（机械电子工程专业论文）多功能增压装置理论分析及研究开发.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 现有的液压增压系统都是通过改变受力平衡活塞面积来改变输出压力的大小，这 些增压方法只能为系统某一时刻或某一回路获得高压或超高压，而且会影响系统的有 效流量，引起系统内的流量波动。鉴于这些增压方法存在的缺点，同时也为有效改善 整个液压系统的工作特性，本文根据申请的发明专利设计了一种新型的增压装置。该 装置是一种低压增压器，通过对封闭油箱施加压力，提高系统主油泵的入口压力，达 到降低主油泵因气穴现象造成的振动与噪声、提高液压系统工作效率的目的。 本文主要对封闭油箱增压器的工作原理、结构以及性能进行理论分析，为该增压 器的设计和应用研究提供了理论基础。 首先，对目前工程上应用的增压器作了整理与归纳，分析了各类增压器的工作原 理及特点，同时着重分析了液压增压器的增压特性。 其次，分析了液压系统中气穴噪声的形成与影响机理，针对气穴现象的形成条件 论述了封闭油箱增压器的降噪原理。同时分析比较了几种提高油箱压力的方法，通过 对比指出所设计的增压器的优势。 然后，讨论了封闭油箱增压器的设计思路及工作原理，并计算增压器的结构尺寸 参数，选择了增压器所用的液压元件型号，设计了增压装置的装配图。 接着，对封闭油箱增压器进行性能分析，重点分析安装增压器后的封闭油箱内油 液的流动特性，尤其是随着系统压力波动而引起的系统动态特性；推导出增压装置功 率特性和功率损失的计算方程；同时考虑到油液的可压缩性，分析在压力作用下封闭 油箱内油液的液体弹簧效应。 最后，建立了增压器内增压活塞的数学模型，进行动态模拟，分析了封闭油箱的 输入流量波动对增压器增压活塞位置的影响，并通过算例分析一个典型液压系统内部 的实际流量波动情况，验证所设计的增压器稳压、增压的特性。 关键词：增压器、封闭油箱、气穴噪声、增压活塞 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t i i lt l l ep a s t ，m eh y d r a u l i cs y s t e mi i l c r e a u s e dp r e s s u r eb yc h a n 舀n gm ea r e ao fp i s t o n t h m s ts u d a c et 0c h a n g et h eo u t p u tp r e s s u r e ，t h e s ep r e s s u r i z em e m o d sc o u l do i d yp r o v i d e l l i g hp r e s s u r eo re x t r a h i 曲p r e s s u r ei i lac e n a i nm o m e n to fi nac e r t a i n1 0 0 p ，f u r t h e rm o r c m e ye 纸c e dt h es y 啦mn u xe f i c i e n c ya n di i l c r e a s e dn l es y s t e mu n d u l a t i o n w h e r e a st h e d i s a d v 锄t a g e so f t h e s e p r e s s u 血e m e t h o d sa n df o r 劬p r o v i n go ft h ep e o 咖锄c e c h a r a c l e r i s t i c so fm ee n t i r eh y d r a u l i cs y 蹴m ，m i st h e s i sd e s i 印e dan e w - s t y l es u p e r c h a 唱e r t h i se q u i p m e n ti sal o w p r e s s u r es u p e r c h a 唱e r i tc a i lr e d u c et 1 1 ev i b r a t i o na i l dy 抓，pc a u s e d b yc a v i 枷。邢o ft h em a i no i lp 咖叩，a i l da c m e v e st h ep u 叩o s eo fi i l c r e 弱et l l e w o r k 硝f i d e i l c yo ft h eh y d r a u l i cs y s t e mb yb 血g sp r e s s u r et od o s e dg a s o l i i l et a i 】吸a n di 1 1 c r e a s e s t t l ei i l p u tp r e s s u r eo ft l l es y s t e mm a i l lo i lp 啪p t m sm e s i sa n a l y s e st l l eo p e 枷o n a lp r i n c i p l e ，仃a m e w o r ka n dp e