弹性薄壁筒式液压脉动滤波器研究.pdf

2 0 1 5年 4月 第 4 3卷 第 7期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAULI CS Ap r ． 2 01 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 7 D oI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 0 7 ． 0 1 7 弹性薄壁筒式液压脉动滤波器研究 肖波，姚平喜，李凤 兰 太原理工大学机械工程学院，山西太原 0 3 0 0 2 4 摘要在对现有液压脉动衰减方法分析的基础上，设计了一种弹性薄壁筒式液压脉动滤波器，用电液比拟的方法对该 滤波器建立了数学模型，用 MA T L A B对滤波器的动态特性进行了仿真分析。结果显示该滤波器结构简单，滤波效果好，从 低频到高频有较宽的衰减范围。 关键词液压脉动；弹性薄壁筒式滤波器；电液比拟；MA T L A B 中图分类号 T H1 3 7 文献标志码 B 文章编号1 0 0 1 - 3 8 8 1 2 0 1 5 7 - 0 6 6 5 Re s e a r c h o n El a s t i c Thi n． wa l l e d Cy l i n de r Hy d r a ul i c Pul s e Fi l t e r XI A0 Bo．YA0 Pi n g x i ． LI F e n g l a n C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， T a i y u a n S h a n x i 0 3 0 0 2 4 ， C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n t h e a n a l y s i s o f t h e e x i s t i n g h y d r a u l i c p u l s a t i o n a t t e n u a t i o n me t h o d，a k i n d o f e l a s t i c t h i n - w all e d c y l i n d e r h y d r a u l i c p u l s a t i o n fi l t e r w a s d e s i g n e d ． T h e ma t h e ma t i c a l mo d e l o f t h e fi l t e r w a s e s t a b l i s h e d w i t h t h e me t h o d o f e l e c t r o h y d r a u l i c a n a l o g y ． B y u s i n g t h e MAT L AB， i t s d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s we r e s i mu l a t e d wi t h a n a l y s i s ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e fi l t e r w i t h a s i mp l e s t r u c t u r e h a s n o t o n l y a s a t i s f a c t o r y r e s u l t ，b u t a l s o a mo r e wi d e a t t e n u a t i o n r a n g e ，n o ma t t e r f r o m l o w o r t o h i g h f r e q u e n c y ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c p u l s a t i o n；El a s t i c t h i n w a l l e d fi l t e r ；E l e c t r o h y d r a u l i c a n a l o gy ；MAT L A B O前 言 液压系统的压力和流量脉动一直是一个难以解决 的问题。