Chinese Journal of Ship Research
基于模态与振动传递函数分析的低噪声液压站设计
孙营辉，李志印，李佳，彭文波
430064中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 摘 要：［目的］液压油站作为液压系统的动力源，是液压系统振动、噪声产生的根源。为进一步降低液压系统的振动、噪声水平，提出一种基于模态分析与振动传递函数分析的低噪声液压油站的设计方法。［方法］建立液压油站有限元模型，在此基础上求解出油站的模态，并利用模态叠加法对油站结构及液压泵的安装位置进行优化，得到油站的最佳结构形式和液压泵最佳安装位置。基于振动传递函数分析对液压油站箱体结构进行设计，优化泵组到油站机脚的振动传递路径，进一步降低液压泵组振动噪声对液压油站的影响。［结果］油站的振动噪声测试结果表明，该设计方法显著降低了液压油站振动、噪声指标，其中液压油站振动加速度总级降低5.7 dB，空气噪声降低2dB ，［结论］为液压系统减振降噪提供了较好的方法。关键词：液压油站；模态分析；振动传递函数；减振降噪中图分类号：U664.84 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1673-3185.2017.04.009 Low-noise hydraulic power unit design based on vibration modal and transfer function analysis
SUN Yinghui，LI Zhiyin，LI Jia，PENG Wenbo China Ship Development and design Center，Wuhan 430064，China
Abstract：The hydraulic power unit is the power source of a hydraulic system, and also the source causing hydraulic system vibration and noise. In order to further reduce the vibration and noise level of hydraulic systems, this paper presents a low-noise hydraulic station design method based on modal analysis and Vibration Transfer Function（VTF） analysis. The finite element model of the hydraulic station is established, the mode of the oil station solved and the modal superposition method used to optimize the structure of the station and the installation position of the hydraulic pump. The optimal structure of the station and the improved installation location of the pump are obtained. The VTF is used to optimize the structure of the oil tank, and the influence of the pump vibration on the station is further reduced. The test results for vibration and noise show that the design method is effective in significantly reducing the vibration and noise of the hydraulic station. The vibration acceleration of the hydraulic station is reduced by 5.7 dB, and the air noise is reduced by 2 dB. In short, this paper provides a better way for reducing the vibration and noise of hydraulic systems. Key words hydraulic power unit modal analysis Vibration Transfer Function（VTF）； vibration ： ； ； and noise reduction
0引言
