机械振动与噪声分析
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液压系统振动与噪声控制技术
来源：《液压系统振动与噪声控制技术》PPT讲义
作者：龚建球
液压系统的振动与噪声是一个相当普遍的问题。近年来，随着液压技术向高速、高压和大功率方面的发展，液压系统的噪声也日趋严重，并且成为妨碍液压技术进一步发展的因素之一。长期处于异常振动的液压设备必然会出现各种故障，导致液压装置难以正常工作，从而影响设备的性能和液压元件的使用寿命，也影响人的身心健康。因此分析振动与噪声产生的原因有助于采取有效的控制方法。
液压系统的振动主要来自于机械系统运动导致的振动、流体工作过程中产生的振动。振动是弹性物的固有特性，振动会产生噪声，噪声源于振动，因此振动和噪声是液压系统不可分割的两种物理现象。根据噪声产生的方式和传播所通过的介质，液压系统的噪声可分为机械噪声、液体噪声和气体噪声。如何降低其振动和噪声，是液压领域一个重要的研究课题。所以研究和分析液压系统振动与噪声的成因，对降低或控制振动和噪声，并改善液压系统的性能有着极其深远的意义。
1. 回转体不平衡引起的振动与噪声
液压系统中的电动机、液压泵和液压马达都以高速回转，如果它们的转动部件不平衡，就会产生周期性的不平衡力，激励转轴系统振动，从而产生噪声，这种振动传到油箱和管路时，就会发出很大的声响。为了控制这种噪声，应对转子进行精密的动平衡试验，控制其不平衡，并注意尽量避开共振区。
2. 电动机引起的振动与噪声
电动机产生的噪声主要是指机械噪声、通风噪声和电磁噪声。机械噪声包括转子不平衡引起的低频噪声，轴承有缺陷或安装不合适而引起的高频噪声以及电动机支架与电动机之间共振所引起的噪声。
3. 联轴器引起的振动与噪声
液压泵传动轴不能承受径向力和轴向力，因此不允许在轴端直接安装带轮、齿轮、链轮，通常用联轴器连接驱动轴和泵传动轴。如因制造原因，泵与联轴器同轴度超差，装配时又存在偏差，则随着泵的转速提高离心力加大联轴器变形，变形大又使离心力增大，造成恶性循环，其结果产生振动与噪声，从而影响泵的使用寿命。此外，还有如联轴器柱销松动未及时紧固、橡胶圈磨损未及时更换等因素的影响。因此在安装时，同轴度应控制在最小范围内。
4. 管路引起的振动与噪声
管路一般都是由外界因素引起振动和噪声的，如机械振动、压力脉动等。另外，管路过细以及方向、截面变化大时，很容易产生振动和噪声。管路的谐振噪声。管道的阻抗、结构尺寸和形状等固有特性，决定了它本身的固有频率，一旦有外部因素的影响，如压力脉动、机械振动以及由于阀或液压缸等的动作造成管中的液体振荡使激励频率达到其固有频率时就会产生谐振，发出噪声。
5. 液压泵的机械振动与噪声
对用一种液压泵来说，一般液压泵的噪声随液压功率的增加而增加，而液压功率是由泵的输出压力p、每转排量q以及转速n这3个参数所决定的。而引起机械振动与噪声的主要因素是转速，液压泵转速的提高使泵的噪声增加比输出压力提高的作用要大得多。为了使噪声最低，一般在选用液压泵时，在保证所需的功率和流量的前提下，尽量选择转速低的液压泵(1000r/min-1200r/min)，或使用复合泵(并联和串联液压泵)和卸荷回路来降低噪声。
5. 液压阀的机械振动与噪声
阀的选用或装配不当，也是产生噪声的一个重要方面。若阀芯与阀孔装配不当，会产生振动与噪声，若过紧，则阀芯移动困难，产生振动与噪声，若过松，则内泄严重，同样会产生振动与噪声。因此，装配时要控制合适的间隙，以阀芯在阀孔内可以自由移动，但不松不涩为度。其次，溢流阀的溢流压力与泵的额定压力一定要匹配，否则会产生溢流噪声。另外，溢流阀的溢流压力由调压手轮设定后，手轮要用锁紧螺母锁紧，如手轮松动则压力要产生变化，引起噪声。在使用中，溢流阀的弹簧变形、油污堵塞阻尼孔、阀体孔或阀芯椭圆等原因都会导致振动和压力波动，形成噪声，应及时研磨修整或更换。
6. 液压缸的机械振动与噪声
液压缸在快速换向、负载变化大等情况下会引起压力冲击，产生波及到管道的机械振动，从而产生噪声。因此在设计系统时一定要选择带缓冲装置的液压缸。为此除要求液压缸的设计要有缓冲装置外，还可以在液压缸进油口处设置一小型蓄能器，吸收液压缸换向时引起的油液脉动，减小噪声。
