运行工况对承压阀振动影响规律的试验研究

李海涛，潘国培，贺 华，丁 炜

(上海船舶设备研究所，上海 200031)

运行工况对承压阀振动影响规律的试验研究

李海涛，潘国培，贺 华，丁 炜

(上海船舶设备研究所，上海 200031)

液压管路系统具有多工况运行的特点，为研究工况对承压阀振动的影响，对承压阀进行了内部流场仿真分析与试验研究，分别以流量与进口压力参数变化对承压阀出口法兰振动总级的影响规律为对象进行综合分析，通过分析发现，随着流量与进口压力的增加，承压阀的出口法兰处振动加速度总级逐渐增大；在大流量与高进口压力状态下，流量与进口压力的增加对承压阀出口法兰处振动加速度总级的影响作用逐渐减弱，振动加速度总级随之增加幅值减小。该结论在现实工程中具有一定的参考意义。

振动与波；承压阀；流量；进口压力；运行工况

液压管路系统中存在大量种类繁多的阀门，为提高液压系统的稳定性，通常会在回油管路上增加承压阀，保持回油管路始终具有一定的背压，并且可以防止管路破损后空气和水进入油管。由于液压系统中的用户较多，工作状态不一，这使得回油管路的回油流量变化较大，若是多用户同时运行时，会造成流量增大，压力增高，并且容易引发承压阀在使用过程中出现系统调压不稳定及阀体振动过大的问题，在大流量工况下阀体振动过大，部分调节工况下甚至导致管路安装马脚产生敲击振动，严重影响液压系统正常运转，并且长期处于振动过大状态下会造成阀门零件以及与之相连管道的机械性破坏。可见，降低振动噪声对承压阀及其管路的安全性也十分重要[1–3]。

日本、美国、法国与加拿大等学者从20世纪70年代起就开展了承压阀相关的基础研究，经过研究发现，仅通过优化承压阀内部调节机构，就可以降低因液压油流动激励产生的空气噪声约15 dB(A)～20 dB(A)[4]。承压阀的噪声问题一直是国外相关阀门企业的研究重点，但是各个公司的研究成果各有不同。目前，国外的承压阀大多采用多级调节阀，但是结构尺寸相对较大，因此对安装空间有较高的要求。其阀内件大多采用传统的套筒式阀内件结构，也有个别采用了叠片式阀内件，并且取得了较好的减振降噪效果。

图1 承压阀三维图

本文以如图1所示的承压阀（型号：DN50P02025）作为研究对象，以承压阀出口法兰10 Hz～10 kHz的振动总值来描述承压阀的振动值，通过仿真分析承压阀的内部流场与承压阀出口法兰振动的试验数据，研究不同运行工况（流量与进口压力）对承压阀振动的影响情况，并总结其中的规律。

1 承压阀的结构

1.1 承压阀的组成

承压阀为弹簧膜片反作用式压力调节阀结构，承压阀主要由调节螺钉、弹簧、弹簧座、橡胶膜片、阀盘、阀体等部件组成，各个部件的相对位置与承压阀内部结构如图2所示。承压阀的阀口密封形式采用橡胶软密封，从而使其在关闭状态下具有良好的保压性能。

1.2 承压阀的结构特性

图2 承压阀结构图

承压阀作为液压系统中必备的控制元件，其自身结构特性对整个液压系统的稳定性有重要的影响，承压阀的结构特性主要决定于其固有频率特性。通过分析可知承压阀低频模态主要为阀盘、橡胶膜片、弹簧座、弹簧和调节螺钉部件形成的质量弹簧系统的1阶固有频率。其中，承压阀门内部结构质量：m=1.35 kg，承压阀门内部弹簧刚度：k=20.2 N/mm，所以第1阶模态主要为第1阶垂向刚体模态，频率为ƒ=19.45 Hz。

采用Ansys有限元软件，对承压阀进行模态分析。考虑到实际状态中承压阀所在管路中的进口法兰处于被约束状态，故在模态分析时，对进口法兰处采取绑定约束，计算得到的承压阀阀体第2阶至第七阶模态振型图如图3所示。

图3 承压阀模态振型图

由图3可知，承压阀阀体的结构模态主要为阀体的弯曲与扭转模态，并且集中在中高频段。所以承压阀的低频结构模态由阀杆、阀盘和弹簧等调节机构组成的质量弹簧系统的固有频率决定，中高频段结构模态由阀体的结构模态决定。

在设计试验系统时，应该避免出现液压管路与承压阀的低频结构模态共振，并且供油装置的激励频率与承压阀的低频结构模态也应该保持20%以上的避开度[5–6]。

2 承压阀内部流场的仿真分析

承压阀在工作中，阀芯处于动态过程，通过它的流体动量发生变化，因而会有液动力作用到阀芯上[7,8]。液动力是影响液压阀性能的关键因素之一，其不仅会影响阀芯的操作力，使输入信号与阀芯位移关系变得不确定，而且还可能造成阀体的自激振动，所以研究运行工况对承压阀阀芯液动力的影响有助于分析承压阀的振动机理。