r f b 皿a n c eo ft h ed o s e d g a s o l i i l et a i 墩s t i p e r c h a 唱e r i tp r o v i d e s t l l e o r e t i c a lb a u s i so fs u p e r c h a r g e rd e s i g n 锄d p r a c t i c a b n i 哆r e s e a r c h f i r s t l y ，t h j sm e s i sg a t h e r st l l es u p e r c h a r g e 璐i np r a 甜c a la p p l i c a t i o n ，a n a l y s e st i l e o p e r a t i o n a lp 血c i p l e 锄d c h a r a c t e r i s t i c s ， a n d s e l e 咖e l ya n a l y s i s t l l e p r e s s u r i z e c h a r a c t e r i s t i c so ft h eh y d r 卸l i cs u p e r c h a 玛e r s e c o n d l y ，i ta i l a l y s e sf o 衄a t i o nr e a u s o n s 锄di i l f e c t i o no ft h ec a v i t a t i o n s ，i i l 仃o d u c e st h e d e n o i s ep 血c i p l eo ft h ed o s e d g a u s o l i i l et 加ks u p e r c h a 唱e la tt l l es a m e 岫e ，i ta i l a l y s e sa 1 1 d c o m p a r e s s o m em e m o d sl l s e dt 0i i l c r e a s eg 弱o l i i l e 眦p r e s s u r e ，a j l dp o i n t so u tt h e a d v 锄切g e so ft l l es u p e r c h a 唱e rt h i st h e s i sd e s i 印e d t h i r d l y i ti i i t r o d u c e st h ed e s i g nm e m o da 1 1 d 叩e r a t i o n a lp r i i l c i p l eo ft h ed o s e dg 雒0 l i n e t a r 出s u p e r c h a 唱e r ，c a l c u l a t e sf h m ed i m e n s i o np a r 锄e t e r s ，e h o o s e sm et y p eo fs u p e r c h a 唱e r a c c e s s o r i e s ，a i l dd e s c d b e st h ea s s e m b l yd r a w i i l go ft i l ee n t i r ee q u i p m e n t t h e n ，i ta n a l y s e sc a p a b i l i t ) ro ft h ed o s e dg a s o l i n et a i 墩s u p e r c h a 唱e r ，s e l e c t i v ea n a l y s i s 1 eo i lf l u x i o nc h a r a c t e r i s t i ci nt h ec l o s e dg a s o l i n e 如r 也es u p e f c h a r g e r i n s t a l l e d ， e s p e c i a l l yt h eo i ld y n a m i cn m 【i o nc _ h a r a c t e r i s t i ca l o n gw i lt h ep r e s s u r cu n d u l a t i o ni i lm e c l o s e dg a s o l i n et a f 出；d e d u c e st t l ep o w e rc h a r a c t e r i s t i ca n dp o w e rl o s i n gc 0 m p u 曲ge q u a t i o n 江苏大学硕士学位论文 o ft t l es u p e r c h a 唱e r ；c o n s i d e 血gt h ec o n d e n s a b i l i 锣o ft h eo i l ，a n a l y st h es p 血l ge 虢c t w h e nm eo i li i lt h ed o s e dg 弱o l i r l et 孤l l 【u n d e rp r e s s u r e f i n