高壓液壓動力單元壓力脈動抑制方法研究

楊建義

（中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津300452）

在選用柱塞泵的高壓液壓動力單元中，壓力脈動主要是由電機在運轉時的機械振動和液壓泵結構特性引起的。機械振動引起的壓力脈動一般采用提高液壓泵、聯軸器和電機的配合精度進行抑制。由柱塞泵結構特性引起的脈動，可以采用增加液壓泵柱塞數量、增大液壓泵出口管線尺寸、液壓泵出口加裝蓄能器等方法抑制。在實際項目中，需要綜合考慮影響因素，最優方案是在柱塞泵出口加裝皮囊式蓄能器吸收系統脈動，但是蓄能器的正確選型與安裝、管線連接等直接影響吸收脈動效果。

1 液壓動力單元組成

液壓動力單元一般由電機、液壓泵、蓄能器及連接管路組成。電機帶動液壓泵將電能轉化成液壓能，通過減壓元件和電液控制元件輸出不同的液力，實現對閥門的控制或者液壓缸的驅動。在苛刻環境中，液壓動力單元的脈動對輸出液力的質量、設備性能的影響不可忽略，因此在設計液壓動力單元時，必須考慮壓力脈動的影響，并對其加以抑制。針對液壓動力單元液壓泵的流量脈動和壓力脈動，通常采用在液壓泵出口加裝皮囊式蓄能器進行吸收。典型液壓動力單元系統圖如圖1所示。

圖1 液壓動力單元系統圖Fig.1 System diagram of hydraulic power unit

2 脈動產生和危害

本項目所選擇的液壓泵是徑向柱塞泵，徑向柱塞泵依靠密封容積變化的原理進行工作。柱塞在缸體內做往復運動，使密封容積產生變化來實現吸油和排油。柱塞泵配合精度較高，密封性能好，在高壓下工作仍有較高的容積效率[1]。由于徑向柱塞泵的結構特性，柱塞徑向移動速度是變化的，輸出的瞬時流量是脈動的，壓力也是脈動的。

在高壓液壓動力單元中，系統壓力脈動會影響液壓系統的穩定性和產品性能，還有可能引起液壓動力單元與其他設備共振。柱塞泵的脈動還對自身有較大的影響，壓力高峰值時會對自身的密封產生影響甚至影響液壓泵的使用壽命。因此在設計液壓動力單元時，必須考慮壓力脈動的影響，并對其加以抑制。

3 柱塞泵脈動抑制

3.1 提高柱塞泵的配合精度

柱塞泵的脈動抑制首先要考慮柱塞泵和電機的配合精度。高壓液壓動力單元輸出壓力較高，電機和液壓泵轉速較快，液壓泵在結構上一般不能承受額外的徑向和軸向載荷，在電機臥式布置的安裝中，泵和電機的同軸度要求較高，一般選用聯軸器以提高電機、柱塞泵和液壓泵的安裝精度，減少機械配合引起的壓力脈動。

3.2 柱塞泵頻率計算

徑向柱塞泵的轉子和定子間的偏心距為e 時，柱塞在吸油過程中的死點位置時伸出缸體最長，在排油過程中的死點位置時伸出缸體最短，柱塞的最大行程為2e[2]。柱塞泵的瞬時流量式如下[3]：式中：d 為柱塞直徑；e 為偏心距；L 為連桿長度；R為定子半徑；φ 為轉角。由瞬時流量公式可知，柱塞在轉動的過程中，流量是時刻變化的，且每旋轉1周為1 個周期。流量的周期變化，體現在系統中就是周期變化的壓力脈動。因此系統的壓力脈動主要特征是頻率和幅度。

脈動系數反映柱塞泵壓力脈動程度，脈動系數δ 計算如下：

式中：Qmax為柱塞旋轉1 周輸出的最大流量；Qmin是柱塞旋轉1 周輸出的最小量。脈動系數主要體現在對流量高值和低值的考察，查閱柱塞泵廠家樣本，本次選擇柱塞泵的脈動理論系數為1。

壓力脈動的周期性主要用壓力脈動頻率描述，壓力脈動頻率和流量脈動頻率相同。流量脈動頻率f 計算如下[4]：

式中：Z 是柱塞數量；n 為轉速。柱塞泵的脈動頻率只與柱塞數量和轉速有關。本項目中選用的是三柱塞徑向柱塞泵，轉速為1450 r/min，計算柱塞泵的壓力脈動頻率為145 Hz。

4 蓄能器的脈動抑制

4.1 蓄能器容積計算

假定液壓泵至蓄能器間的液壓油流動是層流，在流量脈動的一個時間周期內，蓄能器完成吸油和排油各一次，過程時間較短，蓄能器中的氣體來不及與外界熱交換，因此在計算時近似為絕熱變化。皮囊式蓄能器容積可按照推薦公式計算[5]：