液压传动由于具备功率密度高、承载能力强等优点而被广泛应用于船舶、工程机械、注塑机械、工业机械等高强度、大扭矩且使用空间受到限制的场合。使用空间和能量更是潜艇的重要资源，尤其是当潜艇在潜航期间，有限的可供使用的能量需要高能效比的传动方案［1］。因此，目前艇上大部分高能耗设备均采取液压传动的方案，液压系统是全船保障系统的重要组成部分之一［2］。然而，由于工作机理的限制，液压泵作为液压传动的动力源，存在明显的压力脉动现象，该脉动传递到管路与其他液压设备，会引起管路与设备的振动，是液压系统主要的噪声源。由于长期的振动环境极易导致设备发生故障，同时噪声也会严重影响操作人员的健康，因此液压系统的减振降噪一直是众多学者研究的热点领域，在噪声产生机理、液压泵减振降噪设计等方面做了大量研究工作［3-5］。油箱作为液压系统的基础部件，由于其结构简单，且内部不存在机械部件的相对运动，故受到的关注非常少。然而，随着液压系统朝着小型化、集成化的方向发展，往往将油箱、泵组、过滤器等设备集成设计，油箱既是液压油的储存元件，又作为泵组的安装基座，是液压泵组振动传递到船体的重要路径。因此，油箱结构优化设计与油站设备的合理布局对油站的减振降噪存在重要的意义。目前，针对液压站减振降噪的主要措施是选取低噪声的设备、在泵组安装底座增加弹性隔振元件等隔振措施、在泵组出油口增加蓄能器等具备缓冲性质的元件降低流体脉动［6-7］。这些措施虽然能有效降低油站的振动噪声指标，但都是通过增加外部设备和提高设备振动噪声要求的方式，并未从振动噪声产生机理及传递路径上优化油箱自身的结构及油站的布局。模态分析与振动传递函数分析作为振动工程理论的一个重要分支，为各种产品的结构设计和性能评估提供了强有力的工具，其可靠的实验结果往往作为产品性能评估的有效标准［8］。本文将Hypermesh Nastran利用 和 建立液压油箱箱体有限元模型进行模态分析，通过采用模态叠加法寻找泵组与油箱基脚的最佳安装位置，通过振动传递函数分析方法指导油站箱体结构设计，从而有效降低油站的振动噪声指标。
1 油站模态分析
2台液压泵组，2本文所设计的液压油站包含 台泵组互为备用以提高系统的可靠性。为达到集成化、小型化的设计目的，泵组采用半浸入的安装方式安装在油箱顶部。在满足功能性和安装空间的前提下，针对液压油站，项目组提出了方形、H C 3型及 型种结构形式，针对泵组，项目组提出了对角分布在油站顶部、集中分布在油站中部及如1 3图 所示分布形式 种泵组安装分布形式，并利用模态分析法评估不同结构形式及安装位置的优1 C劣，最终确定采用如图 所示的 型结构形式及泵组分布形式，经过模态分析—结构改进—模态分析的多次迭代对油站结构进行优化设计。
1.1 建立液压油站的有限元模型
有限元法是用来解决复杂结构问题的一种数值分析方法，是机械工业领域中最重要的现代设计手段之一［9-10］。本文对油箱箱体三维模型进行网格划分，箱体采用板材与角钢焊接而成，材料密7.9×103 kg/m3，泊松比为0.3，弹性模量为2.1×度为105 MPa。其中，结构板由四边形为主的壳单元组RBE2成，焊缝连接处采用 刚性单元模拟，对泵组、冷却器、油液在线综合净化装置等附件采用集中质量模拟，质量参数采用设计值，质心为其几何RBE3中心，其连接采用 单元。在该有限元模型中，使用四面体单元对空气和液压油进行模拟，液压油与空气的耦合采用共1节点耦合。其中，液压油与空气的材料参数如表所示。 1油站模型的有限元网格模型如图 所示，包括结构模型和流体模型。模型单元以四边形、四面体网格为主，部分结构采用三角形网格和六面2体网格，有限元模型基本信息如表 所示。
1.2 液压油站的有限元分析
模态分析用于确定系统的振动特性，即结构的固有频率和振型［11-12］。本文通过该方法对油站的振动噪声特性进行初步判断和评价，根据前文所建立的有限元网格模型，将约束条件设置为自Nastran SOL103由状态，利用 求解器 求解出油站200 Hz频率以下的模态，采用模态叠加法对油站2进行模态分析。油站主要的全局模态振型如图200 Hz 3所示， 频率以下的模态叠加振型如图所示。 从油站全局模态振型分析结果可以看出，尽14 22 1管经过多轮迭代设计，但第 和 阶模态对机脚2和机脚 的振动仍起放大作用，可能导致该频段200 Hz振动较大；从 频率以下的模态叠加振型结1，3，4 1，2果可以看出，机脚 和安装点 处的振动较小，表明该油站的机脚和泵组的安装位置合理。14 22 1 2针对第 和 阶模态对机脚 和机脚 的振动起放大作用的问题，本文通过进一步模态分析4中找到了影响油站振动模态的薄弱位置，如图颜色较深区域所示。针对薄弱区域加筋槽以提高其刚度，可进一步降低油站振动噪声指标。
2 油站振动传递函数分析
Vibration Transfer Function，振动传递函数（ VTF ）分析是结构设计中振动噪声分析最重要的指标之一［13］。在油站结构设计过程中，本文采取基于振动传递函数法的结构评估—优化—再评估的设计策略。由前文分析可知，液压泵是引起油站振动噪声的源头。因此，在油站结构设计过程中，应保证液压泵安装点到油站机脚处的振动传1（整个频段内85%曲线在1递函数小于 以下）。
2.1 振动函数分析方法
1.1采用 节所建立的有限元网格模型，设定约10~1 000 Hz，束条件为自由状态，计算频率范围为5Hz 0.02步长为 ，定义结构阻尼为 ，流体阻尼为0.3。在泵组安装点1，2处施加一单位加速度的强3 Nastran迫激励，安装点位置如图 所示。采用 中SOL111进行模态频响求解，计算输出机脚各位置的振动。
2.2 振动函数分析与评价