2.1 计算模型及网格

进行内部流场计算时，需提取内部流体计算域模型，如图4所示。在建模时，考虑到进出口流动对象内流场的影响以及收敛性等问题，在液压阀出口段进行了延长。

图4 承压阀计算域模型主视图和三维实体图

网格生成是数值模拟的重要组成部分，网格质量的好坏直接影响到数值解和计算精度，有些情况下这种影响是决定性的。计算采用分区划分网格的办法，将计算域分成四部分，并对阀芯和阀座之间的流体域进行了局部加密处理，最后获得的网格如图5所示。

2.2 内部流场的数值模拟

利用CFD软件对液压阀内部流动进行计算，为了简化计算，根据承压阀的实际运行状态选取三个不同开度（指阀盘与阀门出口处间隙垂向距离）。

计算所得的阀芯液动力变化规律如图6所示，图6中的(a)至(c)分别表达了阀口开度d=1 mm、2 mm和3 mm时，不同进口压力条件下，对应的阀芯液动力随流量的变化关系曲线。

图5 液压阀计算网格平面示意图

通过分析计算结果可以得出如下结论：

(1)在相同阀口开度和进口压力条件下，阀芯液动力随着流量的增加逐渐降低，并且流量越大，阀芯液动力的衰减程度越明显。主要原因在于，随着流量的增加，阀口处的流速越大，造成的压力损失越大，使得液压阀腔内的压力降低越大。

(2)在相同阀口开度的条件下，阀芯液动力随进口压力的增加而增加。

3 流量与压力对承压阀振动影响的试验分析

3.1 试验系统

图6 阀芯液动力的变化关系

图7 承压阀振动的试验系统

承压阀振动的试验系统如图7所示，液压油由位于油箱顶部的两台螺杆泵驱动，按逆时针方向沿管路路流动，进入试验台架流量调节阀前的流量计，并经流量调节阀后流量计进入承压阀，承压阀出口法兰处有观察窗，后回到油箱，形成封闭循环流动。液压油流量通过流量调节阀和溢流阀来调节。承压阀前的背压通过承压阀的调节机构进行调节。

在试验台架的进、出口端安装了挠性接管，以减小泵引起结构振动对测试阀门的影响，并且所选用的螺杆泵的1阶激励频率为50 Hz，与承压阀1阶结构模态（19.45 Hz）避开度远远大于20%。并且液压管路通过管夹进行固定，也避免与承压阀产生结构共振。

3.2 承压阀振动的试验

承压阀振动加速度传感器测点布置图如图8所示，共5个测点。阀出口法兰处布置四个测点、阀进口法兰处布置一个测点，测点均为加速度测点，方向均为接触面的法向。

测量系统包括电荷型加速度传感器、数据采集仪与电脑。其中加速度传感器选用ENDEVCO2225型传感器，电荷放大器采用B&K 3050-A-6/0型放大器，数据采集系统采用LMS SCM05数据采集分析系统。

图8 承压阀振动试验测点图

承压阀的试验工况为流量从50 L/min逐渐增加到300 L/min，其间隔为50 L/min，进口压力从0.2 MPa逐渐增加到0.5 MPa，其间隔为0.05 MPa，具体工况如表1所示。通过承压阀进口处的一个测点检测进口管路处振动是否存在异常，对承压阀出口法兰处的四个测点振动值（10 Hz～10 kHz）取平均值，各个工况下其振动值如图9所示。

在试验时，进口法兰处测点振动并未出现异常，并且在出口法兰处的观察窗也未发现有气泡产生，所以在整个实验过程中，承压阀进口法兰处前端管路液压油不存在气体或者并未随着流量的增大而发生空化现象。

