液压轴向柱塞泵降噪研究进展

文章编号:1004-132Ⅹ(2003)07-0623-04

液压轴向柱塞泵降噪研究进展

杨　俭　徐　兵　杨华勇

　　　　摘要:对国内外液压轴向柱塞泵的各种降噪方法和目前的研究情况进

行了综述。介绍了液压轴向柱塞泵噪声产生的主要原因及机理。对纯预压和减压式配流盘、配流盘带有节流孔、配流盘带有三角槽、配流盘带有单向阀、泵缸体带有弹性环和柱塞空心孔内安装有蓄能器这几种结构形式,从工作原理、结构特点和降噪效果上进行了分析。对液压轴向柱塞泵的降噪方法提出了建议。

关键词:液压轴向柱塞泵;降噪效果;结构;配流盘

中图分类号:TH137.51　　　文献标识码:A

在额定工况下具有较好的适用性。但对于变压、变流量的泵适应性差。因为H1和H2是根据额定工况确定的,工况一变,就难以避免一定的压力突

变。对于额定压力高、1.排油腔　2.吸油腔　3.配流盘缸孔死容积大的泵来图1　纯预压和减压式配流盘说,只靠纯预压、减压来避免压力突变是难以实现的。

杨　俭　教授

1　液压轴向柱塞泵噪声产生的主要原因

液压轴向柱塞泵(简称柱塞泵)的噪声概括起来可以划分为流体噪声和机械噪声两大类。其流体噪声包括泵的输出压力脉动、吸空及汽蚀产生的噪

声和配流噪声。配流噪声是柱塞泵流体噪声的主要组成部分,也是柱塞泵噪声的主要根源之一。柱塞泵在配流过程中,当柱塞腔从吸油区向排油区过渡时,充满低压油的柱塞腔突然与排油区的高压油接通瞬间,高压油从排油区进入柱塞腔,形成流量倒灌冲击。随着柱塞的运动与倒灌流量的增加,柱塞腔内压力上升至与排油区压力相等,由于柱塞的继续压入,柱塞腔进入排油工况。但是,由于油液的惯性与阻尼作用,油液排出受到限制,柱塞腔内压力因此升高并超过排油区压力,形成压力正超调。同理,当柱塞腔从排油区向吸油区过渡时会产生流量释放冲击,形成压力负超调。压力升降与压力超调形成的液压冲击最终表现为柱塞泵的结构噪声,而流量倒灌与流量释放则表现为柱塞泵的输出油液的流体噪声。

3　配流盘带有节流孔的结构形式

图2为节流孔式配流盘示意图,图中节流孔底部与排油腔(或吸油腔)相接通。它借助于柱塞在缸孔内运动以及经过节流孔向缸孔内注入(或从缸孔内泄出)部分液体所共同产生的预升压(或预减压)作用,来消除缸孔内的压力突变。这样就可以取较小的包角H1和H2,避免H1和H2过大带来的缺陷。

1.排油腔　2.节流孔3.吸油腔　4.配流盘

2　纯预压和减压结构形式

1的遮盖如图1所示,在配流盘上设置角度为H

区,使缸孔离开吸油腔后不马上与排油腔相接通,

而是转过H1角度的压缩行程,使缸孔内压力升至排油压力后,再与排油腔接通,从而避免压力冲击。同理,设置H2也可以使缸体内压力预先减至吸油腔压力,然后再与吸油腔接通。

该结构对于额定压力低、缸孔死容积小的泵,

收稿日期:2002—03—22

基金项目:国家自然科学基金资助项目(5017097)

图2　节流孔式配流盘

由于节流孔与排(吸)油腔相通,当缸孔内的

压力与排(吸)油腔压力不等时,液体通过节流孔注入(或泄出)缸孔的流动就不会停止,而会继续进行。两者压力差别越大,流过节流孔的液体流量就越大,因而缸孔内的压力上升(或下降)的速度也快,这就使缸孔内的压力和排(吸)油腔压力很