a l l y ，i ta j l a l y s e sc o 盯e l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sb ya n a l o gs i i n u l a t i o ns o f t w a r e ：e s 诎i l i s h e s m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ep i s t o ni i lm es u p e r c h a 玛e rt os i m u l a t ed y n a m i c a l l y a i l a l y s e st h e e 虢c to f 却u to i ld y n 锄i cj e l l l 】【i o ni i lt h ed o s e dt a m 【t 0t h ep i s t o nl o c a t i o ni i lm e s u p e r c h a 玛e r t ov a l i d a t et h es u p e r c h a 唱e rd e s i 印e di i lt h i st h e s i s 啪p r o v i d es t e a d yo u t p u t p r e s s u r e ；a i l a l y s e sm ep r e s s u r ei i lt h et h r e s h o l do ft h eh y d r a l l l i cp 啪pd f e c t st 0t l l er o t a t e s p e e d ，t 0v a l i d a t et h a tt h ei 1 1 1 p r o v i i l go f l ep r e s s u r ei i lt h em r e s h o l d 啪r e d u c et l l ea i r p o c k e ty a 、po ft h eh y d r a u l i cp u m pe i i e c t i v e l y k e y w o r d s ：s u p e r c i l a 唱e r 、c l o s e dt a 】咄、c a v i t a t i o n s 、p r e s s u 血ep i s t o n 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：练刁 日期：2 j j 影年易月孑日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 学位论文作者签名： 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密d ) 口9 多年多月矛日 j 刁劳 指导教师签名： t 飞年 a 2 ，所以惫 l ，即增压缸b 输出的油压p ：是泵输出的油压p 。的后倍， 显然后与两油腔的有效面积相关。 然而此公式没有考虑摩擦损失和内泄漏的影响。增压器中的摩擦损失和内泄漏主 要取决于密封件的质量和材料、滑动面的粗糙度、工作介质的性质以及压力的大小。 所以增压器的机械效率一般为0 9 0 0 9 6 n 叫。 单作用增压缸在小活塞运动到终点时，不能继续输出高压液体，需要将活塞退回 左端，再次向右行使才会输出高压液体，也就是说小活塞不能做到无间断的输出高压 液体。当一次输出完成后，必须待活塞返回后才能再次输出。 图卜3 是单作用增压器的典型应用阳1 。当二位四通阀处于左位时液压缸低压充油， 处于右位时液压缸增压。液压泵最大工作压力由溢流阀调定。主要适用于增压行程较 短的场合。 5 江苏大学硕士学位论文 图卜3 应用单作用增乐缸的增压回路 2 ) 双作用增压器 双作用增压器是在单作用增压器的结构上进行改进得到的，最大的改变就是实现 了连续增压。结构如图卜4 所示。它有左右两个高压腔，公用的低压腔位于中间。工 作时，若低压液体先自油口c 进入，则由油口e 回油，活塞向右运动，使右边的高压 腔中预先充满的待增压液体增压并从油口b 输出。与此同时，左边的高压腔自油口a 吸入待增压液体。换向后低压液体自油口e 进入，则油口c 回液，这时油口a 输出高 压油液，同时油口b 吸入待增压液体n 1 】。实际使用时，只要在系统中将左右高压腔的 输出管路适当相连，即可获得无间断的高压液体。 a h7 ，r，、限，- b ；： i - _ 一占： = 一d 。三一寻斗_ d 7 口 ，叫t ， ，、一 一lj，1 c e b 图卜4 双作用增压缸筒结构与示意图 双作用增压器的工作原理与单作用增压器相同，它的压力比是： 七：掣：丝( 1 _ 3 ) d ；p 1 式中 d 1 、d 2 一一低、高压腔缸径( 聊) ； 6 江苏大学硕士学位论文 a 、仍一一低、高压腔压力( m ) 。 图卜5 是双作用增压器的典型应用呻1 。液压缸由液压泵直接低压充油。当泵超过 顺序阀a 的调整压力时，双作用增压缸在二位四通阀操纵下往复运动，使液压缸增压。 液压泵最大工作压力由溢流阀b 调定。