变负负载液压调速回路振动噪声问题分析.pdf

液 压 气 动 与 密 ／2 0 1 5- F - 3 1 S “ 0 4期 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 5 ． 0 4 ． 0 0 4 变负负载液压调速回路振动噪声问题分析 王道 臣， 崔广志， 李建冬 北京机械设备研究所 电液传动与控制实验室， 北京 1 0 0 8 5 4 摘要 针对某液压回路产生的噪声问题， 从液压缸的受力 、 液控单向阀的数学模型等方面进行了分析， 并在仿真软件中建立 了系统 的仿真模型， 发现系统产生噪声的原因并提出解决方案， 并从仿真结果和试验结果两方面证明了解决方案的正确性。 关键词 负负载； 振动； 噪声 ； 调速回路 中图分类号 T H1 3 7 ． 1 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 5 0 4 0 0 1 2 0 3 An a l y s i s o f Vi b r a t i o n No i s e o f Hy d r a u l i c S p e e d Re g u l a t i o n L o o p o f Va fio u s Lo a d WA NG Da o c h e n， CU IGu a n g - z h i ， L I J i a n d o n g E l e c t r o Hy d r a u l i c Dr i v e a n d C o n t r o l L a b o r a t o r y， B e i J i n g Ma c h i n e ry a n d E q u i p me n t R e s e a r c h I n s t i t u t e ， B e i j i n g 1 0 0 8 5 4 ， C h i n a Abs t r a c t Th e t r o u b l e o f v i b r a t i o n n o i s e o f o n e h y d r a u l i c s p e e d r e g u l a t i o n l o o p o f v a r i o u s l o a d i s p u t f o r wa r d ． Th e c a u s e s o f t h e t r o u b l e a r e a n a l y z e d f r o m t h e l o a d o f h y dr a u l i c c y l i n d e r， t h e ma the ma t i c a l mo d e l o f h y dra u l i c c o n t r o l c h e c k v a l v e a n d s i mu l a t i o n mo d e l o f t h e s y s - t e rn ． T h e m e a s u r e t o s o l v e t h e tro u b l e i s p u t f o rw a r d a n d c o n fi r me d fro m s i mu l a t i o n a n d t e s t ． Ke y wor ds n e g a t i v e l o a d； v i b r a t i o n； n o i s e； s p e e d r e g u l a t i o n l o o p 0 引言 某液压 系统 的液压缸 承受 负负载 ， 且该 负负 载随 液压缸行程 的变化而变化 ， 液压缸的受力如 图 l 所示 ， 其中液压缸缸筒通过关节轴承安装于固定点E， 活塞杆 通过关节轴承安装 于A O D C的 D点 ， 液压缸拉动A O D C 绕固定点0 逆时针转动。忽略A O D C的重量 ， 负载作用 在A O D C的 C点 ， O D与 轴夹角为0 。 、 0 E l H、 ＼、 图 1 液压缸 受力关系 为实现对该液压 缸 的速度控制 ， 采 用 图2 所 示 的 回油节流 调速 回路 。在调试 中发现 ， 角 在 由大变小 的过程 中 ， 当角 、 到一定程度后 ， 系统发 出强烈 的振 动噪声 ， 并且调速 阀速度越小 ， 噪声发生时对应 的角0 值越大 。 