船用舵机两种液压驱动方式振动噪声对比试验

郑天平，王 内，毋 迪，黄亚农

(武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430205)

引言

液压动力传动以其传动平稳、调速方便、负载能力强等优良特性在许多领域获得了广泛应用[1]。船用舵机通常采用液压动力传动作为驱动方式，为了保障船用舵机的安全性和可靠性，一般船用舵机采用2个液压缸对称驱动舵柄的操舵方案[2]，控制舵机的方式主要有阀控和泵控两种。阀控方式通常采用比例阀或伺服阀作为控制部件，为节流控制方式，具有控制速度响应快、精度高等优点，但是同时也具有能耗大的缺陷。泵控方式为容积控制方式，虽然比阀控方式响应慢、精度低，但是具有节能及可实现用电缆代替油管实现分布式智能控制等优点[3]。

为了解不同驱动方式下的舵机振动噪声水平，从而为船用舵机的减振降噪总体设计提供依据，本研究首先对容积控制和节流控制的双柱塞缸对称驱动式(以下简称双缸驱动)及单柱塞缸非对称驱动式(以下简称单缸驱动)典型船用舵机进行了振动噪声特性分析，在此基础上，通过试验台架，进行了不同驱动方式、驱动速度条件下的振动噪声试验研究，得出了驱动方式和驱动速度等因素对船用舵机振动噪声的影响。

1 典型船用舵机噪声特性分析

1.1 典型船用舵机传动机构的噪声特性

传统船用舵机一般采用单缸驱动舵机传动机构的方案，其缺点是可靠性较低，舵机液压缸与舵柄等部件串联连接，一旦任何一个部件发生故障均会导致整个舵机失效，为此，目前常采用双缸驱动舵机的方案。双缸驱动舵机结构如图1所示，2个柱塞缸分别带动拨叉，驱动舵柄带动舵轴转动，这种驱动形式可以保证提供最大舵力，另外，当需要较小驱动力的时候可采用单缸驱动，另外一个柱塞缸作为备用，从而提高了舵机系统的可靠性。

1.柱塞缸1 2.柱塞缸2 3.传动拉杆 4.舵柄5.舵轴 6.活塞杆 7.拨叉图1 双缸驱动舵机结构简图

无论上述单缸驱动舵机还是双缸驱动舵机，除了液压驱动部分的噪声外，传动机构的振动噪声也是其主要噪声源之一。随着液压驱动部分振动噪声控制技术越来越成熟，机械传动机构的噪声控制也越来越受重视，比如，刚度、质量、阻尼和激励是影响传动机构振动特性的4个重要要素，间隙、摩擦等因素对系统的刚度、阻尼分布和激励特性都会产生影响，进而影响到整个舵机系统的噪声。对于本研究所述的舵机，舵轴是其主要负载支撑部件，且经常处于干摩擦状态，通过降低舵轴支承力来减弱舵机转动时的摩擦振动是降低舵机噪声的主要手段。如图2所示，假设舵轴受到的水动力负载为F，2台柱塞缸提供的驱动力分别为F1和F2，二者大小相等，方向相反，舵轴轴承和舵跟轴轴承处的支承力为N1和N2。

1.柱塞缸1 2.柱塞缸2 3.拨叉 4.舵柄 5.舵轴6.舵轴轴承 7.舵跟轴轴承图2 受力分析图

Ff1=μ(N1+N2)=μF

(1)

式中，μ—— 摩擦系数

F—— 水动力负载

单缸驱动时为非对称驱动，只有1台柱塞缸动作，此时舵轴的摩擦力为：

(2)

双缸和单缸驱动条件下摩擦力的比值为：

(3)

