低噪聲閥門設計原理及閥門噪聲控制

麻曉榮 馬尚才

(大眾閥門集團能源股份有限公司，浙江 溫州 325105)

1 低噪聲閥門設計思路

首先，需要優化閥門的結構，設計人員在設計閥門結構的過程中，而閥門結構通暢性達不到保障的情況下，就極其容易發生障礙物堵塞的現象，進而引起噪聲的產生；其次，需要對閥門的零件進行優化，在設計閥門結構的過程中，為了能夠降低氣體紊流現象發生的概率，設計人員可以將帶有平行窄槽的閥籠投入其中進行使用，這樣就可以很好地控制由于氣體動力而出現的噪聲。為了能夠降低閥門中的噪聲傳播，設計人員可以設置能夠減弱閥門噪聲傳播的設施。通過對閥門的運行環境進行分析，發現閥體壁和流體是閥門噪聲傳播的主要途徑。

2 振動和噪聲特性

靜流元件對閥門振動噪聲影響很大。無靜流元件的閥門具有中低壓比時，閥門的壓力比與閥門震動和噪聲的水平高低是成正反比的，壓力越大，閥門的震動速度就會越小。而靜流元件對于降低閥門震動和噪聲水平有著非常重要的作用，運用完靜流元件之后，發現最大的震動速度降低了18mm/s。而在高壓比比較高的狀況下，閥門振動速度也得到了降低。通過相關分析表明，在沒有運用靜態流量元件的過程中，閥頭和閥座組成的環形通道中，極其容易發生閥流量，而在這種現象下閥座內的流場逐漸地不穩定。而在安裝完靜流量元件之后，靜流量原件就完全地吸收了閥門流量，閥座內的流場也不會出現不穩定的現象，同時噪聲和震動的現象也可以得到緩解。但是，在這種情況下，如果靜態流元素的開口比較小，而壁厚又比較大的情況下，閥門的壓力就會逐步消失。(1)閥門的相對升降需要進行一定的控制，當相對升降達到30%的情況下，閥門就會處于完全打開的狀態。而靜流量元件對于這種現象具有較好的調節作用，閥門的流量特性曲線線性就可以處于較好的狀態，但是閥門流量的能力就會隨之得到降低，在這種情況下，空氣損失是比較大的。(2)用靜流量元件安裝球閥后，當小壓力降低時，閥門的振動特性比未安裝靜流量元件時明顯降低，整個閥門顯示出較好的減振效果。

3 閥腔聲共振分析

在閥門出入口的另一端設置聲監測點，將無流量和無聲源與閥門內白色噪聲表面進行比較，同一閥門監測點處的聲壓譜曲線和線譜頻率重疊。(1)通過相關數值模擬確認所用的小孔消聲裝置的主要降噪機理：將原閥中形成的單組高速射流分離，將帶有小孔消聲裝置的改進閥與每個流動方向上的每個孔分離。(2)原有閥和改進閥的輸入輸出噪聲譜是具有多個絕緣線路譜的連續寬帶譜，連續帶寬譜強度根據湍流脈沖譜特性從低頻到高頻減小。絕緣線路頻譜是閥門腔聲共振引起的，在聲共振頻率下，寬帶流量噪聲是“采集”的，得到了顯著改善。事實上，全閥噪聲的聲級總大小是由不同絕緣線路頻譜的高度決定的，本文還通過控制流量噪聲的共振，給出了思路和方法，從而降低噪聲。隨著流速的增加，每種頻率(尤其是高頻段)的聲音強度都會增加。(3)為了確定流量噪聲源及其形成機理，應結合這些分析，對閥門流量主要噪聲源的位置和形成機理進行深入分析，特別是通過q值和r值的分布以及POD流模式分析，實現匹配。為便于實施機構分析和相關聲源定位，設計了用于顯示Lighthill等效聲源分布的嵌入式fluent模塊和用于POD分析的集成Matlab模塊，以驗證其是否適合。

4 閥門試驗臺振動與噪聲消除方法

在閥門試驗臺一旦出現震動和噪聲的現象下，相關工作人員需要根據原因進行及時地操作。下面我們將詳細地分析閥門試驗臺震動與噪聲消除的方法：(1)液壓泵的結構參數和吸氣線需要相關設計人員給予較強的重視，在進行結構設計的過程中，盡可能地減少管道狹窄和彎曲的現象發生，否則將會導致產生低壓區。同時在實際運用閥門實驗臺的過程中，液壓泵和進氣管必須合理設計，避免“空氣堵塞”。(2)在選擇材料的過程中也要根據實際施工狀況進行選擇，不斷地提升機械的強度，從而達到提升閥門實驗臺質量的目的。在選擇液壓泵和液壓馬達材料過程中，良好的材料可以有效地防止磨削、刮削、齒面修剪、活塞死亡和不規則運動的發生。(3)當關閉板兩側的排氣槽打開時，當封閉腔體積減小時，左側的排氣槽連接到機油壓力室；音量增大時，右側的排氣孔與吸油腔相連。(4)提高零件安裝的精度，降低閥門試驗臺的振動與噪聲也是非常有效的。如果在進行安裝的過程中沒有加以重視，那么液壓馬達的質量就會受到影響，進而就會加大閥門試驗臺的噪聲和震動。只有重視液壓泵和液壓馬達不加安裝的精度，閥門試驗臺的安裝質量才能夠得到提升，閥門試驗臺的震動和噪聲發生的現象也會得到緩解。(5)選擇質量優等的閥門。(6)液壓泵和閥門在管上的位置也需要設計師給予一定的重視，只有合理地安排好這兩者的位置，并按照相關的規定標準進行工作，閥門實驗臺的質量就會得到提升。

5 實驗結果分析

氣動控制閥最常見的故障是控制閥、氣動執行器、定位器和外部故障。可根據噪聲信號的統計特性檢測氣動調節閥故障，自動相關功能中斷點確定故障發生的時間，完成氣動調節閥故障檢測。氣動調節閥正常工作時，氣動調節閥的輸入信號以正弦信號開始，以常數0.5開始。1800s，以更大的正弦信號結束。當氣動控制閥鎖定900s時，杠桿的位移也變為0.5的常數。因此，如果直接觀察過程信號，就會出現檢驗損失，錯誤地認為故障狀態下的調節閥仍在工作，無法發出預警。基于噪聲的故障檢測分析能夠檢測到這些故障，這些故障可以通過與調節閥內部結構相關聯的工藝噪聲以及控制閥結構及其工藝噪聲的變化來檢測。一些噪聲特性可用于故障檢測。從統計角度看，提取噪聲信號的自相關功能特性可用作故障檢測的特征值。噪聲分析的最大好處是成本低，適合于工業場所的實時診斷。

6 結語

在流體管路的整個系統中，閥門是其中最重要，也是最普通的一個控制單元，特別是在工業與生活中被廣泛地應用，閥門主要是控制管路內流體的壓力、流量和流向。所以，閥門的設計和制造工作是非常重要的，是否能夠控制好整體結構以及流動損失是閥門的主要表現形式。如果閥門在開啟和關閉的情況下流體經過閥門，那么流體的流動狀態就會受到影響，整體的閥門實驗臺就會逐漸出現噪聲、振動等問題，這也是由于閥門內部的結構特點所導致的，這也是閥門容易失控或者損壞的原因。所以，只有不斷地控制閥門的特點、優化閥門設計，這樣對于控制振動和噪聲的發生都是十分有利的。