该装置主要适用于增压行程要求较长的场合。 图卜5 应用双作用增压缸的增压同路 3 ) 气一液增压器 气一液增压缸的结构与前面提到的增压液压缸相同，只是改用压缩空气为动力源， 通过增压活塞，使系统获得较高的工作压力。结构如图卜6 所示。 f 气缸内括塞4 b 譬只礁司寸 口 一 p 空 a 图卜6 气一液增压缸结构图 它由气缸a 、增压缸b 组成，增压腔b 内充满了油液n 引。当压缩空气进入气缸a 内右 腔，推动气缸内活塞左移时，其活塞杆就推动增压缸b 内油液进入工作油缸，输出增压 后的油液。根据气缸内活塞受力平衡条件可得 。孚= 毋竿。= ( 泓 m 4 ， 7 江苏大学硕士学位论文 增压比例系数七：2 ld 式中 最一一气缸a 内压缩空气的压力( 彪砌) ； p ，一一增压缸b 内高压油的压力( 此阳) ； d 一一气缸a 内活塞的直径( 肌) ； d 一增压缸b 内柱塞得直径( 聊) 。 高压油的压力e 推动工作油缸内活塞产生的传动力f = 三： e 将e 代入上式得f = 等( 翁最= 竿最 ( 1 _ 5 ) 气一液压增压器以压缩空气作动力源，工作介质丰富，不会污染空气，动作迅速， 控制简便；增压部分采用液压油为传动介质，工作压力大、运行平稳。它结合了两种 介质的优点，更好地实现了增压功能。 以上三种增压回路的原理主要是通过两个串联连接的工作缸，利用其面积差，通 过压力转换，达到增压的目的。增压倍数由增压缸活塞大小端的有效工作面积之比确 定。这种增压方法由于结构简单成本低，所以应用最广泛。 4 ) 如图卜7 所示，该方法利用提高流量来实现增压的要求旧1 。液压马达e 由泵a 供油运转，带动泵b 工作，液压缸在泵a 和b 串联供油的情况下获得高压，其最大值 由溢流阀d 调定。液压泵最大工作压力由溢流阀c 调定。这种方法主要适用于要求长 期连续增压的场合，持久性和稳定性都比较好。 图卜7 利用串联泵提高系统压力 8 江苏大学硕士学位论文 5 ) 如图卜8 所示，将液压马达a 和b 刚性连接，由液压泵供应低压油，马达b 出口处通向油箱，马达a 出口处通向液压缸进油腔，供应高压油，其增压倍数为1 + q ( q 为马达b 与马达a 排量之比) 液压泵最大工作压力由溢流阀c 调定旧1 。适用于要 求长期连续增压且增压比要求能无级调节的场合。 a 图卜8 利用并联马达提高系统压力 这两种方法是通过提高液压缸的输入腔的流量来增大压力的，不过结构比较复杂， 且成本较高，只会在特定的场合下应用。 6 ) 液压系统中应用普遍的增压缸只能提高系统某一支路的压力，增压范围有限； 而利用二级增压的方法提高液压系统主油泵的入口压力，不仅需要另外配备相应型号 的电机来带动一级泵，而且一级泵本身也存在由于吸油腔压力过低所产生的不良影响， 所以这种方法不仅更多的消耗资源，也没有从根本上解决提高整个系统压力的问题。 图卜9 封闭油箱增压装置结构示意图 鉴于以上这些增压方法的优点与不足，本课题设计了一种新型的液体增压装置， 如图卜9 所示。其工作原理是：将液压系统的开式油箱改造为封闭油箱，在封闭油箱 9 江苏大学硕士学位论文 上加装本文设计的增压装置。通过直接提高油箱的输出压力，增大主油泵的入口压力。 由于该增压装置是在维持封闭油箱内油液含气量不变的同时提高油压，所以从降低空 气分离压和增大液压泵入口压力两方面，减少油泵吸油腔气穴现象发生的可能性，实 现了系统升压、降噪的目的。该增压器的主要功能有： 1 本装置可以提高系统中泵的入口压力，改善了由于压力过低而引起的转速升不 上去的情况，并且可以减少由于转速与压力不匹配引起的系统油路中出现真空的问题， 减少了系统的振动和噪声； 2 由于系统采用封闭油箱，因此不方便检测系统的微泄露问题，而本装置是由端 盖一弹簧一活塞将压力施加在油箱内部，因此端盖的位置与油箱内压力存在直接的联 系，可以通过端盖的位置变化检测油箱内油液是否泄露，以便于随时补充； 3 将系统的开式油箱改为闭式油箱，减少了外界环境引起的污染以及本身对外在 的污染程度，并大大有利于提高泵的转速和系统效率。 1 3 本课题的研究目的和内容 1 3 1 本课题的研究目的 通过上述对各类增压器的描述，我们可以看出，增压器应用普遍且效果明显，经 济性能好，被广泛的应用于各种需要提高压力的环境。其中，液压系统中用到的增压 器大多属于高压增压装置，即主要为液压系统提供高压或超高压，满足系统某一回路 的高压要求。使用的最多的是各种类型的增压缸，这些增压缸原理相同，都是利用了 受力平衡的变截面积活塞来提高输出压力，只是动力源不同，如气液增压缸、气体 增压缸或液体增压缸，它们只能实现某一回路或某一时间段内的增压效果。但是在某 些情况下，为了改善整个液压系统的工作特性，如提高主油泵的特性，降低系统的气 穴现象引起的噪声或振动，就需要提高整个系统低压区的工作压力，最直接的方法就 是提高主油泵的入口压力，即提高供油装置一一油箱的供油压力，从而使主油泵的入 口压力与电机的转速相匹配，降低主油泵吸油口处由于吸油压力不足而引起气穴现象 的可能。因此本课题针对这一需要申请了国家发明专利，研究油箱增压装置，拟通过 提高油箱的供油压力，满足以上的要求。 