液压系统振动和噪声

一、振动(含共振)和噪声的危害

振动和噪声是液压设备常见故障之一，二者往往是一对李生兄弟，一般同时出现。振动和噪声有下述危害：

①影响加工件表面质量，使机器工作性能变坏；

②影响液压设备工作效率，因为为避免振动不得不降低切削速度及走刀量；

③振动加剧磨损，造成管路接头松脱，产生漏油，甚至振坏设备，造成设备人身事故；

④噪声是环境污染的一个重要部分之一，噪声使大脑疲劳，影响听力，加快心脏跳动，对人心身健康造成危害；

⑤噪声淹没危险信号和指挥信号，造成工伤事故。

二、共振、振动和噪声产生的原因

整台液压设备是众多的弹性体组成。每一个弹性体在受到冲击力、转动不平衡力、变化的摩擦力、变化的惯性力以及弹性力等的作用下，便会产生共振和振动、伴之以噪声。

振动包括受迫振动和自激振动两种形式。对液压系统而言，受迫振动来源于电机、油泵和油马达等的高速运动件的转动不平衡力，油缸、压力阀、换向阀及流量阀等的换向冲击力及流量压力的脉动，受迫振动中维持振动的交变力与振动(包括共振》可无并存关系，即当设法使振动停止时，运动的交变力仍然存在。

自激振动也称颤振。它产生于设备运行过程中。它并不是由强迫振动能源所引起的，而是由液压传动装置内部的油压、流量、作用力及质量等参数相互作用产生的。不论这个振动多么剧烈，只要运动(如加工切削运动)停止，便立即消失。例如伺服阀滑阀常产生的自激振动，其振源为滑阀的轴向液动力与管路的相互作用。

另外，液压系统中众多的弹性体的振动，可能产生单个元件的振动，也可能产生两件或两件以上元件的共振。产生共振的原因是它们的振动频率相同或相近，产生共振时，振幅增大。

产生振动和噪声的具体原因如下：

①液压系统中的振动与噪声常以油泵、油马达、油缸、压力阀为甚，方向阀次之，流量阀更次之。有时表现在泵、阀及管路之间的共振上，有关液压元件(泵、阀等)产生的振动和噪声故障，可参阅本书相关内容。

②其它原因产生的振动和噪声

i)电机振动，轴承磨损引起振动；

ii)泵与电机联轴器安装不同心(要求刚性联结时同轴度≤0.05mm;挠性联结时同轴度≤0.15mm)jii》液压设备外界振源的影响，包括负载(例如切削力的周期性变化)产生的振动。

iv)油箱强度刚度不好，例如油箱顶盖板也常是安装“电机——油泵”装置的底板其厚度太薄，刚性不好，运转时产生振动；

③液压设备上安设的元件之间的共振

i)两个或两个以上的阀(如溢流阀与溢流阀、溢流阀与顺序阀等)的弹簧产生共振。

ii)阀弹簧与配管管路的共振：如溢流阀弹簧与先导遥控管(过长)路的共振，压力表内的波尔登管与其它油管的共振等。

ii》阀的弹簧与空气的共振：如溢流阀弹簧与该阀遥控口(主阀弹簧腔)内滞留空气的共振，单向阀与阀内空气的共振等；

④油缸内存在的空气产生活塞的振动；

⑤油的流动噪声，回油管的振动；

⑥油箱的共鸣音；

⑦双泵供油回路，在两泵出油口汇流区产生的振动和噪声；

⑧阀换向引起的压力急剧变化和产生的液压冲击等产生管路的冲击噪声和振动；

⑨在使用蓄能器保压压力继电器发讯的卸荷回路中，系统中的压力继电器、溢流阀、单向阀等，会因压力频繁变化而引起振动和噪声；

⑩液控单向阀的出口有背压时，往往产生锤击声。

三、减少振动和降低噪声的措施

①各种液压元件产生的振动和噪声排除方法可参阅本书第三章至第七章的有关内容；

②对于电机的振动可平衡电机转子，电机底座下安防振橡皮垫，更换电机轴承等方法解决；

③确保“电机——油泵”装置的安装同心度；

④与外界振源隔离(如开挖防振地沟)或消除外界振源、增强与外负载的连接件的刚性；

⑤油箱装置采用防振措施(见图7—95);

⑥采取各种防共振措施：

i)改变两个共振阀中的一个阀的弹簧刚度或者使其调节压力适当改变；

i)对于管路振动，如果用手按压音色变化时说明是管路振动，可采用管夹和适当改变管路长度与粗细等方法排除、或者在管路中加入一段阻尼；

ii)彻底排除回路中的空气。

①改变回油管的尺寸(适当加粗和减短，详见§7-1的内容);

⑧两泵出油口汇流处，多半为紊流，可使汇流处稍微拉开一段距离，汇流时不要两泵出油流向成对向汇流，而成一小于90°的夹角汇流(参阅§7-1图7-20);

