研究推荐 | 轴向柱塞泵壳体降噪区域识别

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本期为各位读者推荐《轴向柱塞泵壳体降噪区域识别》,并向各位读者介绍该课题的研究背景、取得成果以及研究团队。

轴向柱塞泵壳体降噪区域识别

Identification of Noise-reduction Region of Shell for an Axial Piston Pump

叶绍干, 李旭, 施嘉佳, 侯亮, 卜祥建

(厦门大学机电工程系, 福建厦门361002)

YE Shao-gan, LI Xu, SHI Jia-jia, HOU Liang, BU Xiang-jian

(Department of Mechanical and Electrical Engineering, Xiamen University, Xiamen, Fujian361002)

摘要

为了精确识别轴向柱塞泵壳体降噪区域,首先,搭建液压-多体动力学耦合模型,求解结构噪声激振力;然后,分析零部件模态并试验验证,建立装配体有限元模型,开展基于模态的振动响应分析,通过振动实验验证模型准确性,搭建轴向柱塞泵声学边界元模型,分析其辐射噪声特性;最后,基于声学传递向量原理,开展模态及板面声学贡献量分析,对壳体噪声辐射板面进行合理划分,分析其对关键频率下辐射噪声的贡献量。研究表明:轴向柱塞泵振声模型具有良好的准确性;某板面在辐射噪声突出的1350 Hz频率下,其声学贡献量达到46.1%。精确识别了轴向柱塞泵壳体降噪区域,为其降噪优化设计提供有效指导。

In order to identify the noise-reduction region of pump shell, firstly, the hydraulic-multibody dynamic coupled model is established to obtain structural noise excitation force. Then modal analysis and experimental verification of each part are performed, and assembled finite element model is established; modal-based vibration response analysis is performed, and the accuracy of the model is verified by vibration experiments; radiated noise characteristics are analyzed based on the developed acoustic model. Finally, modal-and panel-acoustic contribution analysis are performed based on the theory of acoustic transfer vector, the pump shell panel contributing to noise radiation is reasonably divided, and the panel contribution to noise at the key frequency is analyzed. The results shown that the vibro-acoustic model has good accuracy, and one panel is found to have 46.1% contribution to the protruded radiated noise at the key frequency of 1350 Hz. This study accurately identified the noise-reduction region of shell for the axial piston pump, and provided efficient guidance on design optimization for noise reduction.

关键词


 轴向柱塞泵;振声模型;声学贡献量分析;降噪区域识别

axial piston pump, vibro-acoustic model, acoustic contribution analysis, identification of noise-reduction region

研究背景

轴向柱塞泵结构紧凑、功重比大、工作压力等级高、变量方式多,在高端液压装备得到了广泛应用。但作为液压系统的“心脏”,轴向柱塞泵振动大、噪音高,工作时产生的振动和噪声加剧零部件磨损、降低使用寿命。结构优化设计是改善轴向柱塞泵振动噪声特性的有效途径。学者对配流盘、壳体结构等进行优化设计,取得了良好的降噪效果。但是这种优化设计依赖工程经验、针对性较差、推广应用难度较大。为了更有针对性的开展轴向柱塞泵的降噪优化设计,需要对其振动和噪声特性进行预测。本课题针对轴向柱塞泵壳体降噪区域识别难题,建立了液压-多体动力学耦合模型以求解结构噪声激振力,建立了考虑轴向柱塞泵内部多组件耦合关系的有限元/边界元振声模型,基于振声模型开展模态和板面声学贡献量分析,精确识别了柱塞泵壳体降噪区域,为柱塞泵壳体优化设计奠定技术基础。

研究推荐 | 轴向柱塞泵壳体降噪区域识别的图1

轴向柱塞泵结构图

研究成果

本课题在液压-多体动力学/有限元/边界元模型的轴向柱塞泵振声模型和壳体降噪区域识别方面取得了一些进展:柱塞泵零部件模态试验结果的误差均小于5%;振动实验结果与仿真结果整体吻合较好。轴向柱塞泵壳体振动辐射噪声最大的位置场点3下,板面2在辐射噪声突出的1350 Hz频率时,其声学贡献量达到46.1%。本文提出的方法可精确识别轴向柱塞泵壳体降噪板面区域,为其降噪优化设计提供有效指导。具体如下:

1

轴向柱塞泵振声模型建模

建立了一种包含液压-多体动力学耦合模型、有限元模型和边界元模型的系统性振声模型。首先,建立通过液压-多体动力学耦合模型求解激振力;然后,对内部组件连接关系进行合理简化,建立轴向柱塞泵结构有限元模型,求解其振动响应。其次,通过锤击法模态试验及振动实验验证有限元模型的准确性。最后,将轴向柱塞泵的振动传递至声学边界元模型,计算其辐射噪声。

研究推荐 | 轴向柱塞泵壳体降噪区域识别的图2

装配体结构有限元模型

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研究推荐 | 轴向柱塞泵壳体降噪区域识别的图4

振动测试试验台和振动速度结果对比


2

壳体降噪区域识别方法

基于轴向柱塞泵振声模型得到的辐射噪声分析结果,确定降噪优化目标。基于声学传递向量及模态声学贡献量的分析结果,确定板面划分区域,然后开展辐射噪声板面贡献量分析,确定对关键频率下辐射噪声贡献量突出的板面,识别柱塞泵壳体降噪优化区域。

研究推荐 | 轴向柱塞泵壳体降噪区域识别的图5
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声学模型和辐射噪声声压级曲线

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研究推荐 | 轴向柱塞泵壳体降噪区域识别的图8

声学传递向量云图和模态声学贡献量

研究推荐 | 轴向柱塞泵壳体降噪区域识别的图9
研究推荐 | 轴向柱塞泵壳体降噪区域识别的图10

板面划分区域和声学贡献量


课题总结和展望

高功率密度电液驱动是航天航空应用领域高可靠驱动和传动系统的优选方案,本课题将发挥机械和航天航空学科交叉融合发展的优势,面向工程机械、航空飞机等大国重器对轴向柱塞泵严苛指标的需求,深入开展轴向柱塞泵辐射噪声建模及降噪控制研究,为高速高压轴向柱塞泵稳定性和可靠性设计提供技术支撑。

研究骨干介绍

叶绍干,工学博士,江苏省双创人才。师从浙江大学徐兵教授,长期从事轴向柱塞泵动力学建模及振动控制与液压元件可靠性设计及测试研究工作。

兼任中国机械工程学会高级会员、中国机械工程学会流体传动与控制分会委员、全国液压与气动标准化技术委员会观察员、《液压与气动》青年编委、6项国家/行业标准制定工作组成员,担任Mechanical Systems and Signal Processing、Journal of Sound and Vibration和Applied Acoustics等国内外权威期刊审稿人。

主持国家自然科学基金面上项目1项、青年基金1项,参与国家重点研发计划项目2项,发表SCI收录学术论文20余篇,其中中科院TOP期刊3篇,入选ESI高被引论文2篇(热点1篇),入选2021年度中国科协优秀论文奖1项、2020年度机械工程学报高影响力论文奖1项,获评第10届International Conference on Fluid Power and Transmission Best Paper Award 1篇。获中国机械工业科技进步一等奖和浙江省科技进步一等奖各1项。


文章来源:液压与气动

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