液压系统的压力和流量脉动主要是由两方面 的因素造成的，一个是由于容积式泵的密闭容积周期 性的变化 ，这样从泵出来的流量也会发生周期性的变 化 ；当周期性变化的流量遇到弯折管路或节流阀等阻 抗 时 ，就会产生周期性变化 的压力 。另一个是 ，当系 统中的执行元件突然停止或突然运行 ，或者阀的开口 发生变化时，系统的流量就会发生脉动 ，当遇到弯管 或节流阀等阻抗时又会产生压力脉动。同样 ，压力脉 动也会产生流量脉动。因此 ，液压 系统 中压力脉动和 流量脉动是相互交织发生的。液压系统流体的脉动会 带来了很多危害，比如振动、噪声 ，严重的会导致管 路破裂和液压元件损坏。 针对液压系统的压力和流量脉动，国内外研究者 提 出了很多解决方法 ，归纳起 来主要有两种 ，即主动 滤波和被动滤波 。主动滤波是利用专门的装 置产生一 个附加压力波，使它与源压力脉动波的频率相同，且 在两波相遇的某点处，两波的脉动幅值相等、相位相 反 ，则在该点处源脉动与附加脉动相互抵消，使总压 力脉动的水平降低。主动滤波虽然消除脉动的效果较 好 ，但是，由于主动滤波系统复杂、成本昂贵，因此 目前只处于实验室研究水平。被动滤波主要是在液压 泵的出口处设置蓄能器或在液压系统适当的位置加液 压滤波器 ，例如 H型滤波器等，这种滤波器具有 结构简单 、成本较低等优点。在液压系统中常常用皮 囊式 蓄能 器来 衰减 压力 脉 动 ，它能 衰 减 9 0 ％ 以上 的 压力脉动 ，尤其对中低频压力脉动滤波效果明显。但 是在长时间工作或脉动频率高的情况下 ，皮囊容易损 坏 ，使用寿命短 ，稳压效果差。H型滤波器 又称 H e l m h o h z 共振 液压 滤波 器 ，当脉动 频率 和 小孔 中液 柱固有频率相同时产生共振，会消耗脉动能量，将大 部分压力脉动衰减掉。但是，H型滤波器有很强的频 率选择性，只能衰减一定频率范围的压力脉动，而且 体积庞大，安装不方便 。针对上述滤波方式中存在的 问题，设计了一种弹性薄壁筒式脉动滤波器，并对其 滤波特性进行 了研究 。 1 弹性薄壁筒式滤波器结构及其滤波原理 弹性薄壁筒 式 液压 滤波 器结 构 示 意 图如 图 1所 示 ，主要由滤波器外壳、两个端盖和弹性薄壁筒构 收稿 日期 2 0 1 4 - 0 3 - 1 6 作者简介肖波 1 9 8 7 一 ，男，硕士研究生，主要研究方向为现代机电产品设计理论与方法。E m a i l x i a o b o 2 0 0 8 9 1 6 1 63 ．c o mo 通信作者姚平喜，E m a i l y a o p x 0 7 8 2 1 6 3 ． c o rn。 第 7期 肖波 等弹性薄壁筒式液压脉动滤波器研究 6 7 成 ，并 且在薄 壁 筒上 安 装 了一 些 细长 小 孔。该 滤 波 器结合 了蓄能器 和 H型滤 波器 特点 ，每一个 小孔 到 外壳 与薄壁筒之 间 的容 腔都形 成 了一 个小 型 的 H型 滤 波器 ，当脉动压力到达／ J , L 时 ，小孔 中的油液就像 活塞 一样 ，随着 压力 脉 动来 回的运 动 ，消耗 脉 动 能 量 ，从而减小压力脉动。同时，当脉动压力作用在弹 性薄壁筒上时 ，弹性薄壁筒会 吸收或释放系统压力脉 动 ，起着类似于蓄能器 的作用 ，消除或减 小了液压系 统 中 图 1 弹性薄壁筒式滤波器结构示意图 2 基于电液 比拟方法的滤波器数学建模 由于电、液系统有很多相似之处，比如液压系统 中的压力 P和流量 Q就分别相当于电路系统 中的电 压 和 电流 ， 。电 、液 系 统 中的元 件 也 可 以 相互 比 拟，液压系统中的液阻、液感 、液容，可以分别用电 路系统 中的电阻 、电感 、电容来 比拟 。