・623・中国机械工程第14卷第7期2003年4月上半月

快接近。当工况发生变化后,如负载压力高于额定压力后,缸孔在接近排油腔时,两者压力差将比额定工况时大,此时由节流孔注入缸孔的流量比额定工况下在同一位置上注入缸孔的流量大,直到缸孔内的压力接近于排油腔压力,注入流量才变小,缸孔内压力上升也随之缓慢。因而,当缸孔与排油腔接通时,两者压力相差不大。节流孔结构对工况偏离额定工况的情况具有一定的适用性。

死点轴,ON是上死点处两配油腰槽间隔平面的中心线,与Oy轴的夹角为H0,偏转方向与转子转向相同,ON′则是两配油腰槽在下死点处间隔平面的中

0表示,其偏转方向与心线,与Oy′轴的夹角以-H

转子转向相反。配流盘的结构特征是,排油腰槽夹

角比吸油腰槽包角小,两个三角槽尺寸相同但不再保持中心对称。柱塞缸的预卸压过程没有封闭的机械膨胀作用,预卸压过程不会出现柱塞缸内压力低的现象。改进后的配流盘对消除气穴振动,进一步降低泵噪声有明显效果。图5是新型配流盘与通用配流盘的噪声对比曲线。

4　配流盘带有三角槽结构形式

图3为三角槽式配流盘示意图。包角为H1的区

域为升压区,在此区域内,通过三角槽流入和柱塞压缩的作用,使缸孔内压力由吸油压力逐渐上升至排油压力,以避免压力突变。同理,包角为H2的区域为预减压区。由于三角槽是变阻尼节流,因此油液注入或流出缸孔的流

1.排油腔　2.三角槽3.吸油腔　4.配流盘

1.原配流盘　2.新配流盘

图5　噪声对比曲线

图3　三角槽式配流盘

5　配流盘带有单向阀的结构形式

[13,14]

量变化比较平稳,因而缸孔内的压力变化也比节流孔式的平缓,对工况变化具有较好的适应性。三角槽易加工,不易堵塞,因此其结构优于节流孔。该结构可比节流孔结构降低噪声4dB(A)左右。文献[1]利用频谱分析方法对三角槽式配流盘柱塞泵的降噪机理进行了分析,并识别出主要噪声源的部位。文献[2～8]对三角槽式配流盘配流过程进行了仿真,分析了三角槽的结构对压力脉动的影响,得出三角槽是降低噪声的理想结构的结论。文献[9]对柱塞泵噪声的测量方法进行了系统研究。文献[10]对63YCY14—1B型斜盘式恒功率变量泵进行了研究,通过采用三角槽式配流盘,合理设计三角槽结构尺寸,将原来噪声为88dB(A)降低为79dB(A)以下,取得了显著效果。

文献[11,12]将其三角槽的位置非对称布置,见图4。Oy是柱塞运动・624・1.排油腔　2.三角槽3.吸油腔　4.配流盘

如图6和图7所示,在配流盘上装有两个高阻

1.排油腔　2.吸油腔3.配流盘　4.单向阀

图6　带有单向阀配流盘工作原理

尼单向阀。在从吸油腔到排油腔段,利用两个单向阀抑制低压油突然与高压油接通瞬间导致高压油从排油区进入柱塞腔形成流量倒灌及压力冲击现象。只有当柱塞腔压力油的压力与排油

1.排油腔　2.配流盘　3.单向阀4.单向阀　5.阀体　6.阻尼孔

图4　三角槽非对称式配流盘

图7　排油阶段结构示意图

液压轴向柱塞泵降噪研究进展——杨　俭　徐　兵　杨华勇

腔的压力相等时,打开单向阀,柱塞腔才能向排油腔排油,避免了压力正超调,进而抑制压力脉动,以减少流体运动所产生的噪声。结果表明,采用该结构,在各种工况下噪声降低1～6dB(A),噪声等级有明显的降低。

