薄板振动式液压脉动衰减器滤波特性.pdf

第 4 9卷第 4期 2 0 1 3 年 2 月 机械工程学报 J OURNAL 0F M ECHANI CAL ENGI NEERI NG Vo1 ． 49 N O． 4 F e b ． 2 01 3 DoI 10 ． 3 901 ， J M E． 2 01 3． 0 4 ． 1 48 薄板振动式液压脉动衰减器滤波特性水 贺尚红 王雪芝 2 何志勇 王守兵 谭文成 f 1 - 长沙理工大学汽车与机械工程学院长沙4 1 0 0 0 4 ； 2 ．南车株洲电机有 限公司 株洲4 1 2 0 0 1 摘要为解决液压系统中由于压力脉动而引起的振动和噪声问题，提出一种薄板振动式液压脉动衰减原理，用弹性薄板代替 结构振动式液压脉动衰减器的振动质量块，使静力平衡孔和平衡腔的流体构成一个赫姆霍兹谐振系统，弹性薄板与流体耦合 振动构成一个受迫振动系统，实现了结构谐振与流体谐振的共同滤波，解决了传统液压脉动衰减器体积庞大的缺点。基于管 路动态特性，结合具体的负载，建立薄板振动式液压脉动衰减器的传递矩阵模型，对压力脉动的衰减特性进行仿真，分析主 要结构参数与压力脉动衰减性能的关系。根据仿真分析结果完成了流体滤波器样机的制作，对样机进行相关的试验研究，并 将理论计算与试验结果进行比较分析。 理论和试验研究表明薄板振动式液压脉动衰减器在很宽的频率范围内有 良好的滤波效 果 。 关键词液压脉动衰减器弹性薄板压力脉动传递矩阵 中图分类号 U 6 6 4 T B 5 3 Fi l t e r i ng Pr o pe r t i e s o f Th i n Pl a t e Hy dr a u l i c Pu l s a t i o n At t e n u a t o r HE S h a n g h o n g W ANG Xu e z h i HE Zh i y o n g W ANG S h o u b i n g T AN W e n c h e n g 1 ． C h a n g s h a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , C h a n g s h a 4 1 0 0 0 4 ； 2 ． C S R E l e c t r i c C o ． ， L t d ． ， Z h u c h o u 4 1 2 0 0 1 Ab s t r a c t I n o r d e r t o s o l v e t h e p r o b l e m o f v i b r a t i o n a n d n o i s e c a u s e d b y t h e p r e s s u r e fl u c t u a t i o n i n h y d r a u l i c s y s t e m， t h e p rin c i p l e o f e l a s t i c thi n p l a t e 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 o r i s p r o p o s e d ． Th e ma s s o f s t r u c t u r a l v i b r a t i o n mu ffl e r i s r e p l a c e d b y e l a s t i c thi n p l a t e ， S O t h e fl u i d o f s t a t i c e q u i l i b ri u m o rifi c e a n d the b a l a n c e d c a v i t y c o n s t i t u t e s a He l r n h o l t z r e s o n a t o r , a n d t h e t h i n e l a s t i c p l a t e a n d t h e flu i d c o n s t i t u t e a f o r c e d c o u p l e d v i b r a t i o n s y s t e m．T h e s t r u c t u r a l v i b r ati o n r e s o n a t i o n a n d fl u i d r e s o n a t i o n a r e c o mb i n e d i n o n e a tt e n u a t o r , S O t h e s h o r t c o mi n g o f b u l k i n e s s o f t r a d i t i o n a l p u l s a t i o n a tt e n u a t o r i s a l s o o v e r c o me s u c c e s s f u l l y ． Ba s e d o n t h e d y n a mi c c h a r a c t e ris t i c