由式(3)可知，α始终小于1，即双缸驱动时的摩擦激励小于单缸驱动，舵轴摩擦副的润滑条件也较容易保持于良好的润滑状态，理论上双缸驱动时舵轴振动噪声小。

1.2 泵控舵机液压系统的噪声特性

泵控舵机系统是通过改变泵的斜盘倾角大小使泵输出流量和压力与系统要求相适应[4]，基本原理框图如图3所示。

图3 泵控舵机系统基本原理框图

泵控舵机液压系统的振动噪声主要来源于以下几个方面：

(1) 泵控装置机组的振动噪声，对柱塞泵来说，流量脉动是其固有特性，会通过管路系统向外传递，对舵机系统的噪声产生较大的影响。柱塞泵产生流体脉动的原因是多个柱塞泵分别排液而产生的排量脉动。

柱塞泵的排量可按下式计算[5]：

(4)

实际上，柱塞泵的输出流量是脉动的，脉动率为：

(5)

输出流量的脉动量为：

Q=V·W

(6)

式中，d—— 柱塞直径

D—— 柱塞在缸体上的分布圆直径

δ—— 斜盘倾角

z—— 柱塞数

对于某一柱塞泵来说，柱塞直径、柱塞在缸体上的分布圆直径以及柱塞数是固定不变的。由式(6)可知，斜盘倾角δ的变化，会引起相应的流量脉动，液压泵的流量脉动必然引起泵及管路的脉动，进而产生振动噪声，其振动大小随流量脉动的增加而增加[6]。

另外，柱塞泵在吸油、排油过程中，柱塞泵油液的急剧膨胀或压缩所引起的压力脉动也会产生振动噪声[7]，其振动大小随着压力的增加而增加，其振动频率与每个柱塞历经高低压转换的次数一致，是流量脉动频率的2倍。

(2) 系统中换向时的冲击与振动，泵控舵机系统变向时，从而导致管路系统产生冲击和振动噪声[8]。

(3) 管路系统刚度不够、固有频率与流体脉动频率相近而导致的振动噪声，泵控舵机的流体脉动激励着管路系统，当管路系统频率与流体脉动固有频率相近时会产生共振，进而导致振动噪声加剧，另外，管路系统过长、安装不合理、弯头多、刚度不够时，系统换向时产生的压力冲击也会导致整个管路系统的冲击[9]。

1.3 阀控舵机液压系统的噪声特性

阀控舵机系统是通过控制阀来对液压系统的流量、压力、流向等参数进行控制，基本原理框图如图4所示。

图4 阀控舵机系统基本原理框图

除了泵源噪声外，阀控系统振动噪声主要来源于伺服阀流体噪声，产生的主要原因为气蚀、节流和换向冲击：

(1) 气蚀噪声是当油液通过阀口时，流速的急剧上升使压力能转换成动能，导致压力的骤然下降，当局部压力低于工作温度下溶于油液中空气分离的临界压力时，溶于液压油中的空气以气泡的形式分离出来，出现气穴现象，气穴在高压区溃灭，产生气蚀，并诱发噪声[10]，此外，阀口的高速喷流和旋涡分离引起的耦合振动也是阀内噪声的主要诱发因素[11]；

(2) 节流噪声与气蚀是密切相关的，阀口压差越大，流量越大，产生的节流噪声越大，另外，不合理的阀口设计也会加剧节流噪声，为此，通常通过控制阀口压降、优化阀口形状(比如多孔阀套设计)来降低节流噪声；

(3) 换向冲击噪声是由于阀芯和阀杆受液体冲击的影响产生振动，如果流体的冲击所引起的振动频率接近阀芯和阀杆的固有频率时，还会导致共振现象，产生严重的噪声[12]。

对于本研究中的阀控舵机系统来说，振动噪声来源主要是阀口的节流以及换向冲击噪声。节流产生的流体激励管路、阀门、附件、舵机油缸等，此时产生的噪声频率较高，在传播过程中相比于泵控系统产生的低频流量脉动频率较容易衰减。

2 驱动方式试验对比研究

舵机系统产生振动噪声的部位主要为液压系统和传动机构，目前，国内外对液压系统的振动噪声控制研究着重于泵源、管路系统振动控制，其技术成熟，但对于包含传动机构的整个舵机系统的振动噪声研究较少，基于此，本研究对不同驱动方式的舵机系统的振动噪声进行了试验研究。

