流-固耦合结构共振式液压滤波器性能研究.pdf

第 6期 总第 1 6 3期 2 0 1 0年 1 2月 机 械 工 程 与自 动 化 M E CHANI CAL ENGI NEERI NG AUTOMAT1 0N N o ．6 De c ． 文章 编 号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 0 0 6 0 0 1 0 0 3 流一固耦合结构共振式液压滤波器性能研究 杨小聪 ，贺 尚红 长沙理_T - 大学 汽车与机械工程学院 ，湖南 长沙4 1 0 0 7 6 摘要 液压泵产生的振动和噪声沿管路传播， 严 重影 响系统 的工作性能。 设计 一种流一 固耦合结构共振式液压 滤波器 ， 在研究滤波器对 管路脉动衰减原理 的基础上 ， 用传递矩阵法建 立滤波器 的声学模型。 从频率特 性角度 分析共振滤波器对压力脉动 的衰减作用， 并在此装置基 础上对滤 波器建立仿真模型， 得到的仿真结果 与实际工 况相符合，同时也验证 了该模型的有效性 。 关键 词 流体 滤 波器 ；流 一 固 耦 合 ；压 力 脉 动 ；共 振 频 率 中 图 分类 号 TN7 1 3 文 献 标 识 码 A 0 引 言 在 各种 流体管路 系统 中 ，由于要 周期 性地泵 送工 作 介质 ，因而 不可避 免地要 产生沿 管路传播 的 流量脉 动与压力脉动。介质脉动所产生的交变力使管路及它 所 连接 的附件产 生振 动 ，强烈 的振 动会使 管路 附件以 及其连接部分松动或破裂， 并引起系统结构的振动 。 特 别是随着液压技术 向高速、 高压和大功率方向发展 ， 液 压系统中的振动和噪声成为妨碍液压技术进步和系统 安 全的重要 因素之 一 。为 了抑制 振动 ，人们 研制 了各 种管路流体滤波器 ， 常用的滤波器有共振型、 容腔型、 阻性 型 。 对共振 型液压 滤波器 而言 ，若其共 振容 腔小 ，则 衰减 不够 ， 若共 振容腔 大 ， 则 降低 了 系统的液 压刚度 。 本文在比较分析各种流体脉动消声器的基础上l 2 ] ，设 计了一种流一固耦合共振式液压脉动滤波器，希望在 较宽 的频率 范 围内取得较好 的脉 动消减 效果 。 1 液压滤 波器的工 作原理 当液 压 系 统 的 流量 脉 动 和 压 力 脉 动 沿 管路 传 播 时 ， 工作 介质必 然引起 液压 一弹簧 系统 的振动 ， 液压 一 弹簧 系统 反过 来又会 影响液 压系统 的流 量脉动 和压力 脉动 ， 这是一个典型的液压和弹性体 的耦合振动问题。 图 1为流一固耦合结构振动式液压滤波器原理图。主 液压脉 动滤 波器 连接 到主液 压 系统 1 ，滤波器 由充 满 液压油 的共振容 腔 2 、质 量为 的工作 活塞 3和 4根 定位弹簧 4组成 。工作活塞在 4 根定位弹簧预紧力的 作用 下位 于共振 容腔 的 中心 ，主液 压系统 管道 与共振 容腔 2之 间是封 闭 的。主系统 在压 力脉 动P ￡ 的作用 下激 励 ，当压力 脉动增 加时 ，工作 活塞受 到压 力向下 运动 ，工作 活塞 下的液 压油体 积压缩 ，吸收能 量 ；当 压力 脉动减 小时 ，工作 活塞下 的液压 油体 积膨胀 ，释 放能 量推动 工作 活塞 向上运动 ，工作 活塞 起到平 衡主 液压系统和液压弹簧之间压力的作用 。从动力学角度 看 ，在大多 数情况 下 ，定 位弹 簧 的刚度可 以忽 略 。活 塞质量块 不 断 地 往 复上 下 振 动 ，消 耗 液压 脉 动 能 量 ，从 而起 到液压 滤波 的作用 。当主 液压 系统激励 频 率 接 近 或等 于 液 压 滤 波器 的频 率 时 ，衰 减 效 果 将 最 好 3 l 。 1 主液压系统 ；2 一共振容腔 ；3 一工作活塞 ；4 一定位弹簧 图 1 流 一固耦合结构振动式 液压滤波器原理 图 2 液压滤 波器声 学模 型 *湖南省 自然科学基金资助项 目 5 0 8 7 5 0 2 8 ；湖南 省科技计划资助项 目 2 0 0 9 g k 3 1 2 6 收稿 日期2 0 1 O - 0 4 2 O ；修 回 日期 2 O l o - 0 6 1 8 作者简介杨小聪 1 9 7 7 一 ， 男 ． 江西吉水人 ， 在读硕士研究生 ， 研究方向 液压系统压力脉动抑制 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0 年 第 6期 杨 小聪 ，等 流一 固耦合 结构共振式液压滤波 器性能研 究 1 1 图 2为液压 滤波 器的简 化模 型 ，此模 型共 振容腔 液 压油 弹性 刚度 为 k ，定位 弹簧 刚度为 志 c s ，容腔液 压油阻尼为 c，活塞质量块 径 口与主液压系统管道 作 用面积 为 A 。 图 2 液压滤波器的简化模 型 滤 波器 共 振 容腔 中活 塞 质量 块 的运 动 微 分方 程 为 XC 足 郴 k c s X A P。 ⋯ ⋯ ⋯ 1 共振容 腔 中的压力 为 P ￡ --p f 。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 2 式 中 f 主系统 的压力 ； f ～ 液压 弹簧预 紧压力 。 