Hydraulikdagarna, Linköping, Sverige, 17-18 april 2012
Ljudreduktion för maskiner som arbetar i flera
kvadranter
L. Ericson
Institutionen för ekonomisk och industriell utveckling
Fluida och mekatroniska system, Linköpings universitet, Sverige
E-mail: [email protected]
Sammanfattning
En välkänd utmaning för hydraulsystemstillverkare är det producerade bullret, framförallt från hydraulpumpar och hydraulmaskiner. Ljudet kommer från flödesstörningar, pulserande krafter och moment på grund av snabba och stora tryckvariationer
som maskinerna arbetar mellan.
Hydraulsystem tenderar att utvecklas för mer och mer varierande arbetssituationer och om förlusterna ska vara små måste
hydraulmaskinerna anpassas till de olika driftpunkterna. För att en hydraulmaskin ska arbeta med minimalt producerat ljud
under alla driftsförhållanden måste ljudreduktionsmodifieringarna anpassas till rådande förutsättningar.
Om man har stor kunskap om systemet och driftförhållanden som pumpen/motorn ska arbeta i kan en mer genomtänkt
strategi användas för att skapa ett tyst system. De existerande ljudreduktionsåtgärderna ska väljas utefter systemets behov.
I ett konstanttrycksystem är inte ett krypspår nödvändigt. Däremot om kunskapen är liten om systemet pumpen/motorn
placeras i är krypspår en bra kompromiss. Presentationen ger bland annat en överblick hur ljudreduceringsåtgärder ska
väljas i ett systemperspektiv.
Nyckelord Hydraulpump, Hydraulmotor, Flödespulsation, Ljud
Hydraulikdagarna, Linköping, Sverige, 17-18 april 2012
Inledning
Med kunskap om systemet som pumpen/motorn kommer
En välkänd utmaning för hydraulsystemstillverkare är det
producerade bullret, framförallt från hydraulpumpar och
hydraulmaskiner.
Ljudet kommer från flödesstörningar,
pulserande krafter och moment på grund av snabba och
stora tryckvariationer som maskinerna arbetar mellan.
Hydraulsystem tenderar att utvecklas för mer och mer
varierande arbetssituationer och om förlusterna ska vara
små måste hydraulmaskinerna anpassas till de olika driftpunkterna. För att en hydraulmaskin ska arbeta med minimalt producerat ljud under alla driftsförhållanden måste ljudreduktionsmodifieringarna anpassas till rådande förutsättningar.
Driftförhållande som påverkar design av pum-
par/motorer i ett ljudperspektiv är bland annat tryck, deplacementets storlek och om maskinen styrs över nollpunkten. Om maskinen kan arbeta med varierande tryckportar
Figur 1(a) visar hur komplexitet och variationer i driftpunkterna förhåller sig till hur mycket ljud som kan reduceras bort. Vid specifik användning av pumpen/motorn, så
som konstanttrycksystem med konstant varvtal och fast deplacement, kan pumpen optimeras vid denna driftspunkt
medan för en mer komplex användning krävs det sofistikerade metoder. Vid varierande driftförhållanden måste
kompromisser alltid göras vilket oftast leder till högre ljud
Knowledge
Maskinens användningsområden
jämfört vid en mer uniform användning av pumpen/motorn.
Ljudreduktion
Ljudreduktion
(b) Kunskap om systemet
användning
Fig. 1:
ras detta leder till att den potentiella ljudreduktionen blir
större, figur 1(b).
Artikeln presenterar några ljudreduktionsmetoder och
hur de kan användas.
2 Ljudreduktionsmetoder
Den enklaste formen av ljudreduktionsåtgärd är förkompression och efterexpansion. Det innebär att öppningen från
cylindernjuren till hög- respektive lågtrycksport är förskjuten så att kolvens rörelse utjämnar trycket cylinderloppet innan anslutning sker till respektive port. Denna metod är mycket driftkänslig speciellt tryckberoendet är stort men mycket effektiv vid konstanttryckssystem.
Den vanligaste metoden är krypspår som ger en graduell
öppning mellan cylinder och port. Krypspåret gör maski-
försvårar designen betydligt.