1 3 2 本课题的研究内容 本课题主要对封闭油箱增压装置的原理、结构以及工作特性进行研究，其主要内 1 0 江苏大学硕士学位论文 容为： 1 分析封闭油箱增压器的降噪原理。通过升高封闭油箱内的油压，提高液压系统 主油泵的入口压力，可以降低液压泵吸油口处的气穴噪声，降低系统振动，提高系统 效率； 2 增压装置的设计原理、结构分析与参数设计，为装置中的液压系统部分选择合 适的液压元件，最终给出增压装置的装配图； 3 对设计的增压装置进行性能分析，主要分析了安装增压装置后的封闭油箱内液 体的流动特性，装置内各部件( 增压缸筒、回油马达、补油泵等) 的功率特性和功率 损失，以及封闭油箱内液体的弹簧效应； 4 在前面理论分析和计算的基础上，通过建立一个安装了增压装置的典型液压系 统，对增压缸筒内的增压活塞进行数学分析和模拟，得出活塞的位移函数，反映封闭 油箱内油液的动态特性。 江苏大学硕士学位论文 第二章油箱液体增压器的降噪原理 液压系统中的振动和噪声是两种并存的有害现象，随着液压传动向高压、高速以 及大功率方向的发展，系统中的振动和噪声也随之增加，其中，噪声与振动最主要的 起因就是系统中气穴现象引起的气穴噪声与振动。本章分析了液压系统中噪声与振动 尤其是气穴引起的振动与噪声的产生原因及控制方法，并重点介绍油箱增压器降低液 压系统气穴噪声的原理。 2 1 液压系统的噪声及来源 随着液压技术的高压、高速、大容量化，液压元件及其装置的噪声日益严重，成 为液压系统发展研究的重要方面。图2 1 n 3 1 表示液压系统噪声的发生过程。 图2 1 液压系统噪声的产生过程 从中可以看出，液压系统的噪声主要分为机械噪声和流体噪声两种n 钔。 ( 1 ) 机械噪声 机械噪声是由于机械部件的运动或相互作用，产生振动而激发的噪声。例如，质 量不平衡的部件在高速旋转时会产生振动而激声；两个相互接触的部件由于碰撞或摩 擦而发声等，都属于机械噪声的类型。机械噪声主要考虑以下几方面的因素n 5 j 。 回转体的不平衡 在液压系统中，轴承、电动机、液压泵和液压马达都以高速回转，如果它们的转 动部件不平衡，就会产生周期性的不平衡力，引起转轴的弯曲振动，因而产生噪声； 电动机噪声 1 2 江苏大学硕士学位论文 电动机噪声主要是指转子不平衡引起的低频机械噪声、通风噪声和电磁噪声。因 此电动机壳体和电动机轴配合要适当，电动机两端盖上的孔应同轴，轴承润滑要良好； 联轴器引起噪声 联轴器是液压泵与电动机之间的连接机构，如果电动机和液压泵不同轴导致联轴 器偏斜，就会产生振动与噪声。因此在安装时，两者应尽量保证同轴度在最小范围内； 机械碰撞声 机械碰撞声是由于机械零部件之间相互碰撞而产生的噪声n6 | 。两个具有相对运动 的零部件、零件存在配合间隙或传力机构的作用力发生突变时，都会产生碰撞。这些 碰撞都是刚性碰撞，产生明显的敲击声； 干摩擦声 摩擦时机械运动中普遍存在的一种现象n 引。当相互作用的两个表面产生相对运动 时，一个表面对另一个表面会产生阻滞作用，造成能量耗损和表面磨损。能量耗损的 主要形式为发热、塑性变形、振动和声辐射，也就是噪声。 ( 2 ) 流体噪声 液压系统中，流体噪声占相当大的比例。这种噪声是由于油液的流速、压力的突 然变化以及气穴等原因引起的。如由于气蚀、旋涡流动、压力冲击等引起的噪声都是 流体噪声n8 | 。液体传播噪声的根源，在于液压泵不能产生完全均匀的液体流量，另一 方面是由于系统阻抗的作用引起液体压力脉动。也就是说，液体传播噪声是液压泵流 量变化和系统回路动态阻抗相结合的产物，并非液压泵本身的固有特性。系统阻抗是 随着元件的结构参数和频率的不同而变化的。因此，想要预言一台液压泵在未来实际 工作中到底会产生多大的液体传播噪声是困难的，因为它与系统参数及阻抗的匹配有 直接关系。流体噪声可分成脉动噪声和气穴噪声两大部分n9 1 。 脉动噪声 液压系统中，如果流体的流量或压力随时间发生变化，则会在流体中产生周期性 的压力脉动。这种脉动在流体中产生周期性的压力波，从而导致系统中元件和管路作 周期性的振动，激发噪声乜引。而压力波在管路中经过反射、迭加，会出现干涉，从而 引起管路谐振，使噪声加剧。 如液压泵的脉动噪声，就是由泵的负载周期性变化以及压力、流量的周期性脉动 引起的。在液压泵的吸油和压油循环中，产生周期性的压力和流量变化，形成压力脉 江苏大学硕士学位论文 动，从而引起液压振动，并经出口向整个系统传播。同时液压回路的管道和阀将液压 泵的压力反射，在回路中产生波动，使泵产生共振，发出噪声；液压阀的脉动噪声则 是由于从溢流阀和节流阀里喷射出的大部分是高压流体，在喷流和周围流体之间产生 剪切流、紊流或涡流，由此产生高频噪声；管路内还会存在液压冲击，这是因为管路 内流动的液体常因关闭阀门而在管内形成一个很高的压力峰值，这种现象叫做液压冲 击，它不仅引起巨大的振动和噪声，压力峰值过大时还会使液压系统受到损坏乜。 气穴噪声 温度恒定的条件下，溶解于油液的空气在低压状态下析出，形成大量气泡悬浮于 油液内的现象，叫做气穴。当液体中的气泡流经高压区时，在高压下溃灭，从而使局 部压力阶跃升高，使元件或管道壁面产生剥蚀破坏的现象，叫做气蚀。发生气蚀时产 生的强烈噪声，就称为气蚀噪声口2 1 ，也叫气穴噪声。 液体中气泡的形成有两种不同的方式。