潜艇液压系统管路振动与噪声的分析控制.pdf

2 0 1 1年 7月 第 3 9卷 第 1 4期 机床与液压 MACHI NE TO0L ＆ HYDRAUL I CS J u 1 ． 2 0 1 l Vo 1 ． 3 9 No ．1 4 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 1 4 ． 0 2 4 潜艇液压系统管路振动与噪声的分析控制 李伟刚，王春健，李兵尚 海军潜艇学院，山东青岛2 6 6 0 7 1 摘要 液压管路噪声是 “ 安静型”潜艇噪声的一个重要来源，有效控制液压系统管路振动与噪声是潜艇实现安静化的 重要环节。分析了潜艇液压系统管路振动与噪声产生的原因，并从机械和流体动力噪声两个源头人手，提出控制管路振动 与噪声的方法，能较好地达到减振降噪的目的。 关键词潜艇 ；液压管路 ；振动 ；噪声 中图分类号U 6 7 4 ． 6 6 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 1 4 0 7 0 2 Ana l y s i s a n d Co n t r o l o n Vi br a t i o n a n d No i s e o f Pi pe l i ne i n S u bma r i n e Hy d r a ul i c S y s t e m L I We i g a n g ，WA N G C h u n j i a n ，L I B i n g s h a n g N a v y S u b m a r i n e A c a d e m y ，Q i n g d a o S h a n d o n g 2 6 6 0 7 1 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e p i p e l i n e n o i s e o f s u b ma r i n e h y d r a u l i c s y s t e m i s a n i mp o r t a n t p a r t o f t h e n o i s e f o r t h e q u i t e s u b ma r i n e ．I t i s v e r y i mp o rta n t t o c o n t r o l t h e n o i s e a n d v i b r a t i o n o f h y d r a u l i c s y s t e m f o r t h e q u i t e s u b ma r i n e ．T h e r e a s o n s w h i c h c a u s e d v i b r a t i o n a n d n o i s e o f p i p e h n e s y s t e m we r e a n a l y z e d ．Ac c o r d i n g t o ma c h i n e r y a n d h y d r a u l i c n o i s e ．a me t h o d wa s p u t f o r w a r d t o r e d u c e t h e v i b r a t i o n a n d n o i s e．Th e r e s ul t i s v e r y g o o d． Ke y wo r d s S u b ma r i n e ； Hy d r a u l i c p i p e l i n e ； V i b r a t i o n；No i s e 众所周 知 ，潜艇 巨大 的威力来 自于它极好 的隐蔽 性 。然而 ，随着反潜技术 的飞速发展 ，现在 已经形成 了卫星、空中、水面、水下的反潜综合侦察系统 ，潜 艇的隐蔽性受到极大的挑战。潜艇的声隐身措施包括 降低水下辐射噪声和水声对抗两方面，其中降低水下 辐射噪声是主要措施。潜艇的噪声来源主要有3 个方 面机械噪声 、螺旋桨噪声和水动力噪声⋯。 