喜成绩。文献[13,14]中,只在吸油腔到排油腔段安装了两个单向阀,如果在排油腔到吸油腔段再安装两个单向阀,也许效果会更好,当然这需要进一步研究。文献[15]介绍的泵缸体带有弹性环的结构形式对于降低压力脉动,无疑是一种较好的结构形式。柱塞空心孔内安装有蓄能器,对于降低噪声是一种新的结构形式,从降噪原理来讲是可行的。当然要实现这一目标,尚有大量的工作要做,目前浙江大学流体传动及控制国家重点实验室正在进行此项研究。

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6　泵缸体带有弹性环的结构形式

如图8所示,将弹性环5装在柱塞腔体和泵体之间。在柱塞从吸油腔进入排油腔的过渡期间,弹性环的断面发生变化,变化程度取决于工作压力的大小。每个柱塞腔都与弹性环相

通,弹性环沿径向是浮

1.配流盘　2.柱塞　3.环形体

动的。工作时由于压力4.密封圈　5.弹性环　6.密封圈的作用弹性环发生变　图8　带有弹性环柱塞形,吸收或释放压力能,泵示意图以抑制由低压向高压或

由高压向低压过渡过程所产生的压力脉动,从而达到降噪的目的。文献[15]对弹性环的载荷特性、几何尺寸、装配及结构设计进行了分析,把有限元理论和柱塞腔内液压动态模型相结合,对柱塞泵的动态特性进行了数值仿真。根据不同的工况,改进后的压力脉动降至改进前的5%～60%,经实验验证,改进后泵的效率并没有受到影响。

7　柱塞空心孔内安装蓄能器的结构形式

如图9所示,在空心柱塞内装有蓄能器,并由端盖固定。当柱塞腔从吸油区向排油区过渡时,充满低压油的柱塞腔突然与排油区的高压油接通瞬间,蓄能器

1.柱塞　2.蓄能器　3.端盖

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图9　带有蓄能器结构示意图

吸收从排油区来的

高压油瞬间脉动,以抑制液体流动所产生的噪声。同理,当柱塞腔从排油区向吸油区过渡时,充满高压油的柱塞腔突然与吸油区的低压油接通瞬间,蓄能器释放能量来抑制液体流动所产生压力负超调,进而抑制压力脉动。

8　结语

由于液压泵是液压系统的主要噪声源,因此研究液压泵降噪是非常有意义的。目前,大量研究集中在对配流盘的结构采取措施,已经取得了可

・625・中国机械工程第14卷第7期2003年4月上半月

文章编号:1004-132Ⅹ(2003)07-0626-04

采用耦合机构驱动的压电电机的研究进展

鹿存跃　赵淳生

　　　　摘要:给出了压电电机的定义,按驱动方式对压电电机进行了分类;介绍

了耦合机构驱动的概念及从蠕动驱动到楔蠕动驱动再到离合器驱动的发展过程。指出离合器驱动方式与传统的摩擦驱动方式相比,优点在于消除了摩擦损耗和易于进行精确的位置控制等;介绍了两种采用离合器耦合驱动的压

电旋转型电机;分析了电机在研制过程中的技术难点在于消除或减小离合器

回程间隙及位移放大机构等;指出耦合机构驱动的旋转型压电电机是今后压鹿存跃　博士研究生电电机发展的一个重要方向。

关键词:超声电机;压电电机;压电陶瓷;发展状况中图分类号:TM356　　　文献标识码:A

电机技术已经比较成熟,但一般扭矩不大;纵扭电机的突出优点是可以在低速下得到很大的输出扭矩,但其定子、转子之间磨损严重。摩擦接触限制了直接摩擦驱动型电机的性能,摩擦造成的能量损失降低了电机的效率,能达到的最大力矩受到摩擦力的限制,惯性滑动使电机难以立即启动和停止,用于位置的精确控制相对困难。国外在20世纪90年代末提出了一种利用流体介质驱动的新型超声电机,靠流体介质将定子的机械变形能转化为转子的运动机械能,由于定子和转子之间不直接接触,电机寿命长,但其转速很高,可传递的力矩很小,应用范围局限性较大。与上述两种驱动方式相比,耦合机构驱动方式除了具有纵扭旋转电机的低速、大扭矩的优点外,还有长时间工作稳定、转角可精确控制的优点。对耦合机构驱动方式进行深入研究,