(a) Komplexitet i pumpens/motorns
monteras i kan en mer genomtänkt designstrategi genomfö-
Desto mer kunskap om systemet som pum-
pen/motorn ska användas i desto mer sofistikerad maskinoptimering kan göras vilket torde leda till ett tystare sys-
nen mindre känslig för tryckvariationer. Förkompressionsvolym kan till viss del jämföras med krypspår men ger ännu
mer tryckoberoende beteende. Åtgärden innebär att cylindern kopplas till en extern volym som trycksätter cylinder
oljan innan anslutning till porten sker. Denna är mer komplicerad att applicera jämfört med krypspår. Beroende på
systemet där maskinen med förkompression ska arbeta kan
volymen designas olika. Figur 2 visar trade-off mellan predikterat hörbart ljud och flödespulsationer när krypspår och
förkompressionsvolym optimeras.
Mean sound pressure level [dB(A)]
1
Endast flödespulsationer
är beaktade
61
Endast ljud är
beaktade
60
59
58
57
8
10 12 14 16 18 20 22
Mean flow pulsation [l/min ]
Fig. 2: Kurvan visar “trade-off” mellan hörbart ljud vid
pumphuset och flödespulsationer när krypspår optimeras
(kryss) och förkompressionvolym (punkter).
tem. Vid varierande diftförhållanden måste kompromisser
göras vilket oftast leder till högre ljud jämfört vid en mer
uniform användning av pumpen/motorn.
Metoden som har används för att prediktera hörbart ljud
kallas “transfer function methodology”, [1], [2]. Som nam-
Hydraulikdagarna, Linköping, Sverige, 17-18 april 2012
net antyder bygger metoden på att en överföringsmatris ska-
deplacementsvinkel, figur 4(a). Detta resulterar i en försk-
pas och då mellan kraft- och momentvariationer och ett
jutning av dödpunkten, η , som en kombination av deplace-
uppmätt hörbart ljud vid pumphuset. När överföringsma-
mentsvinkeln och förskjutningsvinkeln. Förskjutningsvin-
trisen är skapad kan den användas för att prediktera hör-
keln är utförligt undersökt för variabla pumpar, både teore-
bartljud för andra design parametrar. Hörbart ljud vid pum-
tiskt och experimentellt, av Johansson [3]. I [4].
phuset kan ses som ett mått på struktur vibrationer i pumpskallet d.v.s. moment och kraftvariationer.
3 Drift i olika kvadranter
Designvariabler för optimering av förkompressionsvolymen är håldiameter men framförallt volymstorlek vilket har
stor inverkan på om hörbart ljud vid pumphuset eller flödespulsationer minimeras. Figur 3 visar volymstorleksvariationer när ljud- respektive flödespulsationer minimeras.
En pump som sitter relativt isolerat borde ha en relativt liten
Forskning fokuserar oftast på pumpar vilket är naturligt
p.g.a det finns fler pumpar samt att pumpar generellt producerar mest ljud. Figur 5 visar resultat för pump- och motordrift när flödespulsationer är simulerat och hörbart ljud vid
pumphuset predikteras, [2]. Trenden går mot mer flexibla
Mean sound pressure level [dB(A)]
volym däremot om pumpvibrationerna är kritiska en större
volym är att föredra.
0.4
2
Volume size [m ]
2
Volume size [m ]
0.4
0.3
0.2
0.1
0
57
0.3
0.2
0.1
0
58
59
60
61
62
Mean sound pressure level [dB(A)]
10
12
14
16
18
20
Mean flow pulsation [l/min]
(a) Volymstorlek vid ljudoptimering (b) Volymstorlek vid flödesoptimering
Fig. 3: Underlag för val av storlek på förkompressionsvo-
62
61
Endast flödespulsationer
är beaktade
60
59
58
57
Endast ljud är beaktat
56
55
54
7
8 9 10 11 12 13 14 15
Mean flow pulsation [l/min ]
lymen.
