某型液压舵机主泵振动与噪音原因分析

莫崇君

摘 要：文章针对舰船用某型液压舵机大负载工况下运行至极限舵角时，出现的主油泵振动和噪声过大问题，分析了产生振动和噪声的各种可能。通过试验验证、实物拆检等方法逐一进行分析排除，最终得出泵本身存在质量问题，同时也有系统设计上的不足。

关键词：舵机;液压泵;振动;冲击

目前大多舰船所使用的舵装置主要由舵及其支承、舵机、操舵仪三大部分组成，舵机是舵装置的执行部分，是舰船上的重要设备，对舰船的生命力影响至关重要。

舵机按照结构形式和控制方式的不同分为很多种，本文所述液压舵机为拨叉式液压舵机，采用的是闭式变量泵泵控系统。

本文所述液压舵机按照试验程序进行台架负载试验过程中，当舵机在大负载工况下运行至极限转舵角（左舵35°或右舵35°）后换向时，舵机主油泵出现振动和噪音，表现为主泵的冷却油回油管（图中序号2所示软管，以下简称冷却回油管）出现抖动和噪音。舵角在35°时外加负载最大，0°时最小，现就冷却回油管出现抖动和噪音的原因进行分析。

主泵出现振动和噪音，可能是泵本身的质量原因引起的，可能是系统设计上存在缺陷所造成，也有可能是操作不当或使用不当所导致，原因还可能是多方面的。

为了查找原因，首先进行低负载工况下的功能试验，试验结果正常，说明液压系统的基本功能能够实现，管路连接正确。然后对液压油进行化验，油品正确，油液清洁度符合规定，结果正常。因此，排除操作不当或使用不当造成故障的可能性。

由于液压设备在低负载下的功能试验没有问题，且在高负载工况下试验的过程当中也没有出现故障，只是在高负载工况下液体换向（设备换向引起液体换向）的瞬时出现冷却回油管的振动和噪音，由此可以断定这是一起典型的由于液压冲击引起设备故障的案例。

液压冲击在液压系统中是难免的，在液压系统管道内流动的液体由于快速換向或突然启闭各种阀，出现瞬时压力值突增，这种现象就是液压冲击。液压冲击会使系统的瞬时压力比正常工作压力大好几倍，产生巨大的振动和噪声，油温迅速升高，损坏密封装置、管件等部件。

产生液压冲击的原因：

（1）管道内瞬时速度的变化。

（2）液压元件灵敏度不高。

（3）溢流阀运行滞后，不能及时开启，造成超调。

（4）限压变量泵压力升高，流量不能及时减小。

（5）控制阀关闭后，高速远动部件在惯性力的作用下任继续运动，需要一段时间才能完全停止。在这种情况下，系统压力会迅速瞬间上升，造成液压冲击。

在试验过程中，我们发现，当舵运行至极限舵角后立即回舵，冷却回油管的振动和噪音更加明显;当舵运行至极限舵角后停留一段时间再回舵，冷却回油管的振动和噪音明显减弱，说明该舵机的液压系统在舵机快速换向引起液压冲击，特别是大负载下快速换向时会产生更严重的液压冲击。

由于主油路的补油与主泵的冷却采用的是同一个辅泵，而舵机在大负载工况下大角度换向时，主泵所受的冲击较大，其泄漏量在瞬时会有所增加，势必造成冷却油的瞬间减少，也会造成一定的冲击。试验过程中我们还发现，若取消主泵的冷却（即将图中的冷却进油管件1直接接回油箱），其它条件不变，主泵的冷却回油管的振动和噪音有所改善，即说明换向瞬间冷却油的冲击对主泵的振动和噪音的产生也有一定的影响。

液压系统若混入空气，也是产生振动和噪音的一个重要原因。系统中混入空气有多个渠道，最主要的有两种，一种是吸油管吸入空气，另一种是设备拆装后混入空气。设备拆装后混入空气一般可通过系统中设置的放气阀进行排除，泵的吸油管吸入空气则会造成连续不断的振动和噪声，现象很明显，与本文所述想象明显不同。排除吸油管吸入空气的可能。

液压系统中的溶入空气一般情况下不会对系统造成影响。若溶入空气形成气穴，则会对系统造成教大的影响。

一般矿物油中都溶解有6%-12%体积的空气，当管路的压力低于空气分离压力时，溶解于液体中的空气就被分离出来，以气泡的形式存在于液体中，在油中占据一定的空间，使油液变得不连续，这就是我们所说的气穴（又称空穴）现象。气穴使液压系统工作性能恶化、容积效率降低、损坏零件、缩短管道机械寿命，使系统压力和流量受到影响，还会造成液压冲击、振动与噪声等不利现象。

从后来主泵的拆解来看，主泵的缸体和配流盘均有不同程度的损坏，重新测量主泵的容积效率，容积效率有较明显下降，说明系统中存在气穴与气蚀的可能性较大。因此，气穴与气蚀现象是液压系统不可忽视的一个重要现象。

另外还分析了主泵本身质量原因造成其振动和噪音过大的可能性。前面提到，液压系统由于各种原因，有时不可避免的会存在液压冲击，会存在一定的气穴与气蚀现象，若泵本身存在质量问题将不能承受，很快就会毁坏，出现容积效率降低，产生振动与噪音，压力升不上来等居多现象。

本文中所用主泵为通轴式轴向柱塞泵，采用斜盘变量。该类型泵的缸体与配流盘间有相对滑动，是瞬间密封，因此要求表面光洁、加工精度高。为了避免配流盘烧坏，要求滑动面间有一定的油膜，缸体与配流盘间的比压、比功不能超过材料的允许值。因此该类型泵的最大缺点就是抗污染能力差，缸体上的缸孔分布圆直径较大，滑动速度较高，缸体倾覆力矩由主轴承受，因而轴径较大。

在试验过程中，我们还发现一个重要现象，就是冷却回油管出现振动和噪音的同时，补油泵的压力下降明显，说明需要大量的油液补充到主油路中。若不考虑泄漏，闭式系统是不需要补油的，而现在需要大量补油，造成冷却油路瞬时断流。将主泵的冷却油直接接回油箱，观察主泵泄油管，此时发现换向瞬间主泵的泄漏量很大，该现象极不正常，说明补油泵起了弥补主泵大量泄漏的作用。通过分析，主泵在换向瞬间发生大量泄油的原因只有是主泵的配流盘在主泵换向的瞬间与缸体脱开，形成空隙，主系统的油通过此空隙漏到主泵壳体内。主泵的配流盘与缸体脱开，即是主泵的轴向定位不够稳定，换向瞬间轴向发生位移。

由此分析，引起该液压舵机主泵出现过大振动和噪音的原因可能是多方面的，且可能是几个方面综合影响的结果。有泵自身的质量问题，也有系统设计上的不足。要减少液压设备的故障，首先要从液压元件上入手，要选用灵敏度高，质量可靠的产品，在系统设计时要充分考虑液压冲击、气穴和气蚀可能产生的严重后果，尽量从系统设计上防止和减小液压冲击，防止气穴与气蚀的产生。