流体振动与噪声分析
1. 液压泵的流体振动与噪声
液压泵的流体振动与噪声主要是由泵的压力、流量的周期性变化以及气穴现象引起的。在液压泵的吸油和压油过程中，产生周期性的压力和流量变化，形成压力脉动，从而引起液压振动，并经出口向整个系统传播。同时液压回路的管道和阀类将液压泵的压力反射，在回路中产生波动，使泵产生共振，发出噪声。对于压力脉动的控制办法，设计时齿轮泵的齿轮模数尽量取小，齿数尽量取多，卸荷槽的形状和尺寸要合理;柱塞泵的柱塞个数应为奇数，最好为7个-9个，并在进、排油配流盘上对称开三角槽，以防柱塞泵出现困油。
“困油”现象引起的噪声。液压泵在工作时一部分油液被围困在两对轮齿所形成的封闭空腔之间，当其容积减少时会使被困油液受挤压并从缝隙中挤出而产生很高的压力；而封闭容积的增大又会造成局部的真空，使油液中溶解的气体分离，产生气穴现象，这些都能产生强烈的噪声，这就是困油现象引起的振动与噪声。
2. 液压冲击产生的振动与噪声
在液压系统运行过程中，由于某种原因，会引起液体压力的突然升高，其峰值高出正常压力好几倍，这种现象称为液压冲击。因为液压管道为弹性体，所以液压冲击常伴有振动和噪声，甚至发生损坏液压元件的事故，有时也会造成液压元件的误动作。
引起液压冲击的主要原因是：迅速关闭液流通道或液流迅速换向时，液流速度大小或方向突然变化，就会形成液压系统的液压冲击现象。液压系统中，冲击波、惯性力、截面增压效应、共振等都可能是引起液压冲击的因素。液压冲击是以波的形式在液压油中传播，据有关资料介绍，其传播速度与声速相同。
3. 液压阀的流体振动与噪声
液压阀也是液压系统的一个噪声源。比较典型的是控制阀的气穴作用产生气穴噪声。因为油液经节流孔口或阀口时，形成高速射流，使其绝对压力下降而产生气穴噪声。其次，在喷流状态下产生剪切流、紊流或涡流，由此产生高频噪声。
方向控制阀突然关闭或打开造成液压冲击也能引起振动和噪声。为减少液压冲击噪声，可以增加阀口关闭时间，也可以设置蓄能器吸收压力波动。溢流阀工作部分产生缺陷和磨损会发生一种单音调尖叫声或“啸叫”。
4. 管路的流体振动与噪声
液压系统由于要适应不同工况的需要，需经常改变某些元件的工作状态。例如阀的开启、泵的启动、系统的加载与卸荷或者外载荷的变化等，在这些情况下液压系统原来的运动状态就将发生瞬间的变化，由一个原先稳定的状态过渡到另一个新的稳定的状态。然而，就在这个短暂的时间内，管道内部将产生冲击波。在一定条件下，管道与泵或阀相结合，就会产生管道系统中油液的持续振动。当管路长度刚好等于发生共振的管路长度时，系统就会产生强烈的高频噪声。虽然由压力波产生的流速噪声不大，但由于压力波引起的管道等结构振动发出的噪声则是不可忽视的。
气穴引起的振动与噪声分析
液压系统运行中，在液压泵吸油口附近造成负压时，就会发生气穴现象。这一气穴往往造成正常输油量的下降或流量和压力脉动。在液压回路中，当压力油流过节流口或狭窄缝隙时，由于流速急剧增加，其压力也会降低很多，有时也产生气穴现象，从而引起振动和噪声。
造成气穴现象的原因主要有以下几方面：
液压泵的滤油器、进油管堵塞、液压油粘度过高，易造成泵进油口处真空度过高，使空气渗入。
吸油管插入油箱油面太浅时，液压泵吸入的油液中会含有很多空气泡。
吸油管接头处和泵传动轴密封处密封不严也能使泵吸入空气。
振动与噪声对液压系统十分有害，应引起高度重视。噪声的来源及传播比较复杂，既有机械噪声，又有流体噪声，就目前而言，要完全消除和避免振动与噪声对液压系统造成的危害是不可能的，也是不现实的。它不仅与元件结构和制造精度有关，而且与系统设计、安装和使用维护都有密切关系。但是正确认识振动与噪声的危害和产生的主要途径，在液压系统设计和使用中尽可能采取有效的技术手段加以防控，将其危害降到最低程度，是非常必要的。只要认真创造条件做好减振、防振、隔振和降噪的措施，就能有效地降低和防止振动与噪声的传播，最大限度地降低振动与噪声对设备和人类的危害。
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