表1 承压阀振动的试验工况表

图9 各工况出口法兰振动值

通过分析试验数据可知，在相同流量的条件下，随着承压阀进口压力增大，承压阀的出口法兰处振动值逐渐增大，在小流量工况下，进口压力增大后出口法兰处振动值明显增大，例如承压阀在流量50 L/ min与100 L/min时，进口压力从0.2 MPa增加到0.4 MPa，从图9中可以看出，承压阀出口法兰振动加速度明显增大，在流量100 L/min时总振级增加10 dB左右，在流量50 L/min时总振级增加4 dB左右。在中等流量工况下，进口压力增大后出口法兰处振动值明显增大，例如承压阀在流量150 L/min、与200 L/ min时，进口压力从0.2 MPa增加到0.4 MPa，从图9中可以看出，承压阀出口法兰振动加速度明显增大，在流量150 L/min时总振级增加14 dB左右，在流量200 L/min时总振级增加8 dB左右。在大流量工况下，进口压力增大后出口法兰处振动值增大不明显，例如承压阀在流量250 L/min与300 L/min时，进口压力从0.3 MPa增加到0.5 MPa，从图9中可以看出，承压阀出口法兰振动加速度明显增大，在流量250 L/min时总振级增加3 dB左右，在流量300 L/min时总振级增加3 dB左右。主要是因为大流量时承压阀振动在整个调节范围内都超过135 dB，大流量工况进口压力增大后承压阀振动增大不明显，此时进口压力对承压阀振动的影响作用减弱，主要原因为承压阀腔内的压力损失已经很大，产生的高频流体激励力对承压阀出口法兰处振动加速度总振级的影响逐渐降低。

在相同进口压力的条件下，随着流量增大，承压阀的出口法兰处振动值逐渐增大，尤其在中小流量工况下，出口法兰处振动值明显增大，例如流量从50 L/min增大到100 L/min时，从图9中可以看出，进口压力在0.2 MPa、0.25 MPa与0.3 MPa下，承压阀出口法兰振动加速度总振级最小增幅为2 dB，最大增幅为5 dB；而流量从100 L/min增大到200 L/min时，从图9中可以看出，进口压力在0.2 MPa、0.25 MPa、0.3 MPa与0.35 MPa下，承压阀出口法兰振动加速度总振级显著增加，最小增幅为17 dB，最大增幅为24 dB。在大流量工况下，随着流量增大，出口法兰处振动值增大不明显，例如承压阀在流量从250 L/min增大到300 L/min时，从图9中可以看出，进口压力在0.3 MPa、0.35 MPa、0.4 MPa、0.45 MPa与0.5 MPa下，承压阀出口法兰振动加速度总振级增加不明显，最小增幅为2 dB，最大增幅为3 dB，此时流量对承压阀振动的影响减弱。

从而可以看出，承压阀的出口法兰处振动加速度总级随着流量与进口压力的增大而增大，这与上一节分析承压阀内部流场得到的结论相一致（随着流量的增加，阀腔内的压力降低越大，阀芯液动力的衰减程度越明显，产生的高频流体激励力越大，从而承压阀出口法兰处振动加速度总振级增大），并且在中小流量与进口压力状态下（流量在50 L/min至 200 L/min之间，进口压力在0.2 MPa至0.35 MPa之间），随着流量与进口压力的增加，承压阀的出口法兰处振动加速度总级会随之显著增大；而在大流量与高进口压力状态下（流量在250 L/min至300 L/min之间，进口压力在0.4 MPa至0.5 MPa之间），流量与进口压力的增加对承压阀的出口法兰处振动加速度总级的影响作用会逐渐减弱。

4 结语

通过数值仿真与试验分析，研究了运行工况对承压阀阀芯液动力以及出口法兰振动总级的影响规律，得到如下规律：随着流量的增加，阀芯液动力逐渐降低，并且流量越大，阀芯液动力的衰减程度越明显；随着流量与进口压力的增加，承压阀的出口法兰处振动加速度总级增大；在大流量与高进口压力状态下，流量与进口压力的增加对承压阀出口法兰处振动加速度总级的影响作用逐渐减弱，振动加速度总级随之增加而幅值减小。这些变化规律为今后继续研究承压阀振动在液压管路中的振动机理提供了思路，在现实工程中具有一定的实用价值。

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Experimental Study on the Influence of Operation Conditions on the Vibration of the Pressurized Valves

LI Hai-tao,PAN Guo-pei,HE Hua,DING Wei
(Shanghai Marine Equipment Research Institute,Shanghai 200031,China)

The multi-load operation condition is usually the feature of hydraulic systems.In order to study the influence of shifting-load on the pressurized valves,internal flow field of the pressurized valves is numerically simulated and experimentally tested.In the experiments,the influence of the flow rate and the inlet pressure on the outlet vibration of the pressurized valve is analyzed.It is found that the vibration acceleration level at the outlet flange of the pressurized valve increases gradually with the increasing of the flow rate and the inlet pressure.In the condition of large flow rate and high inlet pressure,increase of the flow rate and the inlet pressure has only small influence on the outlet vibration acceleration level,and it causes the increase of the vibration acceleration level and decrease of its amplitude.This conclusion has some reference significance for practical engineering.

vibration and wave;pressurized valve;flow rate;inlet pressure;operation condition

O422.6

：A

：10.3969/j.issn.1006-1355.2017.03.035

1006-1355(2017)03-0177-05

2017-01-05

李海涛(1989－)，男，辽宁省朝阳市人，硕士研究生，研究方向为设备振动噪声控制。E-mail:leewaver@163.com