l 液压缸负载分析 为 了对液压 回路发生 噪声 问题进行分析 ， 首先分 收 稿 日期 2 0 1 4 0 9 1 2 作者简介 王道臣 1 9 8 4 一 ， 男 ， 山东德州人， 工程师， 硕士研究生， 主要从 事液压传动及控制方面的设计与研究。 1 2 析 液压缸 的受力 。液压缸受力 F与 图 1 中所示 为作用 力与反作用力关系。 图2 液压原理图 在图 1 中， 由牛顿力学知 F D G- O C c o s O LC O D 0 1 有三角函数知 O H O D s i n A O D E 2 O D D E 2 - 2 0 D D E c o s LD D E O U 3 DD OE 2 - 2 0D O Ec o s ADO E DE 4 其 中 LD O E O a 5 2 液控单向阀的分析 回路 中采用 的是直 动式液 控单 向阀 ， 直动式液控 单 向阀按 照控制活塞 泄油方 式 的不 同可 以分 为 内泄 式 和外泄式 ， 直动式液控单 向阀简化模 型” ， 如图 3 所 不 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 0 4 ．2 0 1 5 b 外泄式 图 3 液 控单向 阀简化模型 对于内泄式液控单 向阀 当主阀开启流通时， 主阀芯受力平衡方程为 p e t 1 -- p , A2 p B - p A 。 6 式中 A ． 控制活塞的有效面积 ； A 控制活塞有杆腔的有效面积 ； A ， 锥 阀阀 口的面积 ； p 液控单 向阀控制压力 ； p A 液控单向阀A口压力； p B 液控单向阀B E l 压力； F 锥 阀弹簧的弹簧力 ； 。、 控制活塞处与主阀处的摩擦阻力 。 忽略控制活塞处与主阀处的摩擦阻力 ， 则式 6 可 简化为 p e t --- p A l l 2 p B _ p A 3 7 对于外泄式液控单向阀， 忽略泄油 口背压对阀的 影响 ， 式 7 变为 p A p A A 2 p n - p ， 8 由式 7 、 式 8 可见 ， 液控单 向阀的开启压力除与 液控单向阀本身结构决定的参数A 、 4 、 A 及弹簧力 外 ， 还与液控单 向阀A口压力 p A 、 B E l 压力p B 有关。 本文所提案例中使用的是内泄式液控单向阀， 该 阀密封效果十分良 好 ， 在很多系统中有广泛的应用。 3 仿真分析 根据速度控制 回路 的液压缸 受力分析图 、 液 压原 理图和单 向阀的数学模 型 ， 利用 AM E S i m软件 中的信 号库 、 机械库和液压库口 建立回路的仿真模型如图4 。 以角度 为液压缸负载的输人信号 ， 通过， 2 和．， 2 ， Y 转化为液压缸的受力 作用在液压缸上。根据式 7 采用 由控制压力P 、 A口压力 P 和 B口压力 p B 之间 的函数控制二位二通电磁换向阀通断来实现液控单向 阀功能 。模 型中全局参数见表 1 ， 各 主要 函数 、 元件 的 主要参数见表 2 。 设油缸从角度0 为 1 ．3 r a d 转动到角度0 为0 ． 1 r a d ， 仿 真时间为 1 0 s ， 仿真步长0 ． 0 0 1 ， 液压缸所受负负载随时 间变化如图 5 ， 可见 ， 液压缸所承受负载随时间的增加 而增大 ， 即随角度 的减小而增大。 图 4 回路仿真模型 表1仿真模型中全局参数 表2 仿真模型中各主要函数、 元件的主要参数 参数名 称 参数 值 f l X f 1 置 f 2 x f 2 x ,y 泵转速 泵排量 溢流阀压力 液压缸活塞直径 液压缸活塞杆直 A 1 O _ 力 ／ 1 0 A 3 y ／ 1 0 A 2 只 O E。 0 1 9 - 2 O E 0 1 9 c o s x a 。 G O l 0 1 9 s i n a c o s 。 ∞ 一 O E ， 2 X 0 1 3 c o s y C O D l O 0 0 r ／ mi n 1 O 0 m 1 4 0 b a r 2 0 0 ram 1 3 0 mm 如 图5液压缸受力随时间变化图 不同调速 阀流量 1 ． 5 、 3 、 4 ． 5 、 6 L ／ mi n 下 ， 液压缸的 运行速度如图6 所示。可知， 随调速阀流量的增大， 液 压 缸运动速度发生振动的时间越 晚 ， 即液压缸运动速 度开始振动时对应的负负载越大。 