因此 ，可 以用 电液 比拟 的方法对 弹性薄壁筒式液压脉动滤波器建立 数学模 型。 当流体经过每一个小孔时，流体的能量一部分通 过液感储存起来 ，另一部分由于小孔的阻尼作用而消 耗掉。因此 ，每个小孔都可以用液感和液阻的串联来 模拟 。由于每个 小孔 入 口处 的压力都相等 ，所 以各个 小孔之间应该是并联关系。考虑到弹性薄壁筒的弹性 和油液的压缩性，可以用一个总的液容来模拟。弹性 薄壁筒式 液压 脉动滤波器 的电液 比拟等效液路 图如图 2所示 。 图2 滤波器等效液路图 图中，P 。 ，Q 为滤波器入 口压力 和流量；P ， ， Q 为滤 波器 出 口压 力 和 流量 ；L 。 ，L ，⋯， 分 别 是每个小孑 L 的 液感 ；R ，R ，⋯ ，R 分别 是 每个 小 孔的 液 阻 ； 为 小 孔 的 个 数 ；C为 滤 波 器 的 等 效 液容 。 为了计算方便 ，可以认为所有小孔大小都一样 ， 这样就 有 ， L1 2 ⋯ ，R1 R2 ⋯ R 由液压流体力学 知 ， ⋯ ；当为层 流时 R 。 R ⋯R , l r ao 1 2 8 ／ ． d。 竹 d ’ c 式中 P为流体密度；f n 为小孔长度 ；d 为小孔直 径； ／ ． t 为流体动力黏度系数；V为滤波器的容积，K 为滤波器等效体积模量。 图 2中滤波器等效液路图可以化简为图 3 ，由电 路基本知识 ，可 以将 图 3的液路 图进一步 化简 为图 4 所示，图中 和 表示总液感和总液阻。则， 图 3 滤波器等效简化液路图 a 2 3 由电路 二端 口网络 理 论 中 T参 数 方 程 比 拟 ， 并取拉普拉斯变换 ，则图4的液路网络端 口方程为 ． ㈩ 蜘 其 中A l。 。 ， Q 2 I 。 ， c I。。， z l 0 Jp 2 0 o 解得 A C L s C 1 ，B L s R，C C s ，D 1 。 代 入式 4 得 一 一 L R 6 8 机床与液压 第 4 3卷 ㈩ 厶 ]㈣ 在实际应用中，滤波器后会带负载 ，它对滤波器 的特性会产生很大影响。因此，有必要研究滤波器带 负载时的滤波特性 ，带负载的液路图如图5所示 ，图 中 ，Z 为滤波器 出E l 总负载 ，Z 为滤 波器 出 口端 到 负载之间管路的特性阻抗 ，Z 、P 和 Q 分别为实际 负载阻抗 、实际负载压力和流量。 一 ■ Z Zl Qz 由电路有 载二 端 口网络 中的转 移 电压 比 的知 识 比拟 ，则滤波器 出口压力与入 15压力 比为 一 Pz 一 6 P ， y 2 2 r L 式 中 一 吉 ， 鲁 ， l，L 1 ， 将 其 代 人 式 6 2 疵 ‘ 7 通常情况下，滤波器到负载之间的管路较长，因 路的特性阻抗 Z 。 。由液压流体力学管路动态特性基 [ ㈤ 丽，其中 P，c z A ，认为管道内 流 体 为 层 流 时 尺 。 里 警 A 为 管 道 横 截 面 积 ， d 为 管 道直径，z 为滤波器到负载之间的管路长度， 为管 在频率较高或流体黏度较小的情况下，层流单位 液阻与单位液容和单位液感比起来非常小，可以忽略 不计 ，则有 Z o s 9 厂 s 一 l s 1 0 式中 c ／ 为压强波传播速度； s 为 拉普拉斯变换 、 『 D 算子。 由图5容易得出 z L ㈤ ， ，将 其代入式 8 得 ㈩ 将 S 代入 式 1 0 ，且 由 E u l e r 公式知 ， c h r j t o c h j wl 008 ． h F j ,o h 型 i 。 将式 9 、 1 0 代入式 1 1 可得 Z 如 Z 。 z 。 。 C 。 。 C 、． Z 】si n C 、． ∞Z 、Sl n C 必 1 2 如果管路负载是通向大气的，即开端管路时，负 载阻抗 Z 0 ，由式 1 2 得 Z L 。 t a n 1 3 如果把油液送入封闭的管路 ，即闭端管路时，负 载阻抗 Z 一 ∞ ，由式 1 2 得 Z L - j z 。 c 。 