Fig. 5: Kurvan visar “trade-off” mellan hörbart ljud vid
En modifiering som anpassas till rådande deplacementvinkel är förskjutningsvinkeln. Det är en fast vinkel på
pumphuset och flödespulsationer vid pumpdrift och motordrift.
drivskivan som verkställer anpassningen till gällande deplacementsutstyrning, för att få optimal tryckutjämning när
hydraulsystem med maskiner som ska gå i flera kvadranter.
kolven ansluts till hög- respektive lågtrycksnjuren, genom
Ett exempel är en maskin som arbetar i ett sekundärregle-
att ändra kolvarnas dödpunkt, figur 4. Förskjutningsvinkeln
rat system där potential energi lätt kan återvinnas genom
γ
att låta motorn gå som pump vid lastnedsänkning och spara
y
α
η
y
Rörelse av dödpunkten
när α minskar
η
x
y
energin i en ackumulator. Variabla maskiner för att minska
på förlusterna ökar också stadigt.
η
x
x
Figur 6 visar var förkompression och efterexpansion ska
lokaliseras för olika driftfall. n på y-axeln är rotationsriktning där positivt värde anger moturs rotation, deplace(a)
Pumpfallet
förskjutningsvinkel
utan (b) Pumpfall respektive motorfall med förskjutningsvinkel
mentsvinkel på x-axeln. Vänstra figuren har tryckporten till
vänster medan högra figuren har tryckporten till höger. Alla
Fig. 4: Drivskivans orientering och dödpunktensförskjut-
moder kräver olika förkompressions- och efterexpansions-
ning vid olika deplacementutstyrningar.
vinklar. Principiell design på ventilskivorna visas i figuren.
Det är uppenbart att det är svårt att designa en ventilskiva
är en fast förskjutningsvinkel, vinkelrät mot den normala
för alla driftfall utan att få cavitation och tryckspikar.
Hydraulikdagarna, Linköping, Sverige, 17-18 april 2012
n
Motor
Pre-comp
TDC angle
Low pressure
kidney
High pressure
kidney
Low pressure
kidney
High pressure
kidney
Decomp
angle
BDC
High pressure
kidney
BDC
Low pressure
kidney
High pressure
kidney
TDC
Pump
Motor
Low pressure
kidney
ε
Pre-comp
BDC angle
High pressure
kidney
BDC
Precomp
angle
High pressure
kidney
Pre-comp TDC
angle
Pre-comp
angle
ε
Decomp
BDC
angle
Decomp
angle
Low pressure
kidney
Pre-comp
angle TDC
BDC
Pre-comp
angle
Low pressure
kidney
Low pressure
kidney
High pressure
kidney
TDC
Decomp
TDC angle
Motor
Decomp
angle TDC
Pre-comp
angle BDC
BDC
Decomp
angle
n
Pump
Pump
Low pressure
kidney
Decomp
angle
Motor
High pressure
kidney
Decomp TDC
angle
Pump
(a) Fyrakvadranter - högtryck väns- (b) Fyrakvadranter - högtryck höter.
ger.
Table 1: Tabellen visar hur de vanligaste ljudreduceringsmetoderna ska kombineras och användas om systemkonfi-
Fig. 6: Ventilskivorna visar hur förkompressions- och efte-
gurationen är känd. Kolumnerna innebär: 1 = Förskjut-
repansionsvinklarna ska designas vid olika driftkvadranter.
ningsvinkel, 2 = progressive tryckökning (t.ex. krypspår), 3
Vinklarna är schematiska. Positivt värde på n betecknar
= endast förkompressionsvinkel.
moturs rotation i figuren.
1
En enkel kompremiss är användning av krypspår eller
förkompressionsvolym. En optimal lösning skulle vara att a
2
3
Ö PPNA SYSTEM
Closed-centre system med fast
x
tryckbegränsningsventila
variabla förkompressions- och efterexpansionsvinklar som
pump och
anpassar sig till rådande driftfall. En roterande ventilskiva
Open-centre system med fast pump
x
Lastkännandesystem med fast
x
är en kompromiss för helt fria vinklar, [5].
