨著流量的增加逐漸降低，并且流量越大，閥芯液動(dòng)力的衰減程度越明顯。主要原因在于，隨著流量的增加，閥口處的流速越大，造成的壓力損失越大，使得液壓閥腔內(nèi)的壓力降低越大。

(2)在相同閥口開度的條件下，閥芯液動(dòng)力隨進(jìn)口壓力的增加而增加。

3 流量與壓力對(duì)承壓閥振動(dòng)影響的試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

圖6 閥芯液動(dòng)力的變化關(guān)系

圖7 承壓閥振動(dòng)的試驗(yàn)系統(tǒng)

承壓閥振動(dòng)的試驗(yàn)系統(tǒng)如圖7所示，液壓油由位于油箱頂部的兩臺(tái)螺桿泵驅(qū)動(dòng)，按逆時(shí)針方向沿管路路流動(dòng)，進(jìn)入試驗(yàn)臺(tái)架流量調(diào)節(jié)閥前的流量計(jì)，并經(jīng)流量調(diào)節(jié)閥后流量計(jì)進(jìn)入承壓閥，承壓閥出口法蘭處有觀察窗，后回到油箱，形成封閉循環(huán)流動(dòng)。液壓油流量通過流量調(diào)節(jié)閥和溢流閥來調(diào)節(jié)。承壓閥前的背壓通過承壓閥的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

在試驗(yàn)臺(tái)架的進(jìn)、出口端安裝了撓性接管，以減小泵引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)對(duì)測(cè)試閥門的影響，并且所選用的螺桿泵的1階激勵(lì)頻率為50 Hz，與承壓閥1階結(jié)構(gòu)模態(tài)（19.45 Hz）避開度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于20%。并且液壓管路通過管夾進(jìn)行固定，也避免與承壓閥產(chǎn)生結(jié)構(gòu)共振。

3.2 承壓閥振動(dòng)的試驗(yàn)

承壓閥振動(dòng)加速度傳感器測(cè)點(diǎn)布置圖如圖8所示，共5個(gè)測(cè)點(diǎn)。閥出口法蘭處布置四個(gè)測(cè)點(diǎn)、閥進(jìn)口法蘭處布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)均為加速度測(cè)點(diǎn)，方向均為接觸面的法向。

測(cè)量系統(tǒng)包括電荷型加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集儀與電腦。其中加速度傳感器選用ENDEVCO2225型傳感器，電荷放大器采用B&K 3050-A-6/0型放大器，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用LMS SCM05數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)。

圖8 承壓閥振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)圖

承壓閥的試驗(yàn)工況為流量從50 L/min逐漸增加到300 L/min，其間隔為50 L/min，進(jìn)口壓力從0.2 MPa逐漸增加到0.5 MPa，其間隔為0.05 MPa，具體工況如表1所示。通過承壓閥進(jìn)口處的一個(gè)測(cè)點(diǎn)檢測(cè)進(jìn)口管路處振動(dòng)是否存在異常，對(duì)承壓閥出口法蘭處的四個(gè)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)值（10 Hz～10 kHz）取平均值，各個(gè)工況下其振動(dòng)值如圖9所示。

在試驗(yàn)時(shí)，進(jìn)口法蘭處測(cè)點(diǎn)振動(dòng)并未出現(xiàn)異常，并且在出口法蘭處的觀察窗也未發(fā)現(xiàn)有氣泡產(chǎn)生，所以在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，承壓閥進(jìn)口法蘭處前端管路液壓油不存在氣體或者并未隨著流量的增大而發(fā)生空化現(xiàn)象。

表1 承壓閥振動(dòng)的試驗(yàn)工況表

圖9 各工況出口法蘭振動(dòng)值

通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在相同流量的條件下，隨著承壓閥進(jìn)口壓力增大，承壓閥的出口法蘭處振動(dòng)值逐漸增大，在小流量工況下，進(jìn)口壓力增大后出口法蘭處振動(dòng)值明顯增大，例如承壓閥在流量50 L/ min與100 L/min時(shí)，進(jìn)口壓力從0.2 MPa增加到0.4 MPa，從圖9中可以看出，承壓閥出口法蘭振動(dòng)加速度明顯增大，在流量100 L/min時(shí)總振級(jí)增加10 dB左右，在流量50 L/min時(shí)總振級(jí)增加4 dB左右。在中等流量工況下，進(jìn)口壓力增大后出口法蘭處振動(dòng)值明顯增大，例如承壓閥在流量150 L/min、與200 L/ min時(shí)，進(jìn)口壓力從0.2 MPa增加到0.4 MPa，從圖9中可以看出，承壓閥出口法蘭振動(dòng)加速度明顯增大，在流量150 L/min時(shí)總振級(jí)增加14 dB左右，在流量200 L/min時(shí)總振級(jí)增加8 dB左右。在大流量工況下，進(jìn)口壓力增大后出口法蘭處振動(dòng)值增大不明顯，例如承壓閥在流量250 L/min與300 L/min時(shí)，進(jìn)口壓力從0.3 MPa增加到0.5 MPa，從圖9中可以看出，承壓閥出口法蘭振動(dòng)加速度明顯增大，在流量250 L/min時(shí)總振級(jí)增加3 dB左右，在流量300 L/min時(shí)總振級(jí)增加3 dB左右。主要是因?yàn)榇罅髁繒r(shí)承壓閥振動(dòng)在整個(gè)調(diào)節(jié)范圍內(nèi)都超過135 dB，大流量工況進(jìn)口壓力增大后承壓閥振動(dòng)增大不明顯，此時(shí)進(jìn)口壓力對(duì)承壓閥振動(dòng)的影響作用減弱，主要原因?yàn)槌袎洪y腔內(nèi)的壓力損失已經(jīng)很大，產(chǎn)生的高頻流體激勵(lì)力對(duì)承壓閥出口法蘭處振動(dòng)加速度總振級(jí)的影響逐漸降低。