2.1 试验台架工作流程

本研究的舵机系统试验台架的驱动方式为泵控和阀控，同时，又设计了单缸驱动和双缸驱动两种结构，来进行舵机系统振动噪声试验，试验台架工作流程如图5所示。

图5 试验台架工作流程图

泵控工况时，控制台通过数据装置发送泵控指令，泵运行，回路转换至泵控回路，控制信号为舵机指令与实际舵机位置信号的差值。泵的压力油大小与控制信号成比例，经过单/双缸驱动回路到达舵机液压缸。

阀控工况时，操纵控制台发送控制信号使之处于阀控回路，同时给定阀控回路中的伺服阀信号，液压系统液压油经过阀控回路、单/双缸驱动回路到达舵机液压缸。

2.2 负载模拟的实现

基于泵控和阀控两种驱动方式以及单双缸的传动机构，通过加载系统来模拟压差为1 MPa及4 MPa的负载进行振动噪声试验，加载系统的原理如图6所示。

负载模拟时，舵机处于初始位置，加载蓄能器的活塞均在中位(蓄能器充1/2容积的液压油)，截止阀J5和J6打开，其他截止阀关闭，舵机带动加载液压缸向上运动时，加载蓄能器B的充油压力越来越高，而加载蓄能器A的充油压力越来越低，从而使得加载液压缸两腔的压力差随着转舵舵角增加而增加，通过调节加载蓄能器初始充气压力即可模拟不同压差的负载。

2.3 试验结果分析

在相同的环境温度下，泵控舵机与阀控舵机系统分别启动，在不同活塞杆移动速度(低速：12 mm/s；半速：20 mm/s；全速：40 mm/s)的工况下，测试舵机液压缸振动加速度La变化规律，试验结果如表1和图7、图8所示。

1.舵板 2.加载液压缸 3.加载蓄能器B4.截止阀 5.加载蓄能器A图6 加载系统原理图

表1 舵机液压缸振动加速度总级La dB

由表1和图7可以看出，泵控单缸驱动时，驱动速度由半速变为全速，即流量增加1倍，舵机液压缸振动加速度增加4～5 dB；双缸驱动时，驱动速度由半速变为全速，振动加速度增加2～4 dB。当驱动速度增加1倍，系统功率增加1倍，即泵控舵机斜盘角变大时，由式(6)可知，流量脉动也会增加，泵控驱动时流量脉动导致的压力脉动增加会产生较为明显的振动噪声。泵控驱动时，相同速度下，双缸时的振动加速度低于单缸时的1～2 dB，由式(3)可知，相比于单缸驱动，双缸驱动时舵轴受到的摩擦力较小，由摩擦激振产生的噪声降低，也能起到减少振动的效果。

图7 泵控驱动时舵机液压缸振动加速度总级变化曲线

图8 阀控驱动时舵机液压缸振动加速度总级变化曲线

由表1和图8可以看出，阀控驱动时，双缸驱动速度由低速变为半速，即流量增加1倍时，振动加速度增加2～3 dB；单缸驱动速度由低速变为半速，即流量增加1倍时，振动加速度增加3～4 dB；流量增加1倍，压差降低1倍时，整体上液压缸振动加速度降低1dB，此时阀控驱动表现出来的规律与泵控驱动相同。

由表1可以看出，在同样的单双缸驱动条件下，驱动速度相同时，阀控工况的舵机液压缸振动加速度总级均小于泵控工况。在低负载的条件下，阀控驱动更有利于降低振动噪声，虽然阀控系统噪声集中于节流噪声，但其噪声频率较高，较易通过管路系统衰减。

3 结论

本研究从现有的试验结果可以得出以下结论：

(1) 在相同的驱动速度和负载条件下，阀控舵机比泵控舵机更有利于降低振动噪声；

(2) 降低驱动速度可以降低舵机系统的振动噪声；

(3) 类似于本研究所述的舵机，低负载情况下，采用阀控双缸驱动有利于降低舵机系统的振动噪声。