如果液体中原本就混有气体，那么在油液 流经流速较高的低压区时，油液的绝对压力急剧降低，若低于空气分离压，油液中溶 解的一部分气体会大量析出，形成微小气泡，气泡不断变大、聚集，悬浮于油液内， 产生气穴乜3 l ；另一种情况是如果液体内部压力低于该液体的饱和蒸汽压，液体汽化而 加速形成气泡。由于液压油的饱和蒸汽压非常低，低于空气分离压，因此这方面的影 响相对较小，一般不去考虑。当气泡被压缩时，由于气泡内气体质量不变，因此密度 随体积的减小而增大，即风：聊“昙万，) ；在绝热过程中，气泡内压力与密度的关 系为( p ，) = c d 万盯，因此可得 告= 轨 ， 式中 a 一一任意时刻气泡内的压力( 脚口) ； 见一一初始时刻气泡内的压力( 膨砌) ； ，一一任意时刻气泡半径( 聊) ； 乞一一初始时刻气泡半径( 聊) ； 以g 一一绝热指数，万q 2 1 4 。 初始时刻，在高压作用下，气泡表面和表面外的液体将以很高的速度向气泡中心 江苏大学硕士学位论文 流动，当气泡半径缩小到，= ，m 佃时，液体流动速度为零，流动停止，此时气泡中心将 产生很高的溃灭压力，可高达1 5 0 2 0 0 脚口，这种局部阶跃升高的压力将以压力波的 形式向四周传递，随着离溃灭点距离的增加，压力波将迅速衰减。如果气泡溃灭发生 在元件内壁附近，就会使壁面产生疲劳性的剥蚀破坏，出现麻点。溃灭压力的阶跃升 高又会使流体和内壁振动从而产生噪声，这就是气穴噪声产生的过程乜5 j 。这种噪声一 部分在流体中传播，一部分经内壁辐射到空气中。其特征为：频谱为连续谱，频率分 布主要在1 0 0 0 舷以上，听起来是“嘘嘘”的尖叫声乜4 | 。 实践中发现，液压系统中最容易出现气穴噪声的元件是液压泵和各种阀啪1 ，这和 它们的结构是密切相关的。 总之，液压系统的机械噪声和流体噪声，是一个与泵、阀、油缸等整个系统有关 的复杂问题，它源于系统中各部件的振动，属于中、低频噪声。从表2 1 中可以看出 各液压元件产生噪声和传递辐射噪声的情况瞳7 1 。 表2 1 液压元件产生噪声与传递辐射噪声排名 元件与部件名称液压泵溢流阀压力阀节流阀方向阀液压缸 油箱 管路 产生噪声的名次 l2 3 4 5556 传递噪声的名次 23 3 4 3212 由此可见，液压泵、溢流阀是主要噪声源，而油箱由于体积过大，是噪声的主要 辐射体，管路、油箱等可能把液压泵溢流阀等产生的噪声放大。所以，通过降低液压 泵和油箱的噪声来降低整个液压系统的噪声影响，效果将会是十分理想的。这也是本 课题的研究重点。 2 2 液压系统噪声的控制方法及意义 上文介绍了液压系统噪声的来源，下面就可以针对性地应用噪声控制方法，实现 系统降噪的目的。具体列举如下： 使用低噪声电机，并设计好风扇，；安装时也要注意转子不能偏心、轴承完好 等，并使用弹性联轴器，以减少该环节引起的振动和噪声； 在电动机、液压泵和液压阀的安装面上设置防振胶垫，尽量用液压集成块代替 管道，以减少振动，选择脉动小的液压泵； 用蓄能器和橡胶软管减少由压力脉动引起的振动，用带有吸声材料的隔声罩； 江苏大学硕士学位论文 调整配管系统地固有频率，在振动大的地方加支撑或固定以及改变阀体的安装 位置，降低管道引起的噪声谐振，优化液压阀的进出口结构，减小液压冲击力； 将油泵与电机安置在地上，避免安装在油箱上，或在泵与油箱盖之间放置橡胶 隔垫、与泵联接的油管换成橡胶软管以及用隔声材料包覆管路等，都可以降低油箱与 管路引起的噪声。 2 3 利用油箱增压器降低系统的气穴噪声一油箱增压消噪的原理 液压泵和油箱是液压系统中噪声的主要来源。油箱内的油液与大气相通，而且系 统的回油也会将气体带入油液中，这些油液进入液压泵的吸油腔时，随着压力的骤降， 便会产生气穴现象，进一步产生气穴噪声。因此，油箱的降噪重点放在降低气穴噪声 上。而防止气穴噪声最好的办法，就是尽量保持油液的压力在空气分离压之上。所以， 提高液压泵的入口压力，即提高油箱的输出压力，是降低气穴噪声的关键。 通常的液压系统采用的是开放式油箱，油箱直接和大气相通，从图2 2 陷1 可以看出， 油箱中的油液压力为大气压力，液压泵工作时，油箱内的油液在管路以及弯管处压力 都会降低，加上泄露等其它因素引起的压力降，到达液压泵入口处时的压力损失叠加 值称为气穴潜力，也就是系统产生气穴的可能性。如果绝对压力降到空气分离压甚至 是饱和蒸汽压以下，那么油液内含有的气体就会从中分离出来形成大量气泡，产生气 穴8 | 。 力 图2 2 晋通开式油箱输出油液的压降 由于管路的压力损失是不会改变的，因此，提高油箱内油液的绝对压力，就可以 有效地提高液压泵入口处的压力值，减小气穴发生的可能性。如果采用气体增压油箱， 如图2 3 所示陋儿驯，虽然它提高了整个系统的压力，泵的进口压力也提高了，但同时 提高了油液溶解气体的饱和压力，增加了油液的含气量，空气分离压也随之大幅度上 升，而发生气穴的潜力仍等于吸油管中流动损失压降，所以同样会产生气穴噪声，效 1 6 江苏大学硕士学位论文 果并不理想。 ： ：i i ： 广 力 的 图2 3 气体增压油箱的增压原理与结构图 因此，本文提出利用封闭的活塞增压油箱来改善气体增压油箱的不足之处。原理 图如图2 4 。 