消波器對水介質柱塞泵脈動吸收特性的仿真及試驗

王新海，毛漢源，秦子明，石兆存

（1.海軍裝備部駐葫蘆島地區軍事代表室，遼寧葫蘆島 125004；2.武漢第二船舶設計研究所，武漢 430205）

0 引言

柱塞泵作為一種容積式泵，具有自吸能力強、高揚程、流量穩定的優點，被廣泛應用于船舶消防、艙底水等領域。但由于柱塞泵在原理上會產生低頻振動，在影響泵組可靠性及壽命的同時，還會影響水下艦艇的隱蔽性能［1-9］。因此，有必要研究其壓力脈動特性，并設計消波器對其進行抑制。

NISHIMURA 等［10］研究了各脈動參數對結構振動響應的影響；張天霄［11］根據液壓柱塞泵系統壓力脈動的產生機理，建立了描述壓力脈動生成的數學模型。

研究者們對抑制壓力脈動的方法開展了大量研究。目前使用最廣泛的方法是在柱塞泵出口安裝蓄能器，部分廠家甚至將其集成到了泵上。王強等［12］針對往復泵管路振動特性，對比了撓性接管、管路消振器、蓄能器等措施，發現蓄能器對低頻流體脈動衰減較大，高頻效果較差。LUO等［13］對蓄能器衰減壓力脈動進行了理論建模；ZHANG 等［14］將蓄能器集成到一種新型曲軸海水柱塞泵中，通過優化預充能參數，有效減少了工作范圍內的壓力脈動和振動加速度。

本文設計了一種結合蓄能器組與孔板的新型消波器，通過建立蓄能器組的壓力脈動方程，確定了蓄能器組的預充能參數，并通過數值模擬與試驗結合的方法，驗證了該新型消波器的壓力脈動衰減性能。

1 柱塞泵脈動特性

柱塞泵屬于容積泵，當柱塞泵的活塞在水缸內往復運動時，可在吸、排水閥配合下完成吸、排液體工作。

為了減少脈動壓力，一般采用雙作用柱塞泵，其柱塞在吸入和排出沖程中同時移動，即一側縮回的同時，另一側伸出，從而產生更連續的流量，減少流量脈動。圖1 示出流量Q隨曲柄轉角?變化的曲線。柱塞泵工作時，周期性排出液體，產生周期性壓力變化，根據泵的結構和運轉情況，可估算脈動頻率：

圖1 流量與轉角的關系曲線Fig.1 Relationship between flow rate and angle

式中，N為泵轉速，次/min；Z為往復泵的缸體數；i為諧波次數，i=1，2，3，…。

本文以某雙缸雙作用活塞往復泵為研究對象，泵速為170 r/min，泵主要流體脈動激勵的基頻較低，為6 Hz 左右。流量脈動率理論值為31%，壓力脈動率至少達30%以上。

2 消波器結構及參數確定

蓄能器對低頻壓力脈動具有較好的衰減效果，對高頻壓力脈動衰減效果較弱，而孔板對高頻壓力脈動衰減效果較好；除此之外，單個蓄能器只能對額定工況的壓力脈動進行衰減。而柱塞泵壓力脈動同時具有低頻和高頻特性，且工作壓力會隨背壓的變化而變化。因此，基于以上特性，消波器應采用多個蓄能器構成蓄能器組，并且結合孔板，以達到降低多工況下壓力脈動的目的。

為盡可能緊湊地組合蓄能器組與孔板，節省空間，降低重量，本文首先對消波器的本體結構進行了設計，如圖2 所示。本體為方形結構，四周各加工5 個隔膜蓄能器容腔，共20 個；中間管道加工2 個孔肩以固定孔板；中間管道與隔膜蓄能器容腔通過通孔連接，本體兩端通過法蘭與管路相連。

圖2 消波器本體結構示意Fig.2 Structural diagram of the wave absorber body

孔板的研究目前已經較為完善，本文主要針對蓄能器組進行設計、模擬和試驗。蓄能器結構主要由蓄能器蓋板、隔膜、蓋帽、內六角螺栓等組成，如圖3 所示。蓄能器蓋板把隔膜緊壓在本體上，由于隔膜材質為丁晴橡膠，且其邊沿與蓋板、本體緊密接觸，可達到較好的密封效果。