s o f the p i p e l i n e ， a n d c o mb i n e d wi t h the s p e c i fic d y n a mi c l o a d ， t h e t r a n s f e r ma t rix mo d e l o f t h e p u l s a t i o n a tt e n u a t o r i s d e riv e d ， a n d t h e p u l s a t i o n a tt e n u a t i o n f u n c t i o n i s s i mu l a t e d ． T h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n ma i n s t r u c t u r a l p a r a me t e r s a n d t h e d a mi c a t t e n u a t i o n c h a r a c t e ris t i c s o f t h e p u l s a t i o n a tt e n u a t o r i s ana l y z e d ． Ac c o r d i n g t o the r e s u l t s o f s i mu l a t i o n ， t h e p r o t o t y p e o f thi n p l a t e h y d r a u l i c p u l s a t i o n a tte n u a t o r i s f a b ric a t e d a n d the e x p e rime n t a l s t u d y i s c a r r i e d o u t ．T h e t h e o r e t i c a l a n d e x p e ri me n t a l r e s u l t s a r e c o mp a r e d a n d an a l y z e d ， wh i c h i n d i c ate t h a t t h e a t t e n u a t o r i s v e r y e ffe c t i v e i n h y dra u l i c p u l s ati o n a t t e n u a t i o n wi th b r o a d f r e q u e n c y b a n d ． Ke y wo r d s ；Hy d r a u l i c p u l s a t i o n a t t e n ua t o r Th i n e l a s t i c p l a t e P r e s s u r e p u l s a t i o n T r a n s f e r ma t r i x 0 前言 容积式液压泵 的排 油机制所决定 的流量脉动 在遇到系统负载阻抗后形成压力脉动并沿管道传 国家 自 然科学基金 5 1 2 7 5 0 5 9 、 国家科技支撑计划 2 叭2 B A F 0 2 B 叭 和浙江 大学流体动力与机电系统国家重点实验室开放基 G Z K F - 2 0 1 0 2 1 资助项 日。2 0 1 2 0 8 2 4收到初稿，2 0 1 3 0 1 0 5 收到修改稿 播，引起管路系统的振动及产生噪声，影响系统工 作性能，缩短元件使用寿命，严重时会引起安全事 故 J 。为了抑制这种流体脉动 ，人们研制 了各种不 同的流体脉动衰减器，如赫姆霍兹消声器 J 、旁支 共鸣器 J 、多腔共鸣器p 等 。因受其滤波机制限制， 这些滤波消声器频率选择性很强、频带窄，同时因 体积结构庞大 ，安装的空间受限，无法满足实际应 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 贺尚红等薄板振动式液压脉动衰减器滤波特性 1 4 9 用需要。在工程应用中迫切需要一种新的液压滤波 消声模式和结构， 满足以下条件 ① 高效滤波， 频 率范围能覆盖工程液压系统主要脉动特征频率，滤 波装置通用性强； ② 结构紧凑体积小， 安装布置尽 量不受空间限制；③ 高可靠性和成本低。 近几年 ，奥地利林茨约翰开普勒大学设计 了一 款结构振动式液压脉动衰减器【 o J 。该脉动衰减器是 在液压系统的管路中旁接一个容腔，容腔中设置一 个活塞式振动质量块 。其作用机理类似于有阻尼 的 动力吸振器 ，通过共振容腔中活塞、弹簧和油液环 境形成一个单 自由度机械振动系统，当附加 “ 弹簧一 质量 ”系统的固有频率与激励力频率相同时，产生 反共振现象，从而消除主系统的压力振动。这种脉 动衰减器采用 “ 质量一 弹簧”结构 ，如果要设计成多 个共振频率的系统，则结构复杂、体积庞大 ，难 以 在实际应用中推广 。 为此 ，设计出一种结构简单、灵巧的薄板振动 式脉动衰减器 ，用弹性薄板代替结构振动式脉动衰 减器 中的 “ 质量 弹簧 ”组件 ，结构紧凑，同时又 保 留了容腔式赫姆霍兹谐振结构，从而实现了结构 谐振和流体谐振的双重滤波 。 