力 图2 4 封闭油箱增压降噪原理图 活塞增压器的工作原理与弹簧式活塞蓄能器相似，主要是利用活塞对油箱内的油 液施加压力，大大增高了油箱内的饱和大气压，同时，又没有多余的外界空气进入， 虽然封闭油箱内油液的压力升高，但液体本身的含气量变化不是很大，因此，相对于 此时油箱内的压力而言，空气分离压要低的多。这样，当油液的绝对压力经过管路而 下降时，虽然压降值没有变化，气穴潜力却小了很多，只有在压力降到油液内气体的 饱和压力以下才有可能发生气穴，虽不能完全清除气穴现象，却明显的降低了气穴产 生的潜在可能性。所以，此方法是可行的。 1 7 江苏大学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章主要分析了液压系统出现振动和噪声的起因及控制方法，并重点研究了流体 噪声中的气穴噪声的产生原因与危害；提出液压泵和各种阀是液压系统中产生气穴现 象的主体，因此可以从这两方面入手降低气穴现象产生的可能；最后，介绍了本课题 设计的增压装置的降噪原理，即通过提高封闭油箱的输出油压来降低液压泵的气穴噪 声。与目前应用较多的其它油箱增压方法相比，本课题设计的增压装置不仅可以提高 油箱压力，而且不会影响油液的含气量，降噪效果更加明显。 1 8 江苏大学硕士学位论文 第三章增压器的结构分析与设计 前一章论述了增压器降低液压系统主油泵气穴噪声的可行性。本章节则主要对这 种新型增压器的设计原理和结构进行分析，并计算尺寸参数以及对所选材料进行强度 校核，建立合理的结构模型。 3 1 增压器的工作原理及结构分析 3 1 1 增压器的工作原理 封闭油箱增压器的结构示意图如图3 1 ： 1 一系统同油，2 一系统泄油，3 一系统出油管路，4 一动力回油单元，5 一增压缸筒 图3 1 增压装置结构原理图 将增压器安装在油箱上，油箱的油路连接与普通的开式油箱类似。共有四种油路： 1 ) 液压系统的主回油路1 ，即作功完成后液压执行元件所排出的油液流回封闭油箱的 油路；2 ) 系统泄油2 ，系统中的各路泄油流经该管路后到达开式补油油箱，然后由动 力回油单元将泄油抽入封闭油箱；3 ) 出油管路3 ，系统主液压泵通过该管路将封闭油 箱内的油液吸入，为液压系统提供动力和润滑；4 ) 主、副油箱之间的内部连接管路， 该管路完成了将开式副油箱内的低压泄油抽入封闭主油箱的功能，以维持主油箱内油 量的稳定，确保其压力恒定并保证系统的正常工作。 如图3 一l 所示，从结构上看，该增压器可分为两部分：1 ) 活塞增压装置，增压活 塞与主油箱内液面直接接触，在弹簧力的作用下，对主油箱内油液加压，提高油液的 绝对压力，只要压力值稍微提高，即可满足压力供油的要求；2 ) 动力式泄油回收液压 1 9 江苏大学硕士学位论文 单元。该部分借助于回油背压的动力，将泄油从副油箱抽入主油箱，并切断主油箱与 其它部分之间的反向回流，以维持封闭油箱内的压力恒定，保持动态平衡，该功能主 要是通过并联泵和单向阀来实现的。 工作时，主油箱上安装的活塞增压装置，通过调整弹性元件来改变增压活塞的位 置，使活塞对油液加压，这样，主油箱的压力便高于大气压，直至达到设计所要求的 压力值。与此同时，主油箱供给系统主油泵的压力也相应得到提高，高于大气压，从 而达到主油箱及液压泵吸油口增压的目的。而系统的主回油将经过管路1 ，注入动力 回油单元4 ，返回主油箱。同时，回油在回流过程中，依靠背压提供的能量，通过单 元4 将副油箱内积聚的泄油抽入主油箱，以补充主油箱内油液的损失。 3 1 2 增压器的结构分析 增压装置主要分为两部分：活塞增压装置和动力式泄油回收单元。下面详细介绍 各部分的结构和功能。 ( 1 ) 活塞增压装置 该部分是增压器中实施增压的部分，如图3 2 所示，由缸筒、活塞、弹簧、端盖、 法兰盘五部分组成。 端盏 弹簧 法兰盘 活塞 缸筒 图3 2 增压缸筒结构示意图 将缸筒插入封闭油箱，利用法兰盘连接固定，并加装密封圈，保证接触面的密封 性能。活塞直接与油箱内的液面接触，并随液面的变化而上下移动。端盖有螺纹，旋 接在缸筒上端，可以人工调节它的位置，通过位置的变化改变弹簧的弹力，将压力通 过活塞作用在油箱内的油液上，实现提高油压的目的。活塞杆替换成中空的钢管，连 接在活塞上，整个系统的回油可通过活塞杆内部流回到油箱，保证油箱内油液的充足。 2 0 江苏大学硕士学位论文 活塞杆外刻上刻度，这样，便于观察活塞的位置，以便随时调整封闭油箱内的压力或 者及时补充油箱内损失的液压油。 ( 2 ) 动力式泄油回收单元 动力式泄油回收单元主要是将系统内的泄油打回主油箱，保证封闭油箱内油量稳 定，从而确保压力的恒定。该部分主要由两个齿轮泵和三个单向阀以及一个开式补油 箱组成。结构简图3 3 ： 泄油单向阀 油泵 图3 3 动力泄油回收单元结构示意图 主油箱是封闭油箱，旁边设置一个容积较小的开式补油箱，用来储存系统工作时 的泄漏油液。这是因为主油箱内存在压力，高于普通大气压，系统的泄油无法自动回 流进主油箱，只能暂时集中在补油箱内，再由回收系统将泄油抽回主油箱。