液压系统的振动、噪声诊断与排除

液压系统的振动、噪声诊断与排除倪元喜马洪茹李学良摘要：该文主要以液压元件的结构及液压系统的各组成要素为要点分析了液压系统的振动及噪声的产生原因，从原理及实际故障现象等多角度地阐述了该现象的成形，并提出了部分改善措施。

关键词：噪声、振动、气蚀、液压冲击、判断、处理一、前言液压系统是以液体为工作介质进行能量的传递以实现力、位移、速度等机械量的输出，它由液压动力源、各种控制阀、执行机构及其他辅助元件等组成。

液压系统在运行中会发出和谐有节奏的声音，而振动、噪声一旦超过了正常状态，则表明系统存在异常。

振动、噪声不仅对人的身心健康有害，而且影响系统的工作性能和液压元件的寿命，应及时消除。

随着液压设备的高压、高速、大功率化，降低振动和噪声已成为目前液压技术的重大课题之一。

二、振动与噪声的来源噪声按照表现形式可分为两种：其一是连续不断地发出嗡嗡声，有时还伴随其他杂音；另一种是断续十分刺耳的吱嗡声。

按形成原因又可分为机械振动噪声和流体振动噪声。

1、机械振动噪声由于机械部件的运动或相互间的作用，产生振动而激发的噪声，称为机械噪声。

机械振动噪声主要是由于零件之间发生接触、冲击和振动引起的。

⑴、回转体不平衡。

电动机、液压泵、液压马达等高速回转体，如果转动部分不平衡则会产生周期性的不平衡离心力，从而引起转轴的弯曲振动，因而产生噪声。

⑵、联轴节不同轴。

电动机与液压泵不同轴致使联轴器偏斜也会产生振动和噪声。

实验证明，当两者同轴度为0.02mm时，就会产生振动，超过0.08mm时，振动噪声较大。

⑶、电动机噪声。

电动机除机械噪声外，还会产生通风噪声（如冷却风扇声和风声）和电磁噪声（电动机通电后的电磁噪声和蝉鸣声）。

⑷、轴承噪声。

轴承在工作过程中也会发出噪声，滑动轴承噪声低于滚动轴承。

同一类型的轴承，其内径越大，引起的噪声就越大，内径每增加5mm，其振动级增大1~2dB（分贝）。

⑸、机械撞击噪声。

液压零件频繁接触、电磁铁吸合产生的嗡鸣声、换向阀阀芯移动时发出的冲击声、溢流阀在溢流阀芯发出的高频振动。

2、流体振动噪声流体噪声由油液的流速、压力的突然变化及气穴爆炸等引起。

⑴、压力脉动声。

液压泵是主要的噪声源，约占液压系统噪声的75%左右，主要是由于泵的压力、流量周期性变化及气穴现象引起。

⑵、漩涡脱离声。

工作介质在经由液压阀后喷出高压流体，在喷流和周围流体之间产生剪切流、紊流或涡流，因此产生高频噪声。

⑶、气蚀噪声。

在流动的液体中，由于流速变化引起压力降而产生气泡（气穴现象），当气泡到达高压区域时，体积被压缩而至溃灭，因此产生局部的液压冲击（局部压力可高达150~200Mpa），同时产生爆炸噪声。

