消波器对水介质柱塞泵脉动吸收特性的仿真及试验

王新海，毛汉源，秦子明，石兆存

（1.海军装备部驻葫芦岛地区军事代表室，辽宁葫芦岛 125004；
2.武汉第二船舶设计研究所，武汉 430205）

柱塞泵作为一种容积式泵，具有自吸能力强、高扬程、流量稳定的优点，被广泛应用于船舶消防、舱底水等领域。但由于柱塞泵在原理上会产生低频振动，在影响泵组可靠性及寿命的同时，还会影响水下舰艇的隐蔽性能［1-9］。因此，有必要研究其压力脉动特性，并设计消波器对其进行抑制。

NISHIMURA 等［10］研究了各脉动参数对结构振动响应的影响；
张天霄［11］根据液压柱塞泵系统压力脉动的产生机理，建立了描述压力脉动生成的数学模型。

研究者们对抑制压力脉动的方法开展了大量研究。目前使用最广泛的方法是在柱塞泵出口安装蓄能器，部分厂家甚至将其集成到了泵上。王强等［12］针对往复泵管路振动特性，对比了挠性接管、管路消振器、蓄能器等措施，发现蓄能器对低频流体脉动衰减较大，高频效果较差。LUO等［13］对蓄能器衰减压力脉动进行了理论建模；
ZHANG 等［14］将蓄能器集成到一种新型曲轴海水柱塞泵中，通过优化预充能参数，有效减少了工作范围内的压力脉动和振动加速度。

本文设计了一种结合蓄能器组与孔板的新型消波器，通过建立蓄能器组的压力脉动方程，确定了蓄能器组的预充能参数，并通过数值模拟与试验结合的方法，验证了该新型消波器的压力脉动衰减性能。

柱塞泵属于容积泵，当柱塞泵的活塞在水缸内往复运动时，可在吸、排水阀配合下完成吸、排液体工作。

为了减少脉动压力，一般采用双作用柱塞泵，其柱塞在吸入和排出冲程中同时移动，即一侧缩回的同时，另一侧伸出，从而产生更连续的流量，减少流量脉动。图1 示出流量Q随曲柄转角ϕ变化的曲线。柱塞泵工作时，周期性排出液体，产生周期性压力变化，根据泵的结构和运转情况，可估算脉动频率：

图1 流量与转角的关系曲线Fig.1 Relationship between flow rate and angle

式中，N为泵转速，次/min；
Z为往复泵的缸体数；
i为谐波次数，i=1，2，3，…。

本文以某双缸双作用活塞往复泵为研究对象，泵速为170 r/min，泵主要流体脉动激励的基频较低，为6 Hz 左右。流量脉动率理论值为31%，压力脉动率至少达30%以上。

蓄能器对低频压力脉动具有较好的衰减效果，对高频压力脉动衰减效果较弱，而孔板对高频压力脉动衰减效果较好；
除此之外，单个蓄能器只能对额定工况的压力脉动进行衰减。而柱塞泵压力脉动同时具有低频和高频特性，且工作压力会随背压的变化而变化。因此，基于以上特性，消波器应采用多个蓄能器构成蓄能器组，并且结合孔板，以达到降低多工况下压力脉动的目的。

为尽可能紧凑地组合蓄能器组与孔板，节省空间，降低重量，本文首先对消波器的本体结构进行了设计，如图2 所示。本体为方形结构，四周各加工5 个隔膜蓄能器容腔，共20 个；
中间管道加工2 个孔肩以固定孔板；
中间管道与隔膜蓄能器容腔通过通孔连接，本体两端通过法兰与管路相连。

图2 消波器本体结构示意Fig.2 Structural diagram of the wave absorber body

孔板的研究目前已经较为完善，本文主要针对蓄能器组进行设计、模拟和试验。蓄能器结构主要由蓄能器盖板、隔膜、盖帽、内六角螺栓等组成，如图3 所示。蓄能器盖板把隔膜紧压在本体上，由于隔膜材质为丁晴橡胶，且其边沿与盖板、本体紧密接触，可达到较好的密封效果。