同时，由 于系统工作时存在不可回收的泄油情况，也就是说主油箱内的油液会随着工作时间的 延续而不断减少，而且，系统的泄漏量并不是很大，如果小油箱内只有泄油，那么补 油泵吸油时很容易出现吸空现象，因此，补油箱内还要预先注入小部分油液，以维持 主油箱内油量的恒定。 泵组由一个大流量和一个小流量的齿轮泵组成，将大流量泵反接，起液压马达的 作用，主油路中的油液流经整个系统后，通过回油马达流回到主油箱，由于存在压力 差，因此可以驱动马达运转。将此马达的输出轴与小流量齿轮泵的输入轴通过联轴器 连接，即可带动小泵转动，从而将补油油箱内的系统泄油吸入主油箱。由于主油箱内 压力较高，泵的输出端存在背压，因此在齿轮泵与主油箱之间安装单向阀，防止系统 停止工作时主油箱内的油液回流。另一个单向阀安装在主油箱和小油箱之间，设定好 开启压力( 压力值为主油箱内的额定压力0 1 朋，尸口) ，由于封闭油箱内油液容量的变 化是一个动态过程，所以当主油箱内油量过多引起压力过高时，可通过此单向阀泄油， 2 1 江苏大学硕士学位论文 以维持主油箱内油压的稳定。齿轮泵和单向阀的型号选择将在下一节详细介绍。 密封性：由于本装置是在密封的环境下工作的，系统内部有一定的压力，增压缸 筒各部件之间存在的密封问隙，在压力差的作用下就会产生泄露，影响整个系统的工 作性能和效率，使液压系统的设定压力降低，而且泄露也会造成环境污染，因此整个 系统对密封性的要求非常高，尤其是油箱本身以及油箱与各部件的接口部位。所以对 增压缸筒的密封要求主要是：在一定的压力作用下有良好的密封性能，并能适应一定 程度的压力变化，却不会影响吸能和泄漏量；密封元件结构简单、造成的摩擦阻力小 且阻力系数稳定；抗腐蚀、不易老化、工作寿命长、耐磨性能好且能自动补偿。本课 题设计的增压器的密封部位主要是：增压缸筒和增压活塞之间、连接缸筒和封闭油箱 的法兰盘之间、以及各管接头的密封。 3 2 材料选择、参数计算及结构设计 3 2 1 增压缸简的材料选择及结构参数计算 ( 1 ) 缸筒 设置内径d 0 = 1 0 0 聊历，正常工作时所承受的压力定为0 1 朋砌，由于油箱内的压 力会有所波动，因此设定压力范围为0 0 5 0 2m 阮。 由于缸筒要承受一定的压力，因此要有足够的强度和耐压性能，而且缸筒上还要 焊接法兰盘，所以还要有良好的焊接性能。初步选定碳素钢3 5 啪1 ，即可满足以上要求。 3 5 钢无缝钢管：5 2 0 脚口，盯。3 1 0 m 。缸筒受力分析如图3 4 。 图3 4 增压缸筒受力示意图 一澎 江苏大学硕士学位论文 建立水平方向的力平衡方程： 一矽z + 吼2 况= 0 仉：丝( 3 1 )仉= ol j lj 。 2 j 要保证缸筒在压力范围内壁厚有足够的强度，吒= 告5 2 0 m 阮。 带入数值警 5 2 0 j 剐0 1 9 2 溉 对于压力较低的容器而言，这样的厚度太薄，不可能加工出来，而且刚度不足会 引起过大的弹性变形，缸筒的顶端还要加工内螺纹，也需要有一定的厚度，同时，碳 素钢材料加工的壳体成形后最小壁厚不能小于3 所聊，根据手册口们选用热轧无缝钢管。 由内径d 0 = 1 0 0 聊坍，选取外径q = 1 1 4 聊聊，壁厚艿= 7 聊聊的钢管，钢管的理论重量 1 8 4 7 船历。 钢管的长度主要由以下几方面来确定： l = 内螺纹长+ 弹簧自由长度+ 活塞厚度+ 下余量 = 4 0 + 10 0 + 4 0 + 4 0 = 2 2 0 ，竹，”( 3 2 ) 缸筒上端的内螺纹与端盖的外螺纹相配合，在下文中会进行选择。具体的缸简尺 寸图如图3 5 所示 图3 5 缸筒结构尺寸图 ( 2 ) 活塞 先选活塞的结构形式，根据手册1 ，由于该增压器内部压力较低，因此选用结构 较为简单的整体活塞，如图3 6 ，采用0 形密封圈密封，活塞材料选用4 5 号钢。 江苏大学硕士学位论文 1 一活塞2 一密封装置3 一导向环卜活塞杆 图3 6 活塞结构示意图 缸筒内径d 0 = 1 0 0 聊所，承受的压力较小，属于动密封，但活塞移动的距离不大， 因此取初始压紧力为0 形圈截面直径变形的1 5 3 0 来进行计算，选取： o 形圈9 0 5 5 3g b 3 4 5 2 卜8 2 。结构尺寸见图3 7 ，表3 1 。 图3 7o 形密封圈尺寸图图3 8 导向环尺寸图 由于该0 形密封圈承受轴向压力，可得出密封圈沟槽尺寸啪1 为： 表3 10 形圈和沟槽尺寸 一 i j 2 多 _ ! 截面直径d z5 3 o 1 3内径d -9 0 5 o 6 6 沟槽宽度b 7 1 沟槽深度h 4 0 槽底圆半径r l0 6槽棱圆半径r 。0 2 沟槽内径公差 0 一0 0 7 单位 朋，竹 导向环选用浮动型导向环，由于该活塞承受的力较小，为了保证活塞与缸筒的同 轴度，选用两个导向环，中间装0 形圈。结构尺寸如图3 8 所示。 确定了密封圈和导向环的尺寸，即可计算得到活塞的结构尺寸如图3 9 所示： 江苏大学硕士学位论文 中 5 3 a 4 3 己 图3 9 a 活塞尺寸图图3 9 b 活塞装配图 ( 3 ) 活塞杆 本装置的活塞杆主要起油路的作用，不承担普通活塞杆的功能，因此选用空心的 热轧无缝钢管，根据手册选取外径d 3 = 3 2 聊所，壁厚万t - 4 聊肌，内径d 4 = 2 4 聊所的钢 管。钢管左端加工外螺纹，右端加工内螺纹，