液压元件故障分析 叶片泵 液压泵 降低子母叶片泵噪声的对策及效果.pdf

第 6 期 总第 l 3 期 2 0 0 5年 1 1 月 流 体 传 动 与 控 制 F l u i d P o we r T r a n s mi s s i o n a n d Co n t ml 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 1 0 0 0 8 3 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 素 基 于 理 论 分 析 进 而 提 出 了 降 低 叶 片 泵 的 解 决 措 施 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 T 文献标识码 A 文章编号 2 0 0 5 0 6 0 0 o 4 0 0 4 2 0 0 0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 1 7 5 2 1 M P a 流量大 1 9 2 2 5 L m i n 转速高 1 8 0 0 2 2 0 0 r m i n 噪声 低 6 2 6 9 d B 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 收稿 日期 2 0 0 5 0 8 0 8 作者简介 刘秀利 从 事技术 和编辑工作 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 J 昌 O H 车 髦 二 l 一 O f g f 2 士 I O l f 书 O J f 一 图 1 等加速等减速定子曲线的特性 维普资讯 2 0 0 5年 1 1 月 刘秀利 降低子母叶片泵噪声的对策及效果 5 2 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 a b c d 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 a b c d 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 a b c d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 E l 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 4 8 我们将其扩大到 7 4 两边 1 3 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 5 d B 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 p P2 图 3 闭死容积升压过程 维普资讯 6 流体传动与控制 2 0 0 5 年第 6期 图 4 V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 9 0 V形槽 我们将截面形状改变为等边三角 形 6 0 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 3 d B 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 8 0 8 5 提高到 8 6 9 1 整体噪声比原产品降 低 1 3 d B 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 0 5 0 0 8 我们将其控 制在 0 0 2 0 0 3 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 1 0 0 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 9 8 以 上 产 品性能 指标 的噪声 值 满足 设 计要求 达 到 1 o 0 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 维普资讯 2 0 0 5 年 1 1 月 刘秀利 降低子母叶片泵噪声的对策及效果 7 测定工况 1 2 0 0 r m i n 1 4 M P a 5 0 N 4 6抗磨液压油 Co unt e r m e a s ur e a n d Effe c t f o r De c r e a s i n g No i s e f r o m I nt r a v a ne Pum p s U U Xi u l i Abs t r a c t I n t h i s p a p e r t he s o u r c e o f n o i s e f r o m a n i n t r a v a n e pu mp a n d t h e f a c t o r o f e f f e c t o n t h i s n o i s e a r e t h e o r e t i c a l l y a n a l y z e d On t h e b a s i s t h e c o u n t e r me a s ur e h o w t o de c r e a s e t he n o i s e f u r t h e r r a i s e d Thr o u g h a c t u a l e x pe r i me n t t he o p t i mi z a t i o n o f k e y s t r uc t u r a l f a c t o r h a s be e n d e s i g n e d a n d fin a l l y t a n g i bl e r e s u l t f o r de c r e a s i n g n o i s e o bt a i n e d Ke y wor ds v a n e p ump de c r e a s i n g n o i s e c o u n t e rm e a s u r e e f f e c t 葱 宁波华液机器制造有限公司 何威国际贸易 上海 有限公司 上海科先液压成套有限公司 喜开理 上海 机器有限公司 贺尔碧格 无锡 自动化技术有限公司 煤炭科学研究总院上海分院液压研究所 挪威宝尔液压马达上海办事处 贺德克液压技术 上海 有限公司 贺德尔液压技术 上海 有限公司 北京凯铭工 贸有限责任公 司 中国黎 明液压有限公 司 中国济宁泰丰液压设备有限公司 上海航 空发动机制造厂 上海强田流体技术有限公司 北京 东山机械技 术有限公 司 沔镇液压机械 上海 有限公司 康百世机电 上海 有限公司 德国利达时 上海导速科贸有限公司 费斯托 中国 有限公司 三湘工业器材有限公 司 魏