2在满油和空油 种状态下，绘制泵组安装点8 5到油站 处机脚点的振动传递函数，如图 所示。5 1 VTF由图 可知，安装点 到油站机脚处的 在1少部分低频段区域和高频段区域存在大于 的峰2 VTF值；安装点 到油站机脚处的 在多个低频段1区域内存在大于 的峰值，同时在少部分高频段1区域也存在大于 的峰值。
2.3 油站结构优化设计
5如图 所示，振动传递函数在少部分低频段区域存在最大值，分析该频段下油站结构的模态可知，其弱点位置在箱体下表面和内侧表面的过6渡位置处，如图 所示。
根据以上分析，通过在油站表面弱点位置处增加加强筋对设计方案进行优化，加强筋具体分7 10 mm，宽布如图 所示。其中，筋高度为 度为30~50 mm不等。 VTF计算空油状态下优化的油站 曲线，结果8如图 所示。从图中可以看出，上述优化方案能VTF VTF 1大幅降低 峰值，同时减少 大于 的频率范围。然而，由于油站整体质量的限制，并不能通过增加更多的加强筋来提高薄弱处的强度，因此1在低频段存在少部分区域内振动传递函数大于的区间。
3 油站噪声测试结果分析 3.1 试验台搭建
为验证油站减振降噪的效果，本文搭建了油站噪声测试试验台架。试验台架主要由油箱箱体、2台泵组、过滤器、液压油冷却器等组成。
3.2 测点布置
GJB4058-2000根据 《舰船设备噪声、振动测量方法》，结合实际研究目标制定油站振动噪声测3试方案。如上文图 所示，在油站机脚安装螺栓8附近布置 个垂直于安装面的单向传感器测试机2脚振动加速度级；在 个泵组的安装平面、油站机6、机脚8 4脚 处共布置 个三向传感器测试设备振6 8动烈度，其中依次将机脚 、机脚 、左泵安装平1、测点2、面、右泵安装平面处的测点定义为测点5 6；空 5测点 和测点 气噪声测量布置 个测点，分别位于设备四周和顶部。振动测试传感器和烈度9测试传感器的安装方式如图 所示。
3.3 测试工况
根据油站的实际需求，同时为全面评估油站3减振降噪的效果，本文在以下 种不同工况下对3油站进行振动噪声测试，工况参数如表 所示。
3.4 测试结果
4231型声校准器、4294本文利用 型标准激励
器、4189-A-021型传声器组对油站进行振动噪声3测试。测试内容包括：种工况下泵组安装位置与油站机脚振动烈度测试、单开左泵工况下泵组3安装位置与油站机脚振动加速度级测试、种工3560D况下油站空气噪声测试。本文利用 型噪声振动分析系统对测试结果进行分析。10图 所示为单开左泵、单开右泵和双泵开启3这 种工况下的振动烈度测试结果。从图中可以1 2位看出，单开左泵和单开右泵时，测点 和测点置在y方向和z方向的振动速度远小于泵组自身的振动速度；双泵同时开启时，油站机脚处的振动烈度在y方向和z方向的指标也远小于泵组自身振动速度。 由于振动传递机理相同，本文仅通过单开左1、安 2 6和泵工况下泵组安装点 装点 与油站机脚8 3机脚 在 个频段的平均振动加速度级测试结果11对油站减振效果进行分析，测试结果如图 所示。图中：D-value 3 D-value 1 6和 分别代表机脚1 2 3与泵组安装点 和安装点 在 个频段的平均振动加速度级的差值，正值表示前者大于后者； D-value 2 D-value 4 8和 分别代表机脚 与泵组安1 2 3装点 和安装点 在 个频段的平均振动加速度11级的差值，正值表示前者大于后者。由图 可以8 1看出，机脚 处振动加速度级在第 个频段内稍高2 2 3于 个泵组安装点处，在第 和第 个频段则只略1 2 8 VTF高于安装点 处，这与 个安装点到机脚 处8 1 （图 中棕色曲线）在第 个频段存在较长区域明1 2 3显大于 的峰值，在第 和第 个频段存在少部分1 8所大于 的峰值的现象一致；相比之下，尽管图VTF 1 2示的 也存在大于 的区间，但 个安装点到机6 VTF（蓝色曲线）要明显优于到机脚8处脚 处的VTF，因的 此该处振动加速度级小于泵组安装点VTF处。因此，基于 分析的设计方法有效优化了泵组振动到油站机脚的传递路径，有效降低了泵组振动对油站整体的影响。 4表 所示为油站和泵组的振动噪声测试结1）油站平均加速度级果。单开左泵情况下（工况8.8 dB，空气噪声降低4dB；比泵组加速度级降低 2单开右泵情况下（工况 ）油站平均加速度级比泵8.7 dB，空气噪声降低1dB组加速度级降低 。相5.7 dB，对于以往同类产品，该油站加速度总级降低2dB。空气噪声降低
4结语
1）本文建立了液压油站的有限元模型，利用模态分析方法对液压油站结构及液压泵组的安装位置进行评估，基于此，通过设计—评估—优化的方法对油站整体结构进行迭代优化设计。2）通过对液压油站噪声源到油站机脚处的VTF进行分析，得到油站结构的薄弱环节，在控制设备质量的前提下通过增加加强筋的方式增加油VTF 1，站薄弱环节刚度，使得 在大部分区间内小于进一步优化了振动传递路径。3）搭建了油站振动噪声测试试验台，基于此对油站的振动噪声指标进行测试。油站振动烈度、振动加速度级测试结果与仿真结果吻合。油站振动加速度总级测试比以往同类产品降低5.7 dB，空气噪声降低2dB。4）综上，基于模态分析与传递函数分析的减振降噪设计方法可有效降低液压油站振动噪声指标，为液压系统减振降噪提供了一种新的思路。
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