1 薄板振动式脉动衰减器工作原理 薄板振动式脉动衰减器的原理如图 1 所示，主 要包括壳体、固定板及弹性薄板。一块厚度均匀的 弹性薄板固定在刚性板上。板后容腔通过静压平衡 孔与主通道相通，使腔 内外静压平衡。该静压平衡 孔 同时也是阻尼孔 ，为了保证合适 的阻尼作用 ，在 实际结构中，可开设在壳体中。周期性脉动压力持 续作用在弹性薄板上 ，薄板则按脉动压力频率做周 期性振动，即弹性薄板与流体耦合振动系统可看成 一 个受迫振动系统 J 。弹性薄板的往复振动，消耗 液压脉动的能量，从而达到滤波的效果。 入口 出口 图 1 薄板振动式脉动衰减器 不意 图 同时，静压平衡孔与板后静压平衡腔一起构成 赫姆霍兹谐振器，是一 一 个流体质量与流体弹簧组成 的吸振系统。因此，该脉动衰减器是一个结构振动 和流体振动两种谐振式滤波器的组合体，当脉动压 力的频率与两个固有频率中任意一个接近时，产生 谐振，使流体脉动得到最大程度的衰减。 2 薄板振动式脉动衰减器数学模型 薄板振动式脉动衰减器等效模型 可用 图 2所 示 。脉动衰减器 由赫姆霍兹的流体谐振系统和结构 谐振系统并联组成 ，其 中流体谐振系统分流流量为 q l s ，结构谐振系统 的分流流量 q 2 s 是 由弹性板振 动引起液体体积变化对应的流量。 qs ， q T o ， 脉动衰减器的等效模型图 用集 中参数建立 薄板 振动式液压 脉动衰减器 频域动态模型，q T i S 、p T i 和 q T o S 、p T 0 分别为 脉 动衰减器入 口和 出 E l 的频域动态 流量和压力 ， q l s 、p1 和 q 2 s 、p 2 分别为流体谐振系统和结 构谐振系统分流 点处的流量和压力。g 。 、P 。 为 假想的两个谐振系统之间的频域动态流量和压力。 各流量和压力满足 g T i q 。 g 1 1 q s s q 2 s q r o S 2 p T i S p 。 2 T 0 3 因此有 ㈤p Ti] 黔 T12肥／ P T o1 撇] ㈣ 式中，r l S 为静压平衡孔和静压平衡腔构成 的赫姆 霍兹谐振器的入 口导纳，由集中参数法 得 iA L s Vs ㈣ 式中， 为油液的体积模量， 为静力平衡腔体积， ￡为平衡孔长度，d为平衡孔直径 ，P为油液密度， 为摩擦阻力系数，R 3 2 ／ d ， 为油液运动 粘度， - j 0 9 ， O 0 为角频率。 赫姆霍兹谐振器谐振频率 ] c d ／ 4 4 L V n 6 式中， c 为流体中的声速， c √ ／ 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 5 0 机械工程学报 第 4 9卷第 4期 为结构谐振系统薄板振动引起 的流量分 支入 口导纳 q 2 s ／ p 2 7 结构谐振系统 中的薄板在液压油环境 中振动。 图 3为薄板在流体 中振动示意图。在流固耦合 的界 面上，流体 的脉动压力作用在弹性薄板上 ，弹性薄 板在流体脉动压力下产生振动和变形 ，而弹性板的 运动和变形又引起流体流量的变化。 图 3溥板在 流体中振动不总图 薄板振动式脉 动衰减器使用 的薄板 是小挠度 变形 ， 忽略平行流过薄板的稳态流速对振动的影响， 得载流薄板在脉动压力P 2 下的振动位移为 t o - l 1 ] w ∽ I P 2 1 a _ 2 a 2r 2 r4 6 4 D 6 4 D 8 一 I J 式中，V O 为平行流过薄板的流体速度。在实际系统 中 ， p v o P 2， D 为 薄 板 的 弯 曲 刚 度 ， DE6 ／ 1 2 1 一 ，E为弹性模量 ， 为泊松 比， 为薄板的厚度，R为薄板的半径 。 振动位移可 以简化为 [ 一 薄板振动 7 1 起液压油流量体积变化为 1o 2 rw w r d r 1 0 将式 9 代入式 1 0 得 d 1 9 2 D 1 1 - z 将 d Vq 2 d t 代入式 1 1 得 q f l 2 12 一 1 9 2 D ㈣ 对式 1 2 两边进行拉 氏变换得 1 3 由此推 出分支导纳 1 9 2 D 1 4 只 ⋯ 由薄板 与流 体耦合振动 的结构谐振 系统共 振 频率[ 】 Unm 26 i E 式中，， 7 为载流因子，U 是特征方程根值 ，对于确 定的薄板结构有对应的根值，P p 为薄板的密度 。 3 薄板振动式脉动衰减器特性分析 为了分析薄板振动式脉动衰减器的衰减特性， 并与试验系统相对应 ，采用图 4所示的简单液压系 统进行分析。 图4 脉动衰减器系统模型 图 4中，a 、b和 C 、d之 间是钢直管，b 、C间 安装脉动衰减器，终端动态阻抗为 “ 钢直管 节流 阀” 。在对应的试验系统中，a 、b 、c 、d处均安装 压力传感器 。 从位置 a 到位置 d传递矩阵模型 S 2 2 , q d J 由管道和节流负载 的动态特性 可知压力脉动 衰减器 的负载导纳为[ 1 3 ] q d s 2 A p T D 2 1 q ．