t 坐 1 4 C 由分析知负载阻抗 Z 必 0与 Z 如 一∞时 的大小基本 一样 ，所 以下 面 只对 Z 0时进 行分析 。 把 A 、B代入式 7 并取模得 P { I Z l 户 丘 D 『C L I Z I s c R I Z L I s I Z 1 5 上式即为滤波器出 口压力与入 口压力之间的传 递 函数，由控制理论知识可知上式为比例环节与振荡环 节的组合，将其化为标准形式如下， P 尸 。 必 1 7 第 7期 肖波 等 弹性薄壁筒式液压脉动滤波器研究 6 9 得 ， l Z 1 阻尼 比 8 将式 L 、C 、R和 I Z l代 人 式 1 7 和 1 8 K 丌d r 2 3 2 t a n C 一 U 1 9 2 0 式 1 9 、 2 0 中 r 为滤波器到负载之间管路 的半径 。∞ 和 是影 响滤 波器 滤波效 果 的两个 关键 参数，为了使滤波频率从低频到高频有一个较宽的范 围，总希望 ∞ 小一些。可以看出增大滤波器体积 或减少细长小孔数量 n和小孔直径 d 。 都有利于降低 ∞ ，但同时阻尼 比 随之增大。因此 ，V 、n 、d 。 存 在一个最佳值 ，设计该滤波器时一定要合理设计各种 参数 。 3 基于 MA T L A B的滤波器动态特性仿真分析 为进一步分析滤波器的动态特性和滤波器各主要 参数对脉动衰减效果的影响，根据前面建立的数学模 型 ，并借助 M A T L A B软 件进 行 了仿 真 研究 。表 1 是 在仿真过程中的一些基本参数的设置。 表 1 基本仿真参数 ． 油液密度 k g m 滤波器等效体积模量 K o ／ MP a 管路等效体积模量 K ／ M P a 管路长度 l ／ m m 管路半径 r ／ ra m 动力黏度 系数 P a s 图 6为滤波器频率特性图，从 图中可以看出， 该滤波器从低频到高频较大的频率范围都对压力脉动 有很好的衰减作用。但在频率为 1 0 H z 左右时，压力 波动有微小的上升 ，这是由于当液压系统脉动频率和 滤波器固有频率接近时，滤波器与其中的油液产生了 共振，这样脉动就会有所加剧。因此，在具体设计滤 波器时尽量使液压系统起主要作用的脉动频率远离滤 波器的 固有频率 。 兽 杂 惧 ⋯l ● l ⋯I_●IJ-⋯● ● ●Il ⋯I●l ● “I 1 _‘■ J ●‘-■ -● ■ H ■ ⋯w ⋯ ⋯ ⋯I．- t - ． ⋯ll●t ● l●l ●l ● ● I_ I 1 ⋯u u t “ ⋯‘I ■ 呲 [ -- ⋯u ～L ⋯ I II l l | ．⋯l l I ． 1 l}、t - l 1 I l I●I● I I ● ．L LI Ju- u i J J l ■● u I ．- I ． } uUl L_L L u u ⋯- Ⅲ- ● _ l【I ● ⋯、 ●l t⋯Il l ⋯● ● l Ⅲ I Il l t l ● ● ⋯1 ． ● I 1 l’lI I l l ⋯● - l | _ l●●●_1|_| l- l ●} ● ●⋯ll l 1 ⋯_ ● _ l ●● l lll‘ - - ●ll l ● fIl _ r rl 1 n I n T1 T I TII I 。’。l 1 nnI r r rnn l l Il ● m -I I●llIlI l● ● Jl⋯● ● _ ●Il l ～～I n ⋯t1 t I n一‘～n 一 H ⋯●Il l “ ⋯l_l ⋯ ⋯_I J⋯ ㈨_l ～⋯⋯⋯1 ● f HI 一⋯H ⋯ ⋯l_I I l | ●l I ●lⅢ J ⋯ll ●‘ ⋯～ - -⋯⋯⋯⋯● ● ● H J 一⋯■ ⋯■ ● l lII1 O i l _ _ ll l】 ⋯I】 II t I ⋯ll l 0 ’ 1 0 。 1 0 1 0 1 0 频 率， Hz 图 6 滤波器压力频率特性图 根据实际液压系统 中压力 脉动特 点 ，假设滤波器 输入压力脉动信号为正弦信号。需要说明的是，图7 到图 1 1中各纵坐标表示的是脉动压力值，即相对于 平均压力的压力差值。正值表示高于平均压力，负值 表示低于平均压力 。