圖3 蓄能器結構示意Fig.3 Schematic diagram of the accumulator structure

對蓄能器容積和充氣壓力進行理論計算。

2.1 蓄能器容積計算

蓄能器總容積為：

式中，ΔV為一個脈動周期內，瞬時排出體積與平均排出體積的差值，文中按流量脈動率為30%計算得出，為1.45×10-5m3；δ為允許的壓力脈動率，取0.15；k為充氣氣體多變指數，取1.4。

根據消波器的設計方案，共有20 個蓄能器分布在消波器的四周，以更好地調節充氣壓力，從而實現不同工況下壓力脈動的衰減。則每個蓄能器的容積為：

式中，n為蓄能器組中蓄能器個數。根據計算取近似值，單個蓄能器容積V0為0.075 L。

2.2 蓄能器組參數確定

蓄能器組可以對不同工作壓力下柱塞泵的壓力脈動進行衰減，為使蓄能器組衰減效果最佳，通過建立壓力脈動方程，確定了蓄能器組參數，以匹配柱塞泵工作壓力的變化。

首先確定消波器的工作壓力范圍pmin～pmax，然后在此范圍內取n個壓力點：

并在每個壓力點設置蓄能器，使得消波器能夠在泵整個壓力范圍內充分吸收脈動。

（1）第1 個壓力點及蓄能器參數確定。

對應pmin的蓄能器氣囊容積為：

式中，δp為允許的壓力脈動率。

蓄能器吸收壓力脈動時，該蓄能器的充氣壓力paq1為：

該蓄能器的有效容積Var為：

式中，Vaq1為該蓄能器初始充氣壓力，Pa。

如果柱塞泵輸出壓力大于pmin，且蓄能器有效容積不低于Var，則泵產生的壓力脈動能被充分吸收。

（2）第2 個壓力點及蓄能器參數確定。

當輸出壓力為pc1=pmin時，蓄能器有效容積為Var，因此第2 個蓄能器的充氣壓力paq2只能為：

由于此時第1 個蓄能器也在該壓力點吸收脈動，只是其容積變小，因此第2 個壓力點pc2滿足：

（3）第i（i>2）個壓力點及蓄能器參數確定。

根據第2 個壓力點的充氣壓力，可推得第3～i個蓄能器充氣壓力：

第i個壓力點壓力為：

（4）最終參數確定。

根據式（11）（12）不斷迭代計算，直至滿足下列條件：

此時可得n個蓄能器的最佳容積和充氣壓力。經計算，20 個蓄能器的容積均為0.075 L，充氣壓力和充氣體積見表1。

表1 蓄能器參數Tab.1 Accumulator parameters

2.3 孔板設計

采用Realizablek-ε模型優化了孔板厚度、間距、開孔數量等，發現壓力脈動抑制效果隨開孔增多而增大，但增大趨勢變緩。綜合考慮效果和工藝，確定開孔數為12。優化后的孔板厚度為20 mm，間距為100 mm。仿真發現，孔板對低頻壓力脈動的抑制效果較差。

3 消波器脈動吸收特性仿真分析

本文采用液壓仿真軟件AMESim 計算蓄能器組壓力脈動吸收特性。在仿真模型中，用正弦變化的入口流量近似模擬柱塞泵產生的流量脈動，入口流量可表示為：

式中，334 為平均流量；50 為流量脈動幅值；125為圓頻率。

消波器中有20 個蓄能器，根據蓄能器組參數確定方法計算出蓄能器組的充氣壓力和充氣體積，具體充氣情況如表1 所示。在AMESim 中建立串聯蓄能器組的仿真模型，并根據表1 所示參數對各個蓄能器進行參數設置。調節節流閥開度，使輸出壓力分別為1.0，1.5，2.0，2.5 MPa，經AMESim 仿真，得出輸出壓力消減前、后的壓力脈動曲線，如圖4 所示。

圖4 不同輸出壓力下的壓力脈動消減曲線Fig.4 Pressure pulsation reduction curve under different output pressures

根據圖4 輸出壓力消減前、后的壓力脈動曲線，獲取消減前、后的壓力平均波峰值、波谷值、平均值，再利用公式計算壓力脈動消減比與壓力脈動插入損失，具體見表2。

表2 消波器脈動消減效果Tab.2 Pulsation reduction effect of wave absorber

式中，δinp，δoutp為進、出蓄能器的壓力脈動率；pin，max，pout，max為進、出蓄能器的壓力平均波峰值；pin，min，pout，min為進、出蓄能器的壓力平均波谷值；pin，pout為進、出蓄能器的壓力平均值；λ為脈動消減比；Lp為壓力脈動插入損失。