其频率主要分布在1000HZ以上，听起来是嗡嗡的尖叫声，发生气蚀时，噪声增加10dB左右。

⑷、压力冲击声。

管道内流体因液压阀门突然关闭而形成液压冲击，不仅会产生巨大的振动和噪声，更有甚者会损坏液压系统。

三、液压元件的噪声及控制随着液压技术的高压、高速和大功率化，液压元件及其装置的噪声日益严重。

实际调查发现，液压元件产生噪声和传递辐射噪声的情况是各不相同的，其排列顺序见下表。

从表中可知，液压泵、溢流阀是主要的噪声源，而油箱由于体积大，则是噪声的主要辐射源，管路、油箱等可能把液压泵、溢流阀等产生的噪声放大。

下面就各类液压元件产生噪声的原因及防治办法，分别简要叙述如下：1、液压泵和马达的振动与噪声液压泵有多种振动与噪声，其原因与机理差异很大。

一般情况下，齿轮泵与轴向柱塞泵的噪声比叶片泵大的多，螺杆泵噪声最小。

液压泵的运动件磨损，轴向、径向间隙过大，会引起压力和流量的脉动，同时使噪声增大。

液压泵的压力波动也会使阀件产生共振，因而增大噪声。

另外，油的粘度太高，吸油过滤器阻塞或油面过低引起吸油困难，会产生气穴，引起严重噪声。

电网的电压、负载发生变化，泵自身的压力波动和流量脉动等均能引起泵的噪声和振动。

⑴、柱塞泵的噪声及其控制1）、旋转零件机械振动引起的噪声泵中旋转体不平衡、轴承精度差、传动轴安装误差大、联轴节偏斜、运动副之间的摩擦，均会产生振动，激发噪声。

由于油液污染，吸油不畅，引起滑靴与斜盘干摩擦（发出尖利的声响），柱塞卡死或移动不灵活也会引起振动。

2）、压力冲击声柱塞泵产生噪声的主要原因是缸内液体在配流过程的高低压转换中产生压力冲击。

为了降低这种噪声，目前都在配流盘上开预充压和预卸压阻尼槽，并使配流盘腰型槽对称中心相对斜盘转过一个角度α（一般为3~9度）。

配流盘上的预充压和预卸压阻尼槽会使泵的容积效率略有降低。

3）、气蚀发出的噪声当泵的吸入管道及流道上的阻力损失太大时，在吸入区使缸内介质中溶解的气体分离，形成气泡。

如果缸内压力进一步降低到低于工作介质的汽化压力时，就要产生更多的蒸汽泡。

当缸孔与配流盘的高压腔接通时，气泡破灭，引起激烈的冲击、振动与噪声。

缸孔在吸油过程中，柱塞的运动速度和吸油过流面积是变化的，在运动至3/2π、2π位置时，易产生气蚀。

图一端面配流轴向泵缸内压力转换过程4）、斜盘力矩正负交变激发的噪声缸孔内液压力的突变会引起泵内力矩的突变。

由于柱塞泵的柱塞为奇数，位于高压区的柱塞不断变化，力矩M也随之正负交变，将使斜盘的变量部件也承受相互的交变力矩或力。

由于结构间隙的存在，必将引起机械碰撞而激发噪声。

理论分析表明，泵内部力矩对噪声影响最大，而流量脉动影响最小。

图二斜盘力矩变化规律（零遮盖配流盘）5）、工况参数对泵噪声的影响下图是不同工况下泵的噪声级。

由此可看出，转速n影响最大，工作压力Pd次之，斜盘倾角β最小。

Pd、n对泵的噪声级影响规律，不仅对柱塞泵如此，对叶片泵、齿轮泵也是形同的。

图三泵噪声级与工况参数的关系X---阻尼槽为节流孔型；∆——阻尼槽为三角槽型⑵、齿轮泵的噪声及其控制齿轮泵有外啮合和内啮合两种类型。

外啮合泵的结构简单，加工容易，但内啮合泵的流量脉动小，运转平稳，噪声比外啮合泵约低5~10dB。

以外啮合齿轮泵为例，简介噪声产生的原因及其控制措施。

1）、困油现象激发噪声为了保证齿轮泵啮合时运转平稳，重叠系数必须大于1。

那么在一段时间内同时就有两对齿轮啮合，在这两对齿轮之间就形成了既不能排油，也不能吸油的困油容积。

当困油容积由大到小变化时，其内压力升高，引起冲击与振动；当困油容积由小到大变化时，其内压力降低，形成真空，引起气蚀，这就是所谓的困油现象。

为解决齿轮泵因困油现象而激发的噪声，有效的措施就是在侧板上开设卸荷槽。

如果卸荷槽开的精确，可以降低噪声7dB左右。

开设卸荷槽主要有对称式和非对称式两种类型。

2）、齿轮啮合的冲击噪声如果齿轮泵的制造误差大，就会造成齿形误差，或者圆节、基节的误差，这样齿轮的瞬时传动比就不会是常数，因此在啮合时就会造成冲击和振动而产生噪声。