图3 蓄能器结构示意Fig.3 Schematic diagram of the accumulator structure

对蓄能器容积和充气压力进行理论计算。

2.1 蓄能器容积计算

蓄能器总容积为：

式中，ΔV为一个脉动周期内，瞬时排出体积与平均排出体积的差值，文中按流量脉动率为30%计算得出，为1.45×10-5m3；
δ为允许的压力脉动率，取0.15；
k为充气气体多变指数，取1.4。

根据消波器的设计方案，共有20 个蓄能器分布在消波器的四周，以更好地调节充气压力，从而实现不同工况下压力脉动的衰减。则每个蓄能器的容积为：

式中，n为蓄能器组中蓄能器个数。根据计算取近似值，单个蓄能器容积V0为0.075 L。

2.2 蓄能器组参数确定

蓄能器组可以对不同工作压力下柱塞泵的压力脉动进行衰减，为使蓄能器组衰减效果最佳，通过建立压力脉动方程，确定了蓄能器组参数，以匹配柱塞泵工作压力的变化。

首先确定消波器的工作压力范围pmin～pmax，然后在此范围内取n个压力点：

并在每个压力点设置蓄能器，使得消波器能够在泵整个压力范围内充分吸收脉动。

（1）第1 个压力点及蓄能器参数确定。

对应pmin的蓄能器气囊容积为：

式中，δp为允许的压力脉动率。

蓄能器吸收压力脉动时，该蓄能器的充气压力paq1为：

该蓄能器的有效容积Var为：

式中，Vaq1为该蓄能器初始充气压力，Pa。

如果柱塞泵输出压力大于pmin，且蓄能器有效容积不低于Var，则泵产生的压力脉动能被充分吸收。

（2）第2 个压力点及蓄能器参数确定。

当输出压力为pc1=pmin时，蓄能器有效容积为Var，因此第2 个蓄能器的充气压力paq2只能为：

由于此时第1 个蓄能器也在该压力点吸收脉动，只是其容积变小，因此第2 个压力点pc2满足：

（3）第i（i>2）个压力点及蓄能器参数确定。

根据第2 个压力点的充气压力，可推得第3～i个蓄能器充气压力：

第i个压力点压力为：

（4）最终参数确定。

根据式（11）（12）不断迭代计算，直至满足下列条件：

此时可得n个蓄能器的最佳容积和充气压力。经计算，20 个蓄能器的容积均为0.075 L，充气压力和充气体积见表1。

表1 蓄能器参数Tab.1 Accumulator parameters

2.3 孔板设计

采用Realizablek-ε模型优化了孔板厚度、间距、开孔数量等，发现压力脉动抑制效果随开孔增多而增大，但增大趋势变缓。综合考虑效果和工艺，确定开孔数为12。优化后的孔板厚度为20 mm，间距为100 mm。仿真发现，孔板对低频压力脉动的抑制效果较差。

本文采用液压仿真软件AMESim 计算蓄能器组压力脉动吸收特性。在仿真模型中，用正弦变化的入口流量近似模拟柱塞泵产生的流量脉动，入口流量可表示为：

式中，334 为平均流量；
50 为流量脉动幅值；
125为圆频率。

消波器中有20 个蓄能器，根据蓄能器组参数确定方法计算出蓄能器组的充气压力和充气体积，具体充气情况如表1 所示。在AMESim 中建立串联蓄能器组的仿真模型，并根据表1 所示参数对各个蓄能器进行参数设置。调节节流阀开度，使输出压力分别为1.0，1.5，2.0，2.5 MPa，经AMESim 仿真，得出输出压力消减前、后的压力脉动曲线，如图4 所示。

图4 不同输出压力下的压力脉动消减曲线Fig.4 Pressure pulsation reduction curve under different output pressures