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作者简介:杨　俭,男,1962年生。浙江大学(杭州市　310027)流体传动及控制国家重点实验室教授。研究方向为流体振动和流动噪声控制。发表论文40余篇。徐　兵,男,1971年生。浙江大学流体传动及控制国家重点实验室博士。杨华勇,男,1961年生。浙江大学流体传动及控制国家重点实验室教授、博士研究生导师。

[1]

1　压电电机的驱动方式

在交变电场的作用下,压电陶瓷(PZT)材料会产生伸缩现象,这是压电陶瓷材料的逆压电效应。压电电机正是利用压电陶瓷的逆压电效应,通过压电体的各种变形模式,激发弹性体(如定子)的微观

振动位移,并通过驱动机构将其转化为单一方向的直线或旋转运动。当压电电机的驱动频率达到超声频率(大于20kHz)时,则称为超声电机。

压电电机的驱动方式主要有直接摩擦驱动、耦合机构驱动和流体驱动。旋转型压电电机多采用直接摩擦驱动,如行波电机、纵扭电机等。行波

收稿日期:2002—05—27

基金项目:国家自然科学基金资助重点项目(50235010)

MethodsofReducingFlowRipplefromFluidPowerPistonPumps-ATheoreticalApproach.SAE(SocietyofAutomotiveEngineers)Transac-tions,1991,100(2):158～167

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(编辑　卢湘帆)

・626・CHINAMECHANICALENGINEERINGVol.14,No.7,2003thefirsthalfofApril

thepaper,thestaticanddynamicperformancetocontrolflowandpressurewiththisunitisstudiedexperimental-ly,andsomebasiccharacteristicsthataredifferentfromexistedprinciplesarerevealed.Theresearchhasfurtherprovedthatthenewcontrolprincipleismoreefficientthanconventionalvariabledisplacementmethodandcanbeusedasbothhighefficientandhighdynamicelectro-hydraulicpowerunit.

Keywords:electro-hydraulicservocontrol　　speedvariablepump　　hydraulicpowerunit　　energysaving

HoleFillingandSurfaceReconstructionforSculptureSurface　　ZhaoDongfu(ZhejiangUniversityofScience

613andTechnology,Hangzhou,China)p610-Abstract:Anapproachwasproposedtogeneratedata

intheholeareaofasurfaceinreverseengineeringdesign.Inordertodesignthefathersurfaceandtrimitwiththeholebordercurve,aprocedurewasputforwardtorecon-structthesurfacewithfairingthebordercurve,connect-ingthemeasuringsectioncurvetotheborderandextend-ingallofsectioncurvesacrosstheholearea.Feasibilityofsuchanapproachhasbeentestifiedonsomesamplepartsanditisshownthatthismethodcanbeusedinre-verseengineeringtomeasureandreconstructthesurfacewithholeseffectivelyandensurethesurfacequality.

Keywords:holearea　　sculpturesurface　　datafilling　　surfacereconstruction

StudyonaNewXML-basedExpressingMethodofDy-namicQualityInformation　　HongZhucai(SoutheastUniversity,Nanjing,China)ShiJinfei　ZhangZhisheng　ZhongBinglin　p613-615

Abstract:ThispaperpresentsanewXML-based,integrated,extendableexpressingmethodintothequalitycontrolofproductbasedonanalyzingthecharacteristicsofdynamicqualityinformation.Withthis,thequalitycontrolmethodbaseduponknowledgeanddataisinvesti-gatedforsolvingpracticalqualitycontrolproblemse-mergingintheenvironmentofdynamicchangesofqualityinformation.

