高压液压动力单元压力脉动抑制方法研究

杨建义

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津300452）

在选用柱塞泵的高压液压动力单元中，压力脉动主要是由电机在运转时的机械振动和液压泵结构特性引起的。机械振动引起的压力脉动一般采用提高液压泵、联轴器和电机的配合精度进行抑制。由柱塞泵结构特性引起的脉动，可以采用增加液压泵柱塞数量、增大液压泵出口管线尺寸、液压泵出口加装蓄能器等方法抑制。在实际项目中，需要综合考虑影响因素，最优方案是在柱塞泵出口加装皮囊式蓄能器吸收系统脉动，但是蓄能器的正确选型与安装、管线连接等直接影响吸收脉动效果。

1 液压动力单元组成

液压动力单元一般由电机、液压泵、蓄能器及连接管路组成。电机带动液压泵将电能转化成液压能，通过减压元件和电液控制元件输出不同的液力，实现对阀门的控制或者液压缸的驱动。在苛刻环境中，液压动力单元的脉动对输出液力的质量、设备性能的影响不可忽略，因此在设计液压动力单元时，必须考虑压力脉动的影响，并对其加以抑制。针对液压动力单元液压泵的流量脉动和压力脉动，通常采用在液压泵出口加装皮囊式蓄能器进行吸收。典型液压动力单元系统图如图1所示。

图1 液压动力单元系统图Fig.1 System diagram of hydraulic power unit

2 脉动产生和危害

本项目所选择的液压泵是径向柱塞泵，径向柱塞泵依靠密封容积变化的原理进行工作。柱塞在缸体内做往复运动，使密封容积产生变化来实现吸油和排油。柱塞泵配合精度较高，密封性能好，在高压下工作仍有较高的容积效率[1]。由于径向柱塞泵的结构特性，柱塞径向移动速度是变化的，输出的瞬时流量是脉动的，压力也是脉动的。

在高压液压动力单元中，系统压力脉动会影响液压系统的稳定性和产品性能，还有可能引起液压动力单元与其他设备共振。柱塞泵的脉动还对自身有较大的影响，压力高峰值时会对自身的密封产生影响甚至影响液压泵的使用寿命。因此在设计液压动力单元时，必须考虑压力脉动的影响，并对其加以抑制。

3 柱塞泵脉动抑制

3.1 提高柱塞泵的配合精度

柱塞泵的脉动抑制首先要考虑柱塞泵和电机的配合精度。高压液压动力单元输出压力较高，电机和液压泵转速较快，液压泵在结构上一般不能承受额外的径向和轴向载荷，在电机卧式布置的安装中，泵和电机的同轴度要求较高，一般选用联轴器以提高电机、柱塞泵和液压泵的安装精度，减少机械配合引起的压力脉动。

3.2 柱塞泵频率计算

径向柱塞泵的转子和定子间的偏心距为e 时，柱塞在吸油过程中的死点位置时伸出缸体最长，在排油过程中的死点位置时伸出缸体最短，柱塞的最大行程为2e[2]。柱塞泵的瞬时流量式如下[3]：式中：d 为柱塞直径；e 为偏心距；L 为连杆长度；R为定子半径；φ 为转角。由瞬时流量公式可知，柱塞在转动的过程中，流量是时刻变化的，且每旋转1周为1 个周期。流量的周期变化，体现在系统中就是周期变化的压力脉动。因此系统的压力脉动主要特征是频率和幅度。

脉动系数反映柱塞泵压力脉动程度，脉动系数δ 计算如下：

式中：Qmax为柱塞旋转1 周输出的最大流量；Qmin是柱塞旋转1 周输出的最小量。脉动系数主要体现在对流量高值和低值的考察，查阅柱塞泵厂家样本，本次选择柱塞泵的脉动理论系数为1。

压力脉动的周期性主要用压力脉动频率描述，压力脉动频率和流量脉动频率相同。流量脉动频率f 计算如下[4]：

式中：Z 是柱塞数量；n 为转速。柱塞泵的脉动频率只与柱塞数量和转速有关。本项目中选用的是三柱塞径向柱塞泵，转速为1450 r/min，计算柱塞泵的压力脉动频率为145 Hz。

4 蓄能器的脉动抑制

4.1 蓄能器容积计算

假定液压泵至蓄能器间的液压油流动是层流，在流量脉动的一个时间周期内，蓄能器完成吸油和排油各一次，过程时间较短，蓄能器中的气体来不及与外界热交换，因此在计算时近似为绝热变化。皮囊式蓄能器容积可按照推荐公式计算[5]：

