起重机卷扬平衡阀降噪研究

陆晓兵，杨耀祥，高建超

（1.三一汽车起重机械有限公司，湖南 长沙 410000；2.建研机械检验检测（北京）有限公司，河北 廊坊 065000)

起重机作为一种大型工程机械，在作业过程中会产生较大的噪声。随着工程机械行业的迅速发展，人们对机器的作业噪声要求越来越高。目前已有标准对起重机的作业噪声测试方法和限值进行了明确的要求，如国标GB/T2006 2-2019《流动式起重机作业噪声限值及测量方法》和国际EN13000：2010《起重机——流动式起重机》。

起重机作业动作主要包括：卷扬起升下放、伸缩臂、变幅和回转。大数据统计表明，卷扬起升下放占比时间80%以上。试验测试表明，卷扬下放的噪声在整车噪声占比最大，是影响作业噪声的主要因素。卷扬平衡阀作为卷扬系统的关键部件，直接控制卷扬下放的速度及操控性，同时也是卷扬下放噪声的主要来源。液压阀的流场噪声来源主要涉及气穴噪音、湍流噪音和脉动噪音等，目前国内外相关已有相关学者对气穴噪声做了相关研究。冀红[1]通过实验和理论分析发现，气泡尺度是影响噪声声级的最主要因素。丁大力[2]通过实验和仿真计算证明，阀口节流槽内气泡产生的主要因素为：最低压力、回油背压和在最低压力点停留时间。

本文针对该问题，以一种起重机卷扬平衡阀为研究对象，通过平衡内部流道优化，减小液压油高速流动过程中产生气穴体积，降低卷扬下放噪声，为平衡阀降噪优化提供了必要指导。

1 原卷扬平衡阀结构分析

某汽车起重机卷扬平衡阀内部结构（图1），主要由单向阀、阀体、控制活塞、主阀芯、主弹簧等构成。卷扬起升动作时，液压油从V 口进入C 口，单向阀开启，高压油流经单向阀，单向阀通流量大，一般达到300～400L/min，油液流速慢，产生噪声小；卷扬下放时，液压油反向流动时，单向阀关闭，控制油作用于控制活塞，驱动主阀芯左移，液压油由C 口流经主阀芯到达V口，依靠主阀芯和阀体的节流孔进行下放速度控制，V 口出的流速快，易产生气穴噪声，因此气穴产生的分析是平衡阀噪声分析的关键。

图1 原卷扬平衡阀内部结构

2 气穴噪声理论分析

平衡阀内部流体的运动是连续的，因此需要符合流体运动学的基础规律，主要满足连续性方程、运动微分方程。假定流场中某一点M（x，y，z），运动速率为u，其连续性方程和运动微分方程分别为

式中：p为压力，ρ为密度、ux、uy、uz、X、Y、Z分别为沿x、y和z方向分解速度和质量力、Δ2为拉普拉斯算子、μ为动力粘度、t为时间。

平衡阀内部流体的流动为湍流状态，运动状态非常复杂，一般使用雷诺平均（RANS）对湍流脉动项进行时间平均处理。其中，RNG k-epsilon是最常见的RANS 模型，如下：

式中：C1ε、C2ε和Cμ为某一常系数、xi、xj、ui和uj表示某一坐标方向以及沿该方向的流速、αk和αe分别为湍动能与耗散率的普朗特数的倒数、μeff为有效粘度。

平衡阀内部液压油流动产生的噪声有流体脉动噪音、气穴噪音和湍流噪音等，本文分析液压气穴噪声。通常简化数学模型Zwart-Gerben-Belamri 来分析气穴模型[4]：

式中：αnuc和αv分别为初始体积分数和气相体积分数、Re和Rc分别为蒸发速率和凝结速率、Fvap和Fcond为经验系数、ρg为蒸气密度、RB为气泡半径。

由于平衡阀内流场计算数学模型非常复杂，无法直接求解，因此只能对各参数选取适当的值，利用数值分析的方式进行计算分析。

3 原平衡阀数值仿真分析

本文采用Fluent 仿真软件进行卷扬平衡阀流体仿真分析。仿真输入条件：系统流量200L/min，阀口压差14MPa，阀芯位移量6.21mm。通过压力云图（图2）计算气穴体积和气体体积分数（图3），评价噪声的声压级。

图2 原结构平衡阀压力云图

图3 原结构平衡阀局部气体体积云图

数值仿真分析表明，原结构平衡阀内部最大压力达到30.1MPa，阀口末端存在局部负压区域，阀口后段存在较大气穴区域，气穴总体积876.59mm3，最大气体体积分数95.16%，气穴体积大，存在较大的优化空间。

4 平衡阀结构优化与数值分析

改进后平衡阀（图4）主要由单向阀、阀体、控制活塞、主阀芯、主弹簧等构成。

图4 改进平衡阀内部结构

主要改进点：①优化主阀芯结构，阀芯和阀体之间增加导流腔，降低V 口流速，减少V 口气穴体积；②更改主阀新节流槽方向，卷扬下放时，控制油作用于控制活塞，驱动主阀芯右移，节流槽开口由大变小，降低阀体内部压损。

对比改进前后平衡阀压力分布（图5～图6），并对速度急剧变化处进行放大细化处理。阀体内部压力14.3MPa，与原结构相比降低50%以上，阀口末端存在局部负压区域，阀口后段气穴区域明显减少，气穴总体积仅26.13mm3，最大气体体积分数为87.63%。改进后的平衡阀气穴体积大幅减少。

图5 改进后平衡阀内部压力云图

图6 改进后平衡阀局部气体体积云图

5 平衡阀噪声试验对比分析

参照国标GB/T20062-2019《流动式起重机作业噪声限值及测量方法》对平衡阀的近场噪声进行对比测试。测试工况：起吊额定起重量50%的重物，基本臂段，大臂角度50°～60°，起升持续时间15～20s。图7 为测试样车，图8 为卷扬平衡阀局部布置。

图7 测试样车

图8 卷扬平衡阀局部布置

同等条件测试结果对比，改进后平衡阀噪声由107.4dB 下降至102.8dB，下降4.6dB。整机作业噪声108.9dB，满足GB/T20062-2019《流动式起重机作业噪声限值及测量方法》。

6 结语

以数值模拟和实验验证相结合的方法，研究了起重机重载工况下卷扬平衡阀降噪改进问题。

采用数值模拟的方法能够有效获得平衡阀内部压力、气穴的分布和大小，为平衡阀内部流道结构的优化奠定了基础。通过改进设计，增加平衡阀内部腔体导流能有效减小出口气穴体积，经测试证实优化后的作业噪声降低了4.6dB，有望为平衡阀的降噪优化提供帮助。