l 3 液 压 气 动 与 密 J 0 “ ／20 1 5年 第 0 4期 一t 三 一 l 5I _ ／ m 1 n ” - ■啊 ●■■■_ 一 啊嘲 冁_啊 嘲喇曝■■目 l 胃 孵 I I I J I I I 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 ．0 9 0 l O O U s 图 6 不 同调 速阀流量下液压缸运行速 度 为进一步分析 ， 将调速阀流量 3 L ／ mi n 以下 ， 液压缸 运动速度进行局部放大 ， 见图7 。液压缸运动速度 随时 间的增 大振 动频率越来越快 ， 振动 幅值越来越大 。二 位二通 阀的输人信号见图 8 ， 6 ． 6 s 之前该 阀一直处 于开 启状态 ， 6 ． 6 s 后该 阀在开启和关 闭之 间来 回切换 ， 且切 换频率越来越快 。 l o 3 2 8 2 6 呼 2 4 2 ．2 2 ． 0 1 8 如 图7 调速阀 3 L ／ mi n 条件 下液压缸速度 心 地 66 O 6_ 8 O 7 0 0 7 2 O 74 0 U s 图8 调速 阀3 L ／ min条件下二位二通 阀的输入 信号 4 问题分析与结论 由图7 和图 8 可知 ， 在不断增大液压缸承受负负载 和调速 阀产 生背压的作用下 ， 液控单 向阀 B口压力 P 和A口压力p A 逐渐升高， 当达到一定程度后， 液控单向 阀趋向关闭， P 下降， 液控单向阀打开， p A 升高 ， 液控单 向阀趋向关闭⋯⋯液控单向阀不断在开启和关闭之间 切换 ， 从而造成液压缸运行速度振 动并导致 系统 发生 强烈振动噪声 。 为了避免液控单 向阀A口压力对阀开启与关闭的 影响， 首选方法是将调速阀移至液控单向阀和液压缸 之间， 使液控单向阀的出口直接通过换向阀回油箱 一 ， - - - - - 上接第6 8 页 【 3 】 付永领， 祁晓野．AME S i m系统建模和仿真一从入门到精通 【 M 】 ．北京 北京航空航天大学出版社， 2 0 0 6 ． 【 4 】 苏绍禹． 风力发电设计与运行维护[ M】 ． 北京 中国电力出版 社． 2 0 0 2 ． 1 4 但因系统本身结构限制， 此方法无法实现， 故采用华德 公司生产的某 型号外 泄式液 控单 向阀 ， 减小液控单 向 阀出 口压力 p A 对液控单向阀开启 的影响。 由式 7 和式 8 可知 ， 外泄式液控单 向阀和 内泄 式液控单向阀数学模型相同， 将外泄式液控单向阀的 参数 l 1 0 1 7 mm 2 , A 2 l 1 3 m m2 , A 3 3 4 6 m m2 , F ,, 1 5 2 ． 5 5 N 代人仿真模型得到不同调速 阀流量 1 ．5 、 3 、 4 ．5 、 6 L ／ m i n 下 ， 液压缸 的运行速度仿真结果如 图9 所示 。由图 9 可见 ， 液压缸在整个运动过程 中运行速度平稳 ， 没有 发生图 6 所示 的速度振荡现象 ， 初步证 明此措施有效 。 并且将该外泄式液控单 向阀更换于系统后进行 了多次 试验 ， 因试验条件 限制 ， 无法采集油缸的运行速度 ， 但 通过观测 ， 液压 系统运行正常 ， 无异常噪声 ， 进一 步证 明了此措施 的正确性 。 哆 g ＼ 2 0 3 ． 0 4 0 5 0 60 70 8 0 90 1 00 如 图 9 不同调速 阀流量 下液 压缸 的运行速度 在液压缸承受 变化负负载的工况下 ， 采用液控单 向阀位于调速 阀和液压缸之间 的调速 回路时 ， 一般选 择开启 比大 的外泄式液控单 向阀 ， 否则液控 单 向阀在 调速阀产生的背压和负负载产生的压力作用下容易发 生不断 的开启和关 闭变化 ， 造成液压系统产生较大振 动噪声 ， 严重时液压缸可能产生抖动现象 ， 影响系统正 常功能的实现 。 参考文献 [ 1 】 王文深， 张纪良． 平衡 回路中液控单向阀反向开启控制压力 的计算与分析[ J ] ． 组合机床与 自动化加工技术， 2 0 0 3 ， 8 6 3 6 4 ． [ 2 】 付永领． A ME S i m系统建模与仿真一从入门到精通【 M] ． 北 京 北京航空航天大学出版社， 2 0 0 6 ． [ 3 ]3 韩桂华． 液压系统设计技巧与禁忌【 M】 ． 北京 化学工业出版 社 。 2 0 1 2 ． 【 4 】 北京华德液压工业集团有限责任公司． 方 向阀系列技术样 本【 z ] ． 北京 北京华德液压工业集团有限责任公司， 2 0 1 2 ． - 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