式中：Vd为1 个柱塞的排量；k 为绝热指数，取值1.4；Kb为不同类型泵的系数；Pm为蓄能器设置点的平均绝对压力，Pm=（P1+P2）/2，Pa；P1为最低工作压力，Pa；P2为最高工作压力，Pa。

以项目为例，设备位于渤海某井口生产平台，室外安装，海水含盐的腐蚀性环境，环境温度-17～33 ℃。系统最小工作压力20.69 MPa，最高工作压力48.27 MPa。通过计算只需要0.0001 L 蓄能器，根据厂家样本选型，选择蓄能器容积为1 L。

4.2 蓄能器频率响应

蓄能器的主要参数有容积、承压、直径和进口尺寸等，蓄能器的外形尺寸图如图2所示。

图2 蓄能器外形尺寸图Fig.2 Dimension drawing of accumulator

在蓄能器容积选定后，核算蓄能器的固有频率。常规蓄能器在与系统连接时，其入口处有一定长度的连接管路，连接管路对蓄能器本体的特性影响很大[6]。蓄能器的固有频率计算如下：

式中：A 为蓄能器中油液的截面积；P0为柱塞泵出口压力稳态值；V0为蓄能器中气体容积稳态值；m 为蓄能器管路中油液质量和蓄能器内油液质量的等效质量。

柱塞泵出口连接管路选用外径0.25 英寸，壁厚0.065 英寸的无缝不锈钢管线，长度按照1 m 计算。某品牌常用型号高压皮囊式蓄能器的固有频率计算表如表1所示。

表1 高压蓄能器固有频率计算表Tab.1 Calculation table of natural frequency of high-pressure accumulator

当压力脉动频率与蓄能器的固有频率相等的时候，回路吸收压力脉动效果最好，对数幅频特性函数如下[7]：

式中：Q 为柱塞泵输出流量稳态值，Rf为蓄能器前管路的液阻。蓄能器的固有频率与蓄能器自身结构、安装形式及安装位置有关，吸收脉动蓄能器的安装位置尽可能的靠近液压泵。在高压系统中，由于柱塞泵出口压力稳态值较大，故蓄能器的固有频率较高，一般远远高于柱塞泵的压力脉动频率，蓄能器对系统脉动的抑制有待进一步提高。

5 脉动衰减器容积计算

在项目方案设计时，电机、柱塞泵、蓄能器、液控管线等都是标准产品，在工作蓄能器容积选定后，电机功率及柱塞泵就会确定，系统压力脉动的抑制主要体现在脉动蓄能器容积选型、安装及连接管路。脉动蓄能器的入口设计，可以根据高压液体的流向特点，将液体尽可能的导向蓄能器，使用一种类似阀块替代这种连接管路，最大可能抑制系统的脉动。脉动衰减器的选型就是以液压泵参数及脉动率为基础计算容积。脉动衰减器容积计算公式如下[8]：

式中：ΔV 为波动的油液容积；q 为活塞的行程容积；dk为柱塞直径；hk为柱塞行程；δ 为泵的不均匀性系数；X 为残余脉动；N 为等熵系数；φ 为预充压力与工作压力比，一般取0.7。

将项目参数代入计算，脉动衰减器的容积为0.34 L，查询脉动衰减器厂家样本，选择脉动衰减器容积为1.5 L。以液压泵参数和脉动率为基础计算的脉动衰减器容积选型相对常规计算较大，经厂家模拟软件及产品现场运行验证，脉动减低。实际生产集成高压液压动力单元以脉动衰减器的容积进行组装集成，产品投入现场，设备运行稳定。

6 结语

在低压系统中，蓄能器的固有频率较低，对低频脉动有明显的吸收效果。但是在高压系统中，蓄能器的固有频率很高，常用的蓄能器选型计算吸收脉动效果一般。

本文研究了高压液压动力单元压力脉动的产生，着重分析了由柱塞泵自身结构原因产生压力脉动的抑制与吸收，识别了系统压力脉动抑制的关键因素。在高压液压动力单元中脉动蓄能器容积选型时，常规的计算方法以蓄能器内氮气绝热状态变化为基础，跟踪氮气的状态变化。脉动衰减器的计算方法是增加了对液压泵参数及脉动率的考察，其选型对压力脉动的抑制和吸收较好，设备现场投入运行，压力脉动降低，运行稳定。