图 7为滤波前后压力 曲线 ，可 以 看 出压力脉动得 到了很好 的衰减。 芒 芝 需 蕾 图7 滤波前后压力脉动曲线 图 8 1 1 分别为滤波器主要参数 d z 。 、n和 对滤波器滤波效果的影响，从图中可以看出适当增大 、f 0 或减小 d 。 、n有利于衰减液压脉动。但是 和 f 0 太大会导致滤波器结构庞大 ，d 。 和 r ／, 过小又会使得 系统阻尼过大，降低了滤波器出口压力。 0 ． 萋 ．O ． 戮 iI i --．- --． 时 间 0 时间 0 图 8 小孔直径 d 。 对滤波 效果的影响 0 ． O l 0 ． 0 2 0 ． 0 3 0 ． 0 4 0 ． 0 S 图9 小孔长度 l 。 对滤波 效果的影响 三 ．． 时 同f ， I 时 间Ⅳ - 图 1 0 小孔个数 n对滤波 图 1 1 滤波器体积 对滤 效果的影响 波效 果的影 响 图 1 2为脉动频率分别为 1 0 H z 和 1 0 0 H z 时滤波 器阻尼比随小孔个数变化的曲线，可以看出不同脉动 频率下，阻尼比都随小孔个数的增多而减小 ，但是小 。 瑚 枷 枷 勋 枷 刑 ． 拉 O OO O 加 咖 一 n 一 7 0 机床与液压 第 4 3 卷 孑 L 个数基本都在 5到 2 5时滤波效果最为理想，这时 阻尼比在 0 ． 4到 0 ． 8之间，滤波器既有相当的快速性 也对脉动有很好的衰减 。 ● 筮 崾 盘 2 辑 - 4警- - - - L i 鞴 疆 疆 o -。 捌 醴 曩 0 6 ． 卜 一 一 一 一 一 一一 一 一 一 叶 一 0 0 c 主 撼冬盛 ．2 r r 一1 ～r ～F 一 图 1 2 不同频率下小孔个数与阻尼比关系图 在安装滤波器时，选择适当的安装位置也至关重 要。为了避免管路发生谐振，滤波器到负载之间管路 长度尽量避开 ， n 1 ，2 ，3 ⋯ 。 4结 论 设计 了一种弹性薄壁筒式液压脉动滤波器 ，用 电 液比拟的方法对该滤 波器 建立 了数学模 型，并用 MA T L A B仿真分析了滤波器的动态特性。 1 该滤波器结构简单，安装方便 ，滤波效果 好，从低频到高频有较宽的频率衰减范围。 2 为 了获 得较 宽 的衰减 频率 范 围 ，可 以适 当 的增大滤波器体积 V 、小孔长度 z 。 或减小小孔直径 d 和个数 n 。 3 小孔个数在 5到 2 5之间时，滤波器的滤波 效 果较好 。 4 为了防止管路发生谐振，滤波器到负载之 间管路长度尽量避开 ， 1 ，2 ，3 ⋯ 。 C ￡ 参考文献 [ 1 ]陈季萍． 降低液压系统压力脉动方法的研究[ J ] ． 煤矿机 械， 2 0 0 6 ， 2 7 6 9 5 5 - 9 5 7 ． [ 2 ]焦生杰， 卡玛尔， 林涛， 等． H型液压滤波器的合理应用 [ J ] ． 长安大学学报 自然科学版， 2 0 1 0 ， 3 0 4 9 7 - 1 0 1 ． [ 3 ]何志勇， 何清华 ， 李自光． 泵源液压系统压力脉动抑制方 法研究[ J ] ． 起重运输机械， 2 0 1 0 1 0 2 4 - 2 6 ． [ 4 ]盛敬超． 液压流体 力学 [ M] ． 北京 机 械工业 出版社 ， 1 9 8 0 ． [ 5 ]卢元元 ， 王晖． 电路理论基础 [ M] ． 西安 西安电子科技 大学出版社 ， 2 0 1 1 ． [ 6 ]段善忠 ， 赵映秋． 球形液压脉动稳压器稳压机理 的研究 [ J ] ． 昆明工学院学报 ， 1 9 9 2 ， 1 7 2 1 0 7 1 1 5 ． 上接第 1 2页 对于箱体类物体取放 ，根据箱体的大小和质量选 择三指和多指抓取。对于体积较小和质量较轻的箱体 适合于三指配合抓取。对于体积较大和质量较重的箱 体可以使用大拇指与中指和无名指配合抓取 ，食指和 小拇指在箱体两侧内摆固定夹紧箱体 图9 。 图 9 箱体抓取 4 结束语 ． 研制了一种由柔性关节进行驱动的柔性五指机械 手。该机械手驱动装置与手指本体结合成一体 ，质量 较轻 、结构紧凑 、可控性强。