⑨按§10-10三、款所述方法减少液压冲击；

⑩油箱共鸣声的排除可采用加厚油箱顶板，补焊加强筋：“电机一油泵”装底座下填补一层硬橡胶板，或者“电机——油泵”装置与油箱相分离：

⑩选用带阻尼的电液换向阀，并调节换向阀的换向速度；

⑫在贮能器压力继电器回路中，采用压力继电器与继电器互锁联动电路；

⑬对于液控单向阀出现的振动可采取增高液控压力、减少出油口背压以及采用外泄式液控单向阀等措施。图10-1液压系统的高频压力振动可调消振器使用消振器：

i)高频压力振动可调消振器，如图10-1所示。在圆柱壳体1内切有螺旋槽，车有外螺纹的管子2拧入其中。当转动管子2,则2沿壳体移动。脉动的液体通过管子及壳体左端的侧孔两路进入消振器。此两路液体又在壳体1右端，即在管子的出口和螺旋槽处的出口以一定的振动相位差又汇集结合起来，因而相互抑制振动，而压出去的液体已无脉动了，它通过消振器的盖3进入液压系统。壳体中通过管子的拧进或拧出改变螺旋槽长度与管子外螺纹部分的长度比值来调节需要消振的振动频率。所需的长度差以下式确定：

式中：L₁——到管子切口处内螺旋沟槽的长度(按中径计算):

l₂——管子沟槽的长度；n=0,1,2,3,……

λ-—压力振动波的波长

变更l和Z₂的关系，可以在很宽的频率范围内应用本消振器，并可精确调整到一个主要的脉动频率处。

ii)液压系统中低频压力振动消振器(图10-2)

如图所示，在此消振器的壳体1中装有通过工作液体的通管2;在壳体内表面与管子外表面之间是密封的，里面充满压缩氮气。通管的管壁上铣有穿透槽，并用管状弹性膜片3与充气腔隔绝。为使膜片不致通过沟槽压向槽内，在管子和膜片间装有金属织物4。尺寸比较大的铣槽可保证膜片具有极高的灵敏度，因而可以有效地消除不同振幅的各种压力振动。在气体腔中加入压缩氮气的压力P₁=0.8P疲(P液为液压系统的工作压力)。

实验表明，此可调消振器安装在有剧烈振动(压油冲程的频率{=225Hz)的径向柱塞泵压力油路上，可以降低压力脉冲振幅70~90%。将腔体充氮的消振器安装在磨床液压系统中，可使工作台换向时造成压力的低频突变的振幅降低80～90%。

ii)微穿孔管液压消声器(图10-3)

这种消声器由壳体1、微穿孔管2及端盖3组成。微穿孔管与管后的容腔组成微穿孔管吸声结构。孔的加工可按图中a)或b)的排列形式制作。消声的原理是利用声波在管道中传播时，吸声结构将声能转化为热能。容腔的大小可控制峰值频率的高低。因此，它具有阻性和共性消声器的双重特点，国内已经采用。

iv)YL液压滤波器

本滤波器由西安交大与广东机械学院联合研制而成的。分K型或H型两种系列。它可大幅度降低液压系统的压力波动及流量脉动，滤波效果显著,脉动衰减率达70%以上，对改善负载系统的工作条件，并明显地降低液压系统的噪声和振动，是一种理想的附件。

v)无源液压滤波和有源滤波

液压系统中由于动源、执行机构、控制元件和负载的影响，常产生流量脉动和压力脉动，而且二者互为影响：脉动的流量遇到系统阻抗时会产生压力脉动，而脉动的压力在一定条件下也会引起流量脉动，多数情况下二者并存，在管道传输过程中产生压力波，压力波的叠加有可能引起系统元件的振动和噪声，降低执行棚构的工作平稳性。为抑制脉动的传播，减少有害影响，国内外巳出现了众多的液压滤波装置。大体上可分为无源液压滤波、有源液压滤波和组合液压滤波三类。

无源液压滤波是在油泵的出口或管路中设置一个或几个液容、液感、液阻单元或它们的各种组合，用来衰减脉动幅值。常将其串联、并联或串并联于液压系统中，它与外界无液压或机械能的交换，属内控型式。各种无源液压滤波方法的基本形式如图10-4所示。

图中1)～11)是各式各样的抗性滤波器。它们是利用压力波相互抵消或利用共振来吸收能量的原理工作的；图中12)是阻性滤波器，它通过吸声系数大的阻性材料，如石棉、橡胶等，产生较大的摩擦，把脉动能量转化为热能来衰减压力和流量脉动的。

有源液压滤波法是从外界附加一个和系统脉动幅值相同、相位相反的二次脉动，以衰减(对消)系统原来存在的一次脉动，由于系统和外界存在液压或机械能量的交换，属外控型。反相脉动是通过转换器来实现的，常用的转换器为电液伺服阀和电液比例阀，阀的开口量与电信号近似成比例关系，从而流量也与电信号近似成比例关系。电信号为脉动信号时，流量也近似为脉动信号；而且应和一次脉动的幅值近似相等、相位差近似为π,藉以对消系统的一次脉动，反向脉动另一种转换器为活塞和薄膜式，它们靠活塞或薄膜的往复运动来形成反相流量及压力脉动。

在实际应用中可将有源滤波和无源滤波联合使用，有源滤波衰减低频脉动，无源滤波衰减较高频率脉动，既可保持液压系统原有的动特性，又可在较宽频带内提高消脉效果。如设计得当，总压力脉动可衰减20dB左右。