Keywords:XML　　qualitycontrol　　low-vol-umeandhigh-variety　　intelligentcontrol

StudyonLowSurfaceRoughnessGrindingofSiliconNi-trideCeramicGlutting　　HuJun(TianjinUniversityofScience&Technology,Tianjin,China)　XuYansheng　XieYan　LinBin　HanJianhuap616-618,629

Abstract:Thispaperfirstpresentsceramicsurfacegrindingprocessusingaluminumoxidegrindingwheel,whichisfinishedbythecollisionofabrasiveparticlewiththeapexofworkpiecesurface,andbythecollaborativeaf-fectionofcollisionandabrasion,andbytheprocessofburnishing.Thentheauthorsanalyzetheaffectiononsur-faceroughnessofsuchfactorsasthespeedofgrindingwheel,therotationalspeedofworkpiece,theamountoffeedintraversedirectionofgrindingwheel,thenumbersofburnishing,thehardnessofceramicsandtheperfor-manceofcuttingfluid.Theexperimentsshowthatthesurfaceroughnessofporcelainworkpieceisremarkablyreducedbysqueezingandpolishingofaluminumoxidegrindingwheel,andhighqualitymachiningcouldbe

achievedbyplaingrindingmachine.

Keywords:ceramics　　grindingwheel　　grinding　　lowsurfaceroughness

InfluencesofBlankShapeonDeepDrawingFormingofRectangularBox　　WangFengqin(YanshanUniversity,Qinhuangdao,Hebei,China)　ZhaoJun　GuanYingpingp619-622

Abstract:Deepdrawingformingofrectangularboxisacomplicatedmechanicsprocessofnonlinearproblemsin-cludinggeometricalnonlinearity,materialnonlinearityandcontactnonlinearity.Therearemanyfactorswhichinfluenceontheformingprocessandtheruleisdifficulttobedescribedinquantity.Inthispaper,deepdrawingprocessofrectangularboxfromdifferentblankshapesaresimulatedbyusingANSYSsoftwareunderthesameformingconditionsanddie.Theformingruleisanalyzedwithdifferentblankshape.Theresultsofnumericalsim-ulationagreedverywellwiththatofexperiments.

Keywords:rectangularbox　　deepdrawing　　blankshape　　numericalsimulation

ReviewofReductionofNoiseforHydraulicAxialPistonPump　　YangJian(ZhejiangUniversity,Hangzhou,China)　XuBing　YangHuayongp623-626

Abstract:Thepaperdealswiththemethodstoreduc-tionofnoiseforhydraulicaxialpistonpumpathomeandabroad.Themechanismandmainreasonsfornoisepro-ducedbyhydraulicaxialpistonpumparedescribed.Theworkingprinciple,structurecharacteristicsandresultsofreductionofnoiseareanalyzedrespectivelyformanykindsofportplateswithpre-compressionandpre-re-leaseconfigurations,throttlingorificeconfigurationsandtriangulargrooveconfigurations.Thenovelmethodstoreduceofnoiseareintroducedforhydraulicaxialpiston,andsomesuggestionsareputforward.

Keywords:hydraulicaxialpistonpump　　resultofreductionofnoise　　novelmethodtoreduceofnoise　　portplates

NewDevelopmentofPiezoelectricMotorwithCouplingMechanism　　LuCunyue(NanjingUniversityofAero-nauticsandAstranautics,Nanjing,China)　ZhaoChun-sheng　p626-629

Abstract:Thedefinitionofpiezoelectricmotorisgiv-eninthepaperandthepiezoelectricmotorsareclassifiedbydrivingmode.Thecouplingmechanismdrivingmodepossessesthreedevelopingtypes:inchworm-type,wedgeworm-typeandclutch-type.Comparedwiththetraditionalfrictiondrivingmodetheclutch-typehasad-vantagesofeliminatingthefrictionlossandbeingconve-nientfordisplacementcontroletal.Twoclutch-typepiezoelectricmotorsareintroducedinthepaper.Thedif-ficultyindesignofthemotoristodevelopthewaysfore-liminatingorreducingthebacklashandtodevelopdis-placementenlargementmechanism.Onthebasisofanaly-sisofadvantagesofthepiezoelectricmotorwithcouplingmechanismsuchaconclusionismadethatthiskindofro-tarymotorwillbecomeanimportantoneofrotarypiezo-electricmotors.

Keywords:ultrasonicmotor　　piezoelectricmotor　　piezoelectricceramic　　development

・4・