手指结构采用模块化设 计 ，由单向弯曲关节和多向弯曲关节通过连接盘串联 组合而成。利用气动实验平台，机械手可以完成对球 体、圆柱体和方体的抓取。 参考文献 [ 1 ]E D I N B B， A S C A R I L， B E C C A I L， e t a 1 ． B i o i n s p i r e d S e n s o r i z a t i o n o f a Bi o me c h a t r o ni c Ro b o t Ha n d f o r t he Gr a s p a n d ． 1 i f t T a s k 『 J ] ． B r a i n R e s e a r c h B u l l e t i n ， 2 0 0 8 ， 7 5 78 5-79 5． [ 2 ]B U T r E R F A S S J ， G R E B E N S T E I N M， L I U H， e t a 1 ． D L R Ha n d I I N e x t G e n e r a t i o n o f a D e x t r o u s R o b o t H a n d [ C] ． P r o c e e d i n g s o f t h e 2 0 01 I E EE I n t e r n a t i o n a l Co n f e r e n c e o n Ro bo t i c s Au t o ma t i o n．2 0 01 1 0 91 1 4． [ 3 ]Y A MA G U C H I A k i h i r o ， T A K E MU R A K e n j i r o ， Y O K O T A S h i n i c h i ， e t a 1 ． R o b o t H a n d U s i n g E l e c t r o c o n j u g a t e F l u i d Gr a s p i n g E x p e r i me n t wi t h B a l l o o n Ac t u a t o r s I n d u c i n g a P a l m m o t i o n o f R o b o t H a n d [ J ] ． S e n s o r s a n d A c t u a t o r s A， 2 01 2。 1 7 4 1 81 1 8 8． [ 4 ]L I U X i a o m i n ， WA N G Y i q i a n g ， G E N G D e x u ， e t a 1 ． I n v e s t i g a t i o n o n a N e w T y p e o f P n e u m a t i c F l e x i b l e J o i n t [ J ] ． A p p l i e d Me c h a n i c s a n d Ma t e r i a l s ， 2 0 1 3 ， 4 5 7 ／ 4 5 8 3 8 4 3 8 8 ． [ 5 ]G E N G D e x u ， Z H A O J i ， Z H A N G L e i ， e t a 1 ． S t u d y o n B i d i r e c t i o n a l C o n t r o l l a b l e F l e x i b l e B e n d i n g J o i n t s b a s e d o n E l o n g a t i o n A r t i fi c i a l Mu s c l e s[ J ] ． A p p l i e d M e c h a n i c s a n d Ma t e r i a l s 。2 0 1 1 ，4 6 2 8 8 3 2 8 8 7 ． [ 6 ]张金涛， 耿德旭， 刘晓敏， 等． 双向主动弯曲气动柔性关 节力学特性分析[ J ] ． 液压与气动， 2 0 1 1 6 3 9 ～ 4 1 ．