De olika ljudreduceringsåtgärderna som presenterades tidigare är mer användbara i vissa applikationer än andra beroende på hur och i vilket system maskinen monteras i. Figur 7 visar några typiska hydraulsystem där olika driftmoder används. Dessa system kan kopplas samman med tabell 1 som visar vilka ljudreduserande åtgärdar som är att
föredra vid de olika systemkonfigurationerna, [6]. Progressiv tryckökning eller sänkning kan vara krypspår eller förkompressionsvolym.
Variabel pump och motor som styrs över nollan d.v.s. kan
pump och “bleed-off” ventil
Closed-centre system med variabel
xb
pump
Lastkännandesystem med variabel
xb
xb
xb
xb
pump
Sekundärregleratsystem med
variabel pump/motor
S LUTNA SYSTEM
Transmission
inta både positiva och negativa deplacementvinklar är ett
av de svåraste fallen att kombinera, se placeringen av förkompression och efterexpansionerna i figur 6. Genom att
införa en förskjutningsvinkel kommer deplacementvinkelberoendet reduceras. Alla variabla pumpar/motorer borde
ha förskjutningsvinkel under förutsättning att tryckportarna
inte skiftas.
Pumpar/motorer som skiftar tryckportarna är ett annat
extremfall. Det finns ingen uppenbar lösning på detta fall.
Stora krypspår kan implementeras. Lite mer avancerad lösning kan vara en variabel förskjutningsvinkel.
I konstanttrycksystem är den bästa åtgärden förkompression och efterexpansion. System med varierande tryck är
xb
a Systemet används endast vid mycket låga effekter.
b Åtgärderna är komplement till varandra
c Mycket liten användbarhet
xc
Hydraulikdagarna, Linköping, Sverige, 17-18 april 2012
sis, Division of Fluid and Mechanical Engineering Systems, Linköpings universitet, Sweden, 1995. Dissertation No. 394.
[2] L Ericson, A Johansson, J Ölvander, and J-O Palmberg. Prediction and optimisation of the audible noise
from axial piston machine. In Proc. of 7th International
Conference on Fluid Power Transmission and Control,
(a) Konstanttryckssystem med
(b) Konstanttryckssystem med
fast pump
variabel pump
Hangzhou, China, April 7-10 2009.
[3] A Johansson. Design Principles for Noise Reduction
in Hydraulic Piston Pumps - Simulation, Optimisation
and Experimental Verification. PhD thesis, Division
of Fluid and Mechanical Engineering Systems, Linköpings universitet, Sweden, 2005. Dissertations, No.
965.
[4] L Ericson, J-O Palmberg, and J Ölvander. Flow pulsation reduction for variable displacement motors using
(c) Lastkännandesystem med
(d) Lastkännandesystem med
fast pump
variabel pump
cross-angle. In Proc. of Power Transmission and Motion Control, PTMC 2007, pages 103–116, Bath, 2007.
Hadleys Ltd, Essex.
[5] L Ericson. Flow Pulsations in Fluid Power Machines
- a Measurement and Simulation Study. Lic thesis,
(e) Transmission med variabel
(f) Sekundärreglerad variabel
pump/motor
pump/motor
Linköping University, Linköping, 2008.
Linköping
Studies in Science and Technology. Thesis 1355, ISBN
978-91-7393-938-6.
Fig. 7: Sex typiska pump-/motor-system med skiftande be[6] L Ericson. On Fluid Power Pump and Motor Design
hov av ljudreduceringsmetoder.
: Tools for Noise Reduction. PhD thesis, Linköping
UniversityLinköping University, Fluid and Mechatrokrypspår den enklaste åtgärden. Förkompressionsvolym är
lite mer avancerad men ger en kraftigare ljudreduktion vilket kan rättfärdiga användandet. Rotationsriktningen ger
inga större förändringar i kompressionszonerna.
4
Slutsats
Ljudreduktionsåtgärder som borde användas beror på hur
pumpen/motorn ska användas.
Om systemet där pum-
pen/motorn ska användas är känt kan ljudet reduceras på
ett mer effektivt sätt.
Referenser
[1] M Pettersson. Design of Fluid Power Piston Pumps,
with Special Reference to Noise Reduction. PhD the-
nic Systems, The Institute of Technology, 2012.