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液压泵控装置


简介

近年来,随着海军装备现代化建设的需要和国内外各领域对设备噪声危害认识的不断提高,降低设备振动噪声已成为当前液压元件及液压系统发展需要解决的重要课题之一。

闭式液压系统用液压泵机组受其结构形式复杂、压力高、流量大、噪声源多等因素影响,是公认的液压系统最主要的噪声源,长期制约了舵机液压系统声学性能的提升。为此,需要开展低噪声低振动液压泵控机组的研制工作,提升舵机液压系统集成化和声学设计水平,为提高部队战斗力和海军装备现代化做出贡献。

本项目通过全三维建模、模态分析和机械动力学分析等设计手段,采用集成化、模块化和系列化相结合的设计方法,创新性采用11柱塞、流道内置等压力脉动抑制和声学优化结构设计,突破了柱塞泵声学结构设计和液压泵控机组整机结构声学匹配设计等关键技术,成功研制了闭式液压系统用低噪声低振动液压泵控机组,填补了国内空白,产品总体声学性能达到了国内外先进水平,具有广泛的应用前景。

成果主要内容

1、技术原理

液压泵控机组是由高性能比例控制低噪声高压双向变量通轴式轴向柱塞泵、液压控制泵、液压补油泵、比例阀、滤油器、实现各种控制功能的阀块及压力传感器、位移传感器、压差传感器等组件组成的分为主油路系统、补油路系统、控制油路系统的极为复杂的液压控制系统。

机组采用卧式水平布置结构,以三相异步电动机、通轴柱塞泵组件为主体,通过钟罩、联轴器等结构件进行连接。工作时,将电能转换为液压能,通过联轴器将电动机输出轴与柱塞泵输入轴联接,带动柱塞泵旋转,依靠柱塞泵的柱塞在缸体中的往复运动,使缸体密封工作容腔的容积发生变化来实现吸油、压油过程,将机械能转化为液压油的压力能。液压油通过各种功能的阀组合实现方向、压力、流量调节后,经外接管路传输到舵机液压缸中,控制舵机液压缸方向的变换及速度的快慢,实现操舵功能。

2、研究方案

1)分析轴向柱塞泵振动噪声产生机理,探究泵内振动噪声源,优化设计轴向柱塞泵中摩擦副、壳体和泵盖等零部件;

2)在补油、控油系统中采取设置滤波器等压力脉动抑制措施,优化选型系统组成零部件,对滤油器和管路进行声学优化设计;

3)对电机进行优化选型,严格控制电机分频噪声指标;

4)合理匹配液压泵控装置各组成结构振动参数,优化设计各零部件,实现整体结构振动噪声结构优化及布局;

5)严格把控零部件加工、装配工艺过程,探究关键零部件加工精度和振动噪声关联性,改进现有加工装配工艺,提高零部件加工质量和精度。

6)对重要零部件采用新型减振降噪材料,开展减振材料与液压元件匹配性和适用性研究。

3、关键技术

1)轴向柱塞泵结构优化设计关键技术

a)利用CFD仿真与模拟软件,对柱塞泵配流结构、变量机构、泵盖内流道以及泵内三维动态流场等进行充分的仿真与模拟,获得柱塞泵内流体的相关特性,分析流量脉动、压力脉动和气穴气蚀等流体特性;利用ANSYSADAMS等软件,对斜盘与变量机构、轴承、主泵转子体等进行动力学分析;开展轴向柱塞泵结构优化设计。

b)针对液压泵控机组使用环境搭建压力脉动试验台架,并配备相应的数据采集系统,重点针对压力脉动峰峰值(时域)和特征频率点脉动量值(频域)进行数据收集和分析工作;开展低噪声低脉动辅助泵的适装性分析、优化选型和试验验证。

2)液压泵控机组零部件及整机声学优化设计技术

a)利用仿真与模拟软件对壳体、钟罩、底板等进行模态分析和结构响应分析,开展结构匹配性设计和声学优化。

b)优选阻尼合金材料对振动传递路径中的零部件进行声学优化。

c)开展液压泵与电机的联合设计研究,对液压泵和电机的结构扰动进行分析及计算,对电机与液压泵的耦合形式进行仿真分析及试验研究。

d)根据液压泵控机组的结构特点,运用动平衡技术,开展整机动平衡检测及校正,降低轴频引起的振动噪声。

3)振动噪声测试、声源识别和分析技术

a)建立与实际系统负载特性、管路布置、设备安装基础阻抗一致的试验台架系统,配置先进的振动噪声测试系统对设备进行测试,从而在台架试验环境下得到与实际系统接近的振动噪声数据。

b)结合液压泵控机组的结构特点,利用台架试验测试结果,使用频率分析等方法进行声源特性分析;使用多通道振动噪声测试设备,从激励源至设备机脚进行多点测试,开展振动传递途径和特性分析。

4、主要创新点

1)轴向柱塞泵声学结构优化设计

a)主泵采用11柱塞结构,降低流量脉动。

b)对配流盘过渡区上的消音槽进行声学优化设计,降低配流冲击引起的流体噪声。

c)优化变量斜盘的结构,控制交变力矩的过零特性。

d)优化设计主泵壳体和变量机构壳体结构,开展模态分析,增设加强筋,提高壳体刚度。

e)优化设计变量缸和变量斜盘结构,增加结构刚度,匹配变量组件固有频率特性。

2)采用模块化设计和高度集成式设计

a)主泵、补油泵和控制泵共用一根传动轴,由一台电动机驱动;

b)优化压力检测部件,采用内部流道替代外接管路,结构更加紧凑并提高了维修性;

c)各种液压阀(如短路阀、比例阀、单向阀)、滤油器等元件采用板式、叠加或插装结构安装在主泵泵盖上,结构紧凑、体积小、集成度高。

3)开展整机结构振动特性研究和声学匹配设计

a)优化外围连接管路,采用内部流道替代外接管路,匹配管路的固有频率,提高管路刚度。在提高结构紧凑性和可靠性的同时降低振动噪声。

b)优化设计多种钟罩结构,减小主泵振动的传递。通过模态分析和试验进行优选。

c)优化设计联轴器,减小由联轴器转动不平衡产生的干扰力。

d)优化设计多种连接底板,采用改变结构、重量、刚度的措施改变机组固有频率,实现更好的减振效果。通过模态分析和试验进行优选。

e)优化选型低噪声电机,减小电机对液压泵控机组振动噪声的影响。

5、与国内外同类产品振动噪声对比

1)本项目研制的产品与原装船设备相比:

a)空气噪声同比下降5 dBA)(下降6%);

b)振动烈度同比下降3.5mm/s(下降78%);

c)机脚振动加速度级同比下降25dB(下降17%)。

2)本项目研制的产品与进口设备相比:

a)空气噪声同比下降2.5 dBA)(下降3%);

b)振动烈度同比下降2.6mm/s(下降72%);

c)机脚振动加速度级同比下降5dB(下降4%)。

社会效益

低噪声低振动液压泵控机组已经成功应用于某型船用舵机液压系统,产品已经交付数十套。经用户反馈,该产品运行情况稳定,各项功能、性能满足使用要求,声学性能较前一代产品有显著提高,为提高部队战斗力和海军装备现代化做出了积极贡献。