共 振容 腔 中液 压油 的弹性 刚度 k u s 为 k H -- K A ～ y , k H S 。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 5一 T 。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ v H s 式中 K 液压油的体积弹性模量； 共 振腔体 油液 的体积 。 质量 块 由 4 根 刚度 为 足 c 的定 位 弹簧 固定在 容 腔 的中心 ，滤波器 的共振 频率 为 、阻尼 比为 ，则 ∞ 一 ／ k H s 4 k c s 。⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 4 一 ； 一。⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 一 一 。 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 5 2 mo J 。 、 由式 2 ～式 5 和弹簧阻尼的特性可得到滤波器 入 口阻抗 Z z 一 一 望 。 ⋯ ⋯㈤ 一 一 式 中 主 系统 的角 频率 。 滤波器 传递 矩阵 丁 为 用 插入 损失表示 安装 液压 滤波器 的流体脉 动消 减 效 果 ， 为未 安装 滤 波 器 管道 下 游某 点 脉 动 压力 振 幅 ， 为滤波 器安装 后该 点脉 动压力振 幅 ，则 插入损 失 为 ，， L 一 2 0 1 g 。⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 8 P2 1 3 滤波器 液压 系统 仿真建模 3 ． 1 仿 真模 型的建 立 目前 液压 系统多采 用 MATI A B语 言 的 S i mu l i n k 模块进行仿真，系统所有模块均被参数化 ，从而使液 压系统建模更加方便， 能够模拟复杂的液压系统 ] 。 建 立 的液 压滤 波器 S i mu l i n k仿真 模 型如图 3所示 。 图 3 S i mu l i n k系 统 仿 真 方框 图 在仿真过程中需输入的关键参数为滤波器接触 电磁换 向阀，使液压系统管道压力脉动频率从l O Hz 面积7 0 7 r n m。 ，共振块质量1 ． 9 6 2 k g ，定位弹簧 刚度 变化到3 0 0 Hz ，用压力传感器分别测试压力源、共振 2 4 0 0 0 N／ m， 液 压油 的体积 弹性模 量1 2 5 0 MP a ， 阻尼 容腔 液压 油 、滤 波器 出 口的压力 。节流 阀的作 用相 当 比 0 ． 0 3 ，共 振容腔 体积0 ． 4 I 。 于负 载 ，用来改 变 系统 压力 ，作调 压 阀使 用 ] 。 3 ． 2 滤波器的实验和仿真结果的分析比较 仿真插入损失如图 5所示 ，图 5中还给出了相同 实验装置如图 4所示 ， 液压系统压力源为3 MP a ， 输入条件下的实验曲线 。液压滤波器对流体的脉动效 用频率厂 一 ／ 2 的位移信号 f 一 。 Ac o s f 其 果影响较大 ， 在1 0 Hz 2 2 0 Hz 脉动频率范围内， 安装 中， o 为信号的初始位移 ， A为幅值 去控制三位 四通 滤波器时的脉动比不安装时衰减了3 0 d B。 尤其液压系 _ _● ， _ ，_ __ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ f O 1 一 丁 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 2 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 0年 第 6期 统管道频率在I 3 0 Hz 左右，跟液压滤波器的共振频率 接近 ，此时质量活塞振幅最大，吸收脉动能量最大。 由图 5可以看 出 实验测 试系统 所测 到的插 入损 失与仿真插入损失曲线在谐峰值处吻合较好 ，误差均 在5 d B以内，可见所建模型较为精确 ，但仍然存在误 差 。产生误 差 的主要原 因是 ① 液压 油 的气 穴等很 多 不 确定 的因素存在 ，使测 量数据 不稳 定 ；② 节流 阀脉 动 反射很 大 ，反射 波不一 定是平 面波 ，导致 用平 面波 来计算所造成的误差；③终端阻抗是在简化的基础上 计算 的 ，而 实验是 采用实 测的方法 。 压 力传 愿 器 图 4 实验装置总体布置简 图 4 结论 本文 研究 了流 一固耦 合共 振式 液压脉 动滤波 器对 管 路脉 动衰减 的原 理 ，并 以传 递矩 阵为基础 建立 滤波 器 的声学模 型 ，通 过理论 计算 与实验 ，分析 了滤 波器 对流体脉动的衰减作用 。结果证明合理匹配流一固耦 合共振式液压脉动滤波器的结构参数对流体脉动起到 良好的衰减效果 ，尤其在共振频率处滤波效果更好。 图 5 实验插入损失与仿真插入损失 参考文献 [ 1 ] 周 文， 陆世 鑫 ， 范振 江． 液 压滤 波方 法[ J ] 。 液 压与气 动 ， [ 2 ] [ 3 ] [ 4 3 [ 5 ] 1 99 2 7 6 - 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