在相同進(jìn)口壓力的條件下，隨著流量增大，承壓閥的出口法蘭處振動(dòng)值逐漸增大，尤其在中小流量工況下，出口法蘭處振動(dòng)值明顯增大，例如流量從50 L/min增大到100 L/min時(shí)，從圖9中可以看出，進(jìn)口壓力在0.2 MPa、0.25 MPa與0.3 MPa下，承壓閥出口法蘭振動(dòng)加速度總振級(jí)最小增幅為2 dB，最大增幅為5 dB；而流量從100 L/min增大到200 L/min時(shí)，從圖9中可以看出，進(jìn)口壓力在0.2 MPa、0.25 MPa、0.3 MPa與0.35 MPa下，承壓閥出口法蘭振動(dòng)加速度總振級(jí)顯著增加，最小增幅為17 dB，最大增幅為24 dB。在大流量工況下，隨著流量增大，出口法蘭處振動(dòng)值增大不明顯，例如承壓閥在流量從250 L/min增大到300 L/min時(shí)，從圖9中可以看出，進(jìn)口壓力在0.3 MPa、0.35 MPa、0.4 MPa、0.45 MPa與0.5 MPa下，承壓閥出口法蘭振動(dòng)加速度總振級(jí)增加不明顯，最小增幅為2 dB，最大增幅為3 dB，此時(shí)流量對(duì)承壓閥振動(dòng)的影響減弱。

從而可以看出，承壓閥的出口法蘭處振動(dòng)加速度總級(jí)隨著流量與進(jìn)口壓力的增大而增大，這與上一節(jié)分析承壓閥內(nèi)部流場得到的結(jié)論相一致（隨著流量的增加，閥腔內(nèi)的壓力降低越大，閥芯液動(dòng)力的衰減程度越明顯，產(chǎn)生的高頻流體激勵(lì)力越大，從而承壓閥出口法蘭處振動(dòng)加速度總振級(jí)增大），并且在中小流量與進(jìn)口壓力狀態(tài)下（流量在50 L/min至 200 L/min之間，進(jìn)口壓力在0.2 MPa至0.35 MPa之間），隨著流量與進(jìn)口壓力的增加，承壓閥的出口法蘭處振動(dòng)加速度總級(jí)會(huì)隨之顯著增大；而在大流量與高進(jìn)口壓力狀態(tài)下（流量在250 L/min至300 L/min之間，進(jìn)口壓力在0.4 MPa至0.5 MPa之間），流量與進(jìn)口壓力的增加對(duì)承壓閥的出口法蘭處振動(dòng)加速度總級(jí)的影響作用會(huì)逐漸減弱。

4 結(jié)語

通過數(shù)值仿真與試驗(yàn)分析，研究了運(yùn)行工況對(duì)承壓閥閥芯液動(dòng)力以及出口法蘭振動(dòng)總級(jí)的影響規(guī)律，得到如下規(guī)律：隨著流量的增加，閥芯液動(dòng)力逐漸降低，并且流量越大，閥芯液動(dòng)力的衰減程度越明顯；隨著流量與進(jìn)口壓力的增加，承壓閥的出口法蘭處振動(dòng)加速度總級(jí)增大；在大流量與高進(jìn)口壓力狀態(tài)下，流量與進(jìn)口壓力的增加對(duì)承壓閥出口法蘭處振動(dòng)加速度總級(jí)的影響作用逐漸減弱，振動(dòng)加速度總級(jí)隨之增加而幅值減小。這些變化規(guī)律為今后繼續(xù)研究承壓閥振動(dòng)在液壓管路中的振動(dòng)機(jī)理提供了思路，在現(xiàn)實(shí)工程中具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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Experimental Study on the Influence of Operation Conditions on the Vibration of the Pressurized Valves

LI Hai-tao,PAN Guo-pei,HE Hua,DING Wei
(Shanghai Marine Equipment Research Institute,Shanghai 200031,China)

The multi-load operation condition is usually the feature of hydraulic systems.In order to study the influence of shifting-load on the pressurized valves,internal flow field of the pressurized valves is numerically simulated and experimentally tested.In the experiments,the influence of the flow rate and the inlet pressure on the outlet vibration of the pressurized valve is analyzed.It is found that the vibration acceleration level at the outlet flange of the pressurized valve increases gradually with the increasing of the flow rate and the inlet pressure.In the condition of large flow rate and high inlet pressure,increase of the flow rate and the inlet pressure has only small influence on the outlet vibration acceleration level,and it causes the increase of the vibration acceleration level and decrease of its amplitude.This conclusion has some reference significance for practical engineering.

vibration and wave;pressurized valve;flow rate;inlet pressure;operation condition

O422.6

：A

：10.3969/j.issn.1006-1355.2017.03.035

1006-1355(2017)03-0177-05

2017-01-05

李海濤(1989－)，男，遼寧省朝陽市人，碩士研究生，研究方向?yàn)樵O(shè)備振動(dòng)噪聲控制。E-mail:leewaver@163.com