從表2 的仿真結果可以看出：采用不同的蓄能器充氣壓力時，柱塞泵各壓力下的壓力脈動均被有效消減，消減比約為50%，插入損失為5.5～6.9 dB。

4 消波器脈動吸收特性試驗

4.1 試驗臺架

本文借助柱塞泵系統降噪改進試驗裝置對消波器的脈動吸收特性進行了對比試驗，通過對比有無消波器的系統在不同背壓下的振動噪聲變化情況，評估了消波器的脈動吸收特性［15-17］。

加裝消波器的柱塞泵系統降噪改進試驗原理及測點布置如圖5 所示，不加裝消波器的對比試驗中采用CB855 截止止回閥和剛性管段替換消波器。圖中，壓力傳感器量程0～4 MPa，精度為0.5%，流量計量程0～50 m3/h，精度為1%表示B＆K 4514B 加速度傳感器，布置在泵進出口管路表示B＆K 2250 聲級計，布置在距離泵等被測對象1 m 處，表示PCB 102B16 脈動壓力傳感器，布置在連通帶壓水艙的管路上。

圖5 系統降噪改進試驗原理及測點布置Fig.5 The principle of noise reduction test of plunger pump system and the layout of measuring points

4.2 試驗結果

在試驗中，通過改變閥門開度，使系統背壓分別為0.5，1.0，1.2，1.5，2.0，2.5 MPa，得到不同背壓下消波器降噪效果頻譜如圖6 所示，脈動消減效果對比見表3。

表3 脈動消減效果對比試驗結果Tab.3 The results of the pulsation reduction effect comparison experiment

圖6 脈動消減效果頻譜Fig.6 Spectrogram of the pulsation reduction effect

由壓力脈動結果對比分析可得：柱塞泵排水時，消波器可有效降低流體壓力脈動。針對不同排水背壓，相應改變消波器充氣壓力，壓力脈動消減效果更加明顯。從頻譜圖可以看出，系統脈動峰值主要集中在10～250 Hz 的低頻段內，峰值頻率為柱塞泵固有脈動頻率及其倍頻，在中高頻段內壓力脈動峰值較小；由于蓄能器組的存在，在不同工作壓力下，消波器均對低頻壓力脈動有較為明顯的衰減效果。

4.3 與仿真結果的對比

對比表2 和表3 可以看出，實際插入損失與蓄能器仿真結果存在1～3 dB 的差別，一方面是由于表2 僅代表～20 Hz 這一主要頻率的消減效果，另一方面反映了孔板的作用。

5 水消聲器試驗

為了進一步提高中高壓力時的降噪效果，研制了水消聲器。

5.1 消聲器設計

如圖7 所示，消聲器由安裝法蘭、耐壓外筒和阻抗失配消聲結構（橡膠材料）組成。

圖7 消聲器剖視Fig.7 Sectional view of the silencer

5.2 插入損失試驗

在柱塞泵出口管路上設置消聲器，消聲器的插入損失如表4 所示。

表4 消聲器插入損失試驗結果Tab.4 Experiment results of the silencer's insertion loss

可以看出，水消聲器對低背壓時的噪聲有很好的抑制效果。

6 結論

（1）設計出一種蓄能器組和孔板相結合的新型消波器，建立了蓄能器組的參數計算方程，并通過該方程對消波器的蓄能器組結構參數進行了確定。

（2）通過AMESim 軟件對蓄能器組的壓力脈動衰減特性進行了數值仿真，結果表明，蓄能器組能夠有效衰減不同工況下的壓力脈動，衰減比約為50%。

（3）通過試驗對新型消波器在柱塞泵不同工況下的壓力脈動衰減性能進行了驗證，結果表明，消波器可有效降低流體壓力脈動，尤其在低頻段內吸收壓力脈動效果明顯；針對不同排水背壓，相應改變消波器充氣壓力，壓力脈動消減效果更加顯著。

（4）通過消波器和消聲器的搭配使用，可在全部背壓下降低柱塞泵的脈動和噪聲。