由于液压系统具有工作平稳 、控制方便 、调速容 易、质量尺寸较小等特点，所以在潜艇上得到广泛应 用。潜艇液压系统在为潜艇各类系统运行提供动力的 同时，也附加产生了对潜艇安静性不利的振动。安装 在潜艇上的液压管路具有分布广泛的特点 ，一旦管路 产生了振动，这种振动将在较大范围内传递到艇体结 构上，从而影响潜艇的低噪声性能；管道内的噪声通 过管壁向舱室环境中辐射，对艇上工作、生活环境产 生很大的影响。根据现有的研究成果可以发现当螺 旋桨噪声 、水动力噪声和设备机座机械噪声被有效抑 制后 ，液压系统便成为 “ 安静型”潜艇的主要噪声 源之一。液压管路的振动与噪声不仅降低了管路自身 的可靠性，也对潜艇的隐蔽性造成较大的负面影响。 因此对液压系统管路的振动与噪声进行研究和控制， 对于潜艇减振降噪具有重要意义 。 1 潜艇液压系统管路噪声源分析 潜艇液压系统是由电机、液压泵 、阀类 、辅助装 置以及管路等所组成的密闭回路，各元件或部件产生 噪声和传递噪声程度不同。因为液压传动装置的工作 状态比较复杂，产生的噪声频带较宽 ，这反映了组成 系统各元件的共同声学作用的结果 。 通过分析潜艇上液压系统的组成和工作方式，不 难看出主要 有两 大原因引起管路振动 。 第一 ，机械设备产生的振动和噪声。在潜艇液压 系统中，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，从而产生低频噪声。联 轴器是液压泵与电动机之间的连接机构，当电动机轴 线与液压泵轴线不 同心 ，如同轴度超过0 ． 0 2 m m时 就会产生振动，发出噪声 ；如同轴度超过 0 ． 0 8 m m 时 ，就会产生特别强烈 的振动 ，噪声很大 。 由于这些机械设备与管路联接 ，设备的振动能量 可以直接传递到管路引起管路振动。此时管路振动的 频谱特征与设备的基本一致，振动峰值主要出现在低 频范 围。受阻尼 以及传递路程的影响 ，该振动将随着 和设备距离的增加而逐渐降低。 第 二 ，管 内流体 的激励 。液压 系统 由于适应不 同 收稿 日期 2 0 1 0 0 6 0 8 作者简介李伟刚 1 9 7 3 一 ，男 ，硕士研究生，主要从事导弹发射技术和装备作战使用方面的研究工作。电话0 5 3 2 5 1 8 5 8 7 1 6， E ma i l q d l wg 2 0 0 8 1 6 3 ． t o m。 第 1 4 期 李伟刚 等 潜艇液压系统管路振动与噪声的分析控制 7 1- 工况的需要，系统中某一元件会经常改变工作状态， 例如阀的开启 、泵的启动、系统的加载与卸荷或者外 载荷的变化等，在这些情况下液压系统原来的运动状 态就会发生瞬间 的变化 ，由一个原先稳定 的状态过 渡 到另一个 新 的稳 定状 态 。然 而 ，就 在 这 短暂 的时 间 内，机械设备向外输送的液压油受设备内对液压油做 功的部件 如叶轮、柱塞等的扰动以及管路上阀 件的作用将形成湍流、空化现象，当管路长度刚好等 于发生共振 的管路 长度 时 ，系统就会 产生强烈 的高频 噪声 ，此时的管路振动将具有流体动力噪声的特点。 由于管路中的弯头、阀门等具有通道面积突变和流道 方向突变特征的结构都是诱发该类振动的部位 ，而这 些管路部件通常分布在整个管路系统上 ，因此该类管 路振动又具有影响范围广泛的特点。由于这类噪声具 有中高频特性 ，往往对潜艇上声纳的工作造成不利的 影Ⅱ 耐 。 由于液压系统管路振动有不同的诱发原因，其特 征也各不相同。因此解决管路振动问题必须采取不同 的设计原则和方法 ，才能取得满意的综合效果。 2 控制液压 系统管路噪声的措施 对系统振动噪声的控制一般从噪声源与噪声传播 途径两方面进行。降低源振动或源噪声应放在首位， 然而目前的技术水平和条件决定了潜艇上大多数液压 设备产生的噪声超标，必须在其传播途径上采取适当 的控制措施 。 2 ． 1 机械噪 声源的控制 为 了控制 由电动 机、液压泵 和液压马达等机械设 备产生的振动和噪声 ，应对它们的转子进行精密的动 平衡实验 ，并注意尽量避开共振区。