可以采用提高齿轮加工精度的方法来降低噪声。

此外，由于渐开线齿轮啮合时，齿面上的接触线是一条与轴线平行的直线，这就使轮齿在啮合时沿整个齿宽同时接触或分离，因此容易引起冲击、振动和噪声。

渐开线齿轮在啮合时形成的困油容积大，轮齿在加载变形后容易造成干涉，加剧泵的噪声。

可以通过修整直齿轮齿形（齿顶修缘）核正齿的弯曲变形量和补偿齿轮误差，从而降低齿轮啮合噪声（约可降低4dB），也可使用特殊齿形降低噪声。

3）、流量脉动引起的压力脉动而激声4）、轴承精度不高或安装不良而引起的噪声，以及侧板与齿轮侧面间由于摩擦而激发的声音。

⑶、叶片泵的噪声及其控制叶片泵由于流量脉动小，运转比较平稳，故其噪声一般比齿轮泵和柱塞泵小。

但是，随着叶片泵向高压化和高速度化发展，噪声也成了一个突出问题。

1）、叶片与定子曲面表面之间的摩擦、碰撞引起的噪声摩擦主要是由于叶片液压力平衡不好，底部受力过大，使叶片顶部与定子表面接触比压过大而造成的。

碰撞的原因有两种：一是定子曲线使叶片运动状态突变，产生冲击所引起的振动；二是零件加工精度差所引起的叶片运动不稳定而造成的。

叶片对定子的冲击是叶片泵产生噪声的最根本原因，定子曲线对此有着十分重要的影响，其主要表现在：①、定子曲线与叶片数目配合不恰当，将产生流量脉动，从而引起压力脉动，导致管道振动而激声。

②、叶片犹如悬臂梁，当定子曲线造成叶片切向受力突然变化时，将引起叶片切向振动而激声。

③、定子曲线的加速度和跃动特性是产生叶片撞击振动而激声的主要原因。

高斯曲线具有良好的综合力学性能，能够有效地消除激振根源，从而降低噪声。

2）、困油噪声当两叶片之间的工作腔由吸、排油腔之间的封油区进入排油腔或吸油腔时，由于两者压力不等，就会发生从排油腔到工作腔，或动工作腔到吸油腔的回冲（逆流），回油流量取决于工作腔的初始容积和排油或吸油的压力。

如果排油腔压力较大时，会对叶片等部件产生较大的冲击作用，从而激发噪声。

为了避免压力冲击，可以在叶片泵配有盘的吸、排油腔边缘的封油区部分开设三角形卸荷槽。

3）、流量脉动激发噪声4）、由于吸入性能差而产生气蚀噪声5）、在变量叶片泵中，由于径向力不平衡或困油现象造成的径向冲击载荷，使转子和轴承运转不良，从而造成振动和噪声。

变量叶片泵一般比定量叶片泵噪声高也是由此。

6）、叶片泵转子断裂、叶片卡死，也会引起压力波动及噪声。

2、溢流阀的噪声及其控制⑴、噪声产生的原因溢流阀是控制压力的重要元件，同时也是液压系统主要的噪声源之一。

在各类阀中，溢流阀的噪声最为突出，尤其以大型溢流阀症状更加明显。

其噪声的主要故障原因有：阀座损坏，阀芯与阀孔配合间隙过大，阀芯因内部磨损卡滞等引起的动作不灵；溢流阀调压手轮松动；调压弹簧变形等。

下面就从结构原理上分析其产生的原因。

1）、气蚀噪声及漩涡脱离声溢流阀在液压系统中常作为定压阀使用，为保证系统压力稳定，应不断地有液体从主阀口溢出，溢出的液体会在阀口附近形成高速射流。

依据伯努利方程可知，此处液体的压力必然会下降。

当其低于该液体的饱和蒸汽压时，则会析出气泡。

当含气泡液体流入阀体回油腔时，由于压力回升，气泡溃灭，从而产生气蚀，并伴有高频噪声。

该气蚀噪声主要分布在1000~6000HZ宽的频率内。

除此之外，由于阀口附近的过流断面急剧变化，在高速射流状态下还会引起流速的不均匀性，从而产生漩涡脱离声。

经分析可知，溢流阀产生气蚀噪声和漩涡脱离声的主要原因是由于阀口和阀体回油腔形状变化引起流体压力场和速度变化所致。

2）、自激振荡噪声溢流阀除产生流体噪声外，还会产生机械噪声，即自激振荡噪声，亦称为高频啸叫声。

它是由于导阀（或主阀）的质量——弹簧系统自激振荡引起的，主要发生在导阀上。

其频率和振幅取决于导阀（或主阀）的质量——弹簧系统的固有特性，以及管路的容积、压力、流量和温度的影响。

一般情况下，管路容积愈小，压力愈高，流量愈小，温度愈高的情况下，其发生的可能型愈高。

高压阀（p>21MPa）的啸叫声是必须解决的一个严重问题。