根据图4 输出压力消减前、后的压力脉动曲线，获取消减前、后的压力平均波峰值、波谷值、平均值，再利用公式计算压力脉动消减比与压力脉动插入损失，具体见表2。

表2 消波器脉动消减效果Tab.2 Pulsation reduction effect of wave absorber

式中，δinp，δoutp为进、出蓄能器的压力脉动率；
pin，max，pout，max为进、出蓄能器的压力平均波峰值；
pin，min，pout，min为进、出蓄能器的压力平均波谷值；
pin，pout为进、出蓄能器的压力平均值；
λ为脉动消减比；
Lp为压力脉动插入损失。

从表2 的仿真结果可以看出：采用不同的蓄能器充气压力时，柱塞泵各压力下的压力脉动均被有效消减，消减比约为50%，插入损失为5.5～6.9 dB。

4.1 试验台架

本文借助柱塞泵系统降噪改进试验装置对消波器的脉动吸收特性进行了对比试验，通过对比有无消波器的系统在不同背压下的振动噪声变化情况，评估了消波器的脉动吸收特性［15-17］。

加装消波器的柱塞泵系统降噪改进试验原理及测点布置如图5 所示，不加装消波器的对比试验中采用CB855 截止止回阀和刚性管段替换消波器。图中，压力传感器量程0～4 MPa，精度为0.5%，流量计量程0～50 m3/h，精度为1%表示B＆K 4514B 加速度传感器，布置在泵进出口管路表示B＆K 2250 声级计，布置在距离泵等被测对象1 m 处，表示PCB 102B16 脉动压力传感器，布置在连通带压水舱的管路上。

图5 系统降噪改进试验原理及测点布置Fig.5 The principle of noise reduction test of plunger pump system and the layout of measuring points

4.2 试验结果

在试验中，通过改变阀门开度，使系统背压分别为0.5，1.0，1.2，1.5，2.0，2.5 MPa，得到不同背压下消波器降噪效果频谱如图6 所示，脉动消减效果对比见表3。

表3 脉动消减效果对比试验结果Tab.3 The results of the pulsation reduction effect comparison experiment

图6 脉动消减效果频谱Fig.6 Spectrogram of the pulsation reduction effect

由压力脉动结果对比分析可得：柱塞泵排水时，消波器可有效降低流体压力脉动。针对不同排水背压，相应改变消波器充气压力，压力脉动消减效果更加明显。从频谱图可以看出，系统脉动峰值主要集中在10～250 Hz 的低频段内，峰值频率为柱塞泵固有脉动频率及其倍频，在中高频段内压力脉动峰值较小；
由于蓄能器组的存在，在不同工作压力下，消波器均对低频压力脉动有较为明显的衰减效果。

4.3 与仿真结果的对比

对比表2 和表3 可以看出，实际插入损失与蓄能器仿真结果存在1～3 dB 的差别，一方面是由于表2 仅代表～20 Hz 这一主要频率的消减效果，另一方面反映了孔板的作用。

为了进一步提高中高压力时的降噪效果，研制了水消声器。

5.1 消声器设计

如图7 所示，消声器由安装法兰、耐压外筒和阻抗失配消声结构（橡胶材料）组成。

图7 消声器剖视Fig.7 Sectional view of the silencer

5.2 插入损失试验

在柱塞泵出口管路上设置消声器，消声器的插入损失如表4 所示。

表4 消声器插入损失试验结果Tab.4 Experiment results of the silencer"s insertion loss

可以看出，水消声器对低背压时的噪声有很好的抑制效果。

（1）设计出一种蓄能器组和孔板相结合的新型消波器，建立了蓄能器组的参数计算方程，并通过该方程对消波器的蓄能器组结构参数进行了确定。

（2）通过AMESim 软件对蓄能器组的压力脉动衰减特性进行了数值仿真，结果表明，蓄能器组能够有效衰减不同工况下的压力脉动，衰减比约为50%。

（3）通过试验对新型消波器在柱塞泵不同工况下的压力脉动衰减性能进行了验证，结果表明，消波器可有效降低流体压力脉动，尤其在低频段内吸收压力脉动效果明显；
针对不同排水背压，相应改变消波器充气压力，压力脉动消减效果更加显著。

（4）通过消波器和消声器的搭配使用，可在全部背压下降低柱塞泵的脉动和噪声。

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