另外转速的大小 对液压泵等的噪声影响最大，因此在保证所需功率和 流量的前提下，应尽量降低各回转件的转速。实验证 明，将电动机的转速由1 4 5 0 r ／ m i n降低到 9 6 0 r ／ m i n 后 ，其噪声可降低 6～ 1 0 d B 。 电动机轴承与电动机壳体和电动机轴配合要适 当 ，过盈量不可过大或过小 ，电动机两端盖上 的孔应 同轴；轴承要保持 良好的润滑。可使用弹性联轴器 ， 以减少该环节 引起 的振动 和噪声 。 2 ． 2 流体动力噪声的控制 管路上能诱发流体空化的部件主要是阀件和急转 弯的弯头。而在管系加工时一般对 弯头有严格的要 求 ，管路中很少有急转弯的弯头。因此 ，阀件是唯一 的扰动源。在液压系统中，与液压泵等机械设备不 同，阀件是静止的器件 ，不会因为 自身的机械运动而 产生振动激励。而液压油通过阀件时，受阀件内复杂 的流体通道的影响，液压油的流动状态发生急剧变化 而出现空化现象，诱发管内液压油动力噪声。由于油 介质的可压缩性差，对扰动的缓冲能力很小，因此扰 动可在管路内长距离传递。当受扰动的液压油在管内 流动再遇到弯头、变截面管段等能导致液压油状态变 化 的结构 时 ，将加剧这种扰动 的强度 。因此 ，当因阀 件诱发的流体激励在管路中出现较大的响应时，控制 由此产生的管路振动噪声应必须以阀件为对象开展研 究工作 。 目前，潜艇液压系统的阀件均直接刚性安装在艇 体结构上，阀件的冲击振动能量直接通过结构传到艇 体，诱发水下噪声辐射。因此，改用弹性安装，可以 起到减小阀件冲击力向艇体传递 ，降低由此导致的辐 射噪声的作用。但是，相对于机械设备的弹性安装， 将液压系统的阀件弹性安装在艇体结构上 ，又具有 自 身的特殊性。 1 冲击 振动隔振器的选 取 弹性安装可将瞬态、强烈的冲击能量先以位移能 的形式最大限度地储存在其中，然后按弹性 一阻尼系 统本身的特性缓慢地将能量释放出来和耗散掉，从而 减少冲击激励从阀件传递到艇体的冲击激励峰值和能 量。传统的方法是在阀件和艇体安装基座之间安装隔 振器。但对用于阀件冲击振动隔离的隔振器的选型或 设计 ，应使加装的隔振器能保证尽可能地减小安装基 座对阀件液压冲击力的响应。这就要求隔振器应具有 较小的刚度，但这样往往会使阀件自身产生较大的冲 击位移。由于系统中有许多管路和阀件连接，过大的 位移对液压系统工作的安全性是无益的。因此选用隔 振器时必须同时考虑兼顾控制阀件的冲击位移响应。 所 以 ，隔振器应具有非线性渐硬 的特征 ，即随着隔振 器变形量的增加 ，其刚度也应逐渐增加。隔振器刚度 随位移上升的速率应能满足既避免产生较大的冲击力 响应又具有较小的冲击位移的要求。该类隔振器的选 型或研制需要根据阀件具体的工作特性，通过反复试 验确定 。 物体受冲击作用运动后，只有克服阻力才能耗散 运动能量。液压冲击激励的阀件振动，必须通过阻尼 作用才能耗散能量。因此要求隔振器还应具有一定的 阻尼系数 ，阻尼比应能达至 ． 1 5～ 0 ． 3 5 ，以保证隔 振器能有效地耗散冲击能量。 2 增 大阀件的附加质量 弹性安装可 以减小艇体结构对液压冲击力 的响 应，但会增加 阀件 自身的冲击位移。而当刚度一定 时，阀件的冲击位移与阀件 自身的质量有关。液压系 统产生的冲击激振力来源于管路内的液压油 ，可视为 恒定的。当冲击力一定时，质量较大的物体，对安装 基座产生的作用力较小。因此 ，在阀件上附加质量块 将有利于减小阀件受冲击后产生的位移。但受制于潜 下转第 1 0 5页 第 1 4期 张辉 等基于 V B的液压检测仪多线程采集软件设计 1 0 5， 图3 数据显示界面 利用该 检测仪对公司 玑 牵引车液压系统进行了全 面的状态检测与诊断。分 喜0 析检测数 据发现 轴向柱 1 1 ． 2 塞变量泵 的壳体 回油有压0 ． 1 力冲击 如图4所示 ，其 ” 尖峰值达 0 ． 4 8 M P a ，而泵 壳体承受最高压力为 0 ． 1 5图4 泵壳体回油压力曲线 M P a 。这就容易损坏泵 ，造成重大的经济损失。通过 分析发现造成压力冲击的原因是泵壳体回油管路是经 过散热器后回液压油箱。