式中：Vd為1 個柱塞的排量；k 為絕熱指數，取值1.4；Kb為不同類型泵的系數；Pm為蓄能器設置點的平均絕對壓力，Pm=（P1+P2）/2，Pa；P1為最低工作壓力，Pa；P2為最高工作壓力，Pa。

以項目為例，設備位于渤海某井口生產平臺，室外安裝，海水含鹽的腐蝕性環境，環境溫度-17～33 ℃。系統最小工作壓力20.69 MPa，最高工作壓力48.27 MPa。通過計算只需要0.0001 L 蓄能器，根據廠家樣本選型，選擇蓄能器容積為1 L。

4.2 蓄能器頻率響應

蓄能器的主要參數有容積、承壓、直徑和進口尺寸等，蓄能器的外形尺寸圖如圖2所示。

圖2 蓄能器外形尺寸圖Fig.2 Dimension drawing of accumulator

在蓄能器容積選定后，核算蓄能器的固有頻率。常規蓄能器在與系統連接時，其入口處有一定長度的連接管路，連接管路對蓄能器本體的特性影響很大[6]。蓄能器的固有頻率計算如下：

式中：A 為蓄能器中油液的截面積；P0為柱塞泵出口壓力穩態值；V0為蓄能器中氣體容積穩態值；m 為蓄能器管路中油液質量和蓄能器內油液質量的等效質量。

柱塞泵出口連接管路選用外徑0.25 英寸，壁厚0.065 英寸的無縫不銹鋼管線，長度按照1 m 計算。某品牌常用型號高壓皮囊式蓄能器的固有頻率計算表如表1所示。

表1 高壓蓄能器固有頻率計算表Tab.1 Calculation table of natural frequency of high-pressure accumulator

當壓力脈動頻率與蓄能器的固有頻率相等的時候，回路吸收壓力脈動效果最好，對數幅頻特性函數如下[7]：

式中：Q 為柱塞泵輸出流量穩態值，Rf為蓄能器前管路的液阻。蓄能器的固有頻率與蓄能器自身結構、安裝形式及安裝位置有關，吸收脈動蓄能器的安裝位置盡可能的靠近液壓泵。在高壓系統中，由于柱塞泵出口壓力穩態值較大，故蓄能器的固有頻率較高，一般遠遠高于柱塞泵的壓力脈動頻率，蓄能器對系統脈動的抑制有待進一步提高。

5 脈動衰減器容積計算

在項目方案設計時，電機、柱塞泵、蓄能器、液控管線等都是標準產品，在工作蓄能器容積選定后，電機功率及柱塞泵就會確定，系統壓力脈動的抑制主要體現在脈動蓄能器容積選型、安裝及連接管路。脈動蓄能器的入口設計，可以根據高壓液體的流向特點，將液體盡可能的導向蓄能器，使用一種類似閥塊替代這種連接管路，最大可能抑制系統的脈動。脈動衰減器的選型就是以液壓泵參數及脈動率為基礎計算容積。脈動衰減器容積計算公式如下[8]：

式中：ΔV 為波動的油液容積；q 為活塞的行程容積；dk為柱塞直徑；hk為柱塞行程；δ 為泵的不均勻性系數；X 為殘余脈動；N 為等熵系數；φ 為預充壓力與工作壓力比，一般取0.7。

將項目參數代入計算，脈動衰減器的容積為0.34 L，查詢脈動衰減器廠家樣本，選擇脈動衰減器容積為1.5 L。以液壓泵參數和脈動率為基礎計算的脈動衰減器容積選型相對常規計算較大，經廠家模擬軟件及產品現場運行驗證，脈動減低。實際生產集成高壓液壓動力單元以脈動衰減器的容積進行組裝集成，產品投入現場，設備運行穩定。

6 結語

在低壓系統中，蓄能器的固有頻率較低，對低頻脈動有明顯的吸收效果。但是在高壓系統中，蓄能器的固有頻率很高，常用的蓄能器選型計算吸收脈動效果一般。

本文研究了高壓液壓動力單元壓力脈動的產生，著重分析了由柱塞泵自身結構原因產生壓力脈動的抑制與吸收，識別了系統壓力脈動抑制的關鍵因素。在高壓液壓動力單元中脈動蓄能器容積選型時，常規的計算方法以蓄能器內氮氣絕熱狀態變化為基礎，跟蹤氮氣的狀態變化。脈動衰減器的計算方法是增加了對液壓泵參數及脈動率的考察，其選型對壓力脈動的抑制和吸收較好，設備現場投入運行，壓力脈動降低，運行穩定。