解决办法是更改 回油管 路，使油直接到液压油箱。问题得到解决。 3结束语 该多通道液压系统检测仪充分利用 V B开发具有 环境简单、功能强大的优点，结合调用 Wi n d o w s A P I 函数 ，解决了V B难 以开发涉及底层硬件、多线程软 件的缺点，实现了液压系统参数采样、存储、显示和 传输功能。仪器能够满足野外抢修和工作现场使用的 实际需要 ，并在实践中成功应用，将为国内液压系统 的特性分析、性能检测和故障判断提供一个便捷有效 的检测设备。 参考文献 【 1 】 刘炳文． V i s u a l B a s i c 程序设计教程[ M] ． 北京 清华大 学出版社 ， 2 0 0 2 ． 【 2 】 刘晓东 ， 苏光大． 一种基于中断的多线程高速图像采集 系统[ J ] ． 计算机工程与应用， 2 0 0 0 5 81 1 ． 【 3 】 余华云 ， 蔡莲红， 张维． 基于多线程的远程数据库电话访 问系统的设计与实现[ J ] ． 计算机工程 ， 1 9 9 9 4 1 4 1 7． 【 4 】北京阿尔泰科贸有限工司． U S B 2 0 1 6 数据采集卡使用说 明书[ M] ． 2 0 0 4 ． 4 ． 【 5 】韩军． 便携式工程机械液压系统状态检测仪 [ J ] ． 试验 检测， 2 0 0 5 9 7 8 7 9 ． 【 6 】李正平， 徐超， 陈丽娟， 等． 高速数据采集卡 WD M驱动 程序的开发 [ J ] ． 计算机技术与发展， 2 0 0 6 9 1 2 3 1 2 5． 【 7 】陶保壮， 张义超， 李炜 ， 等． 多路信号采集器的研究与开 发[ J ] ． 计算机技术与发展， 2 0 0 8 1 1 2 0 0 2 0 3 ． 上接第 7 1页 艇上的安装空间，质量块的大小应综合考虑，合理选 取。可将一些管路附件与阀件组合，装配为一个整体 构件，提高受液压冲击作用的物体的总质量。同时附 加质量可根据管路的位移补偿能力、隔振器的设计参 数、总体对空间和质量的限制条件以及噪声控制指标 的要求进行优化设计 ，并通过试验测试确定最终的取 值 范围。 3 合理匹配挠性接管 阀件与艇体结构实现弹性安装，在隔离冲击振动 的同时必将产生一定的位移。阀件与管路接口之间也 将因此产生较大的应变和应力。因此 ，应在阀件和管 路之间加装挠性接管。挠性接管的长度应能保证与阀 件运动发生 的最大位移相 匹配 。挠性 接管的刚度应 低 于阀件下的隔振器的刚度 ，避免因挠性接管刚度过大 导致阀件冲击振动隔离失效。选用的挠性接管应具有 与液压系统相匹配的使用寿命和工作压力，以确保液 压 系统运 行的安全性 。 3结论 潜艇上的液压系统既是保障艇上其他系统正常工 作不可或缺的系统，又是产生振动噪声成为影响潜艇 声隐蔽性能的源头之一。液压系统管路振动可分为由 机械振动激励并传递到管路的振动和由管内液压油与 管路相互作用产生的振动。文中提出的减振降噪措 施 ，可以有效降低潜艇液压系统管路的噪声级，但仍 然不能使之完全消除，需要继续考虑更为复杂的管路 系统动力学特性，探索潜艇液压系统管路振动与噪声 控制 的新技术 、新途径 。 参考文献 【 1 】 孔建益 ， 李公法， 侯宇， 等． 潜艇振动噪声的控制研究 [ J ] ． 噪声与振动控制 ， 2 0 0 6 5 1 4 ． 【 2 】 提文猛 ， 高频． 液压系统管路噪声及其控制方法 [ J ] ． 机 械管理开发 ， 2 0 0 7 3 1 11 2 ． 【 3 】 梁向东． 船舶管路中高频振动成因分析及控制策略研究 [ J ] ． 噪声与振动控制， 2 0 0 9 ， 2 9 3 1 0 11 0 3 ． 【 4 】 王艳林 ， 王自东， 宋卓斐， 等． 潜艇管路系统振动噪声控 制技术的现状与发展[ J ] ． 舰船科学技术， 2 0 0 8 ， 3 0 6 3 43 8 ． 【 5 】 程广福 ， 张文平， 柳贡民， 等． 船舶水管路噪声及其控制 研究[ J ] ． 噪声与振动控制 ， 2 0 0 3 ， 2 4 2 3 1 3 3 ， 4 4 ．