r D2 2 1 7 式中，a p 为节流阀的压力损失；q 为通过节流阀 的流量 ；A、B、D 分别为 a 、b段直管 ，C 、d段直 管及 负载端钢直管传递矩阵。 ⋯ 式中，厂 √ ／ p为 管道传播因 子， Z p c 2 r s ／ A S 55管道特性阻抗。l 为管长， A为管道截面积。 由式 1 6 、 1 7 得 l ／ ＼、 ●●_、 ＼ ／，，． 。。．．． ＼ 、●● ●、＼ 2 2 ，，， ． ．．．． ＼、●● ●、＼ 2 2 ，， ●●●●● ●●● ＼ ＼、●●●／ 2 2 4 4 ， ， ， ．．． ．． ． 一 ／ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年 2月 贺尚红等薄板振动式液压脉动衰减器滤波特性 1 5 1 P d 1 S z 2 V o s q 1 8 为了评价脉动衰减器滤波消声特性，采用插入 损失进行评价 。取位置 d的动态压力进行计算 ，在 所有工作状态参数不变的前提下，分别计算装入压 力脉动衰减器及用刚直管代替压力脉动衰减器两种 情况下的 动态压力。q ，P 和q ，P 分别为用钢 直管代替脉动衰减器后位置 “ a ”和 “ d ”的动态流 量和动态压力，将替代脉动衰减器的钢直管传递矩 阵 C代替式中 1 6 中的 得 ] ] ] ] 1。 ] 戛 乏 ] B z ] ] c 9 。 八 C 2， C 2八 八 ／J 则 。 Y 。 2 0 在上述两种情况下，作为流量扰动源的液压 泵， 其稳态工况没有变化，因此有q 。 q ，因此得 位置 d的插入损失 2 吣 2 o ． s f l 由上述方 法可得薄板振 动式脉动衰减 器滤波 消声特性。 在 Ma t l a b软件中编制脉动衰减器在 0 ～ 5 0 0 H z 频率范围内的插入损失仿真计算程序。仿真 中的基本参数如下表所示 。 表仿真基本参数 图 5为薄板振动式脉动衰减器插入损失仿真 曲线 。 1 衰减器约在 1 3 5 H z和 3 8 4 Hz出现峰值点， 这两个频率正是赫姆霍兹谐振器和载流薄板的固有 频率 ，在该频率附近衰减效果较好 。 2 衰减器在 l 1 0 ～1 4 0 Hz ，3 1 0 4 2 0 Hz范围 内压力脉动衰减达到 1 0 d B以上，具有 良好 的衰减 效果 。前一个频率范 围赫姆霍兹谐振起主导作用 ， 后一个频率范围载流薄板谐振起主导作用。载流薄 板谐振系统与流体谐振系统相比，衰减频带大大展 宽，衰减效果也更好 。 ∞ { 嗽 频率 ／ H z 图5 滤波器插入损失仿真曲线 表中的仿真参数里 ，其他参数不变 ，改变静压 平平衡孔 的长度 ，得图 6所示对 比曲线 。从图 6可 以看 出，平衡孔长度增加，衰减 曲线 向左移动 ，两 个固有频率 向低频方向移动 。 ∞ 姆 碟 频率 ／ Hz 图6 静力平衡孔长度对插入损失的影响 1 ． 卢 3 0n l m 2． ／ 4 0 r n r n 3 ． ／ -- 5 0t h i n 图 7表示的是脉动衰减器的弹性薄板半径大小 对其滤波 的影响。薄板半径减小，结构谐振频率点 向右移，结构谐振滤波频带向高频移动，而赫姆霍 兹谐振部分 因参数没有改变 ，谐振频率及特性没有 变化 。 图 7 薄板半径对插入损失的影响 1 ． RI 5 ． 0 mi l l 2 ． R1 4 ． 8 a i m 3 ． R1 4 ． 5 mm 4 试验验证 试验系统结构与 图 4吻合，原理如 图 8所示， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年 2月 贺尚红等薄板振动式液压脉动衰减器滤波特性 1 5 3 LI S h u l i ， J I AO Zo n g x i a ． Re s e a r c h a c t u a l i t y a n d p r o s p e c t o f a c t i v e c o n t r o l o f h y d r a u l i c fl u i d fl u c tua t i o n [ J ] ． Ma c h i n e T o o l and Hy dra u l i c s ， 2 0 0 6 9 2 4 3 2 4 6 ． [ 3 】曹秉刚， 史维祥．液压滤波器[ J 】 _机床与液压， 1 9 8 5 5 1 ． 2． C A O B i n g g ang ，S H I We i x i a n g ．H y dra u l i c fi l t e r [ J ] ． Ma c h i n e Too l and H y dra u l i c s ， 1 9 8 5 5 1 - 2 ． [ 4 ]4 罗志昌．流体网络理论[ M] ．北京机械工业出版社， 1 9 8 8 ． ， L U O Z h i c h a n g ． F l u i d n e t wo r k t h e o r y [ M] ． Be r i n g C h i n a M a c h i n e P r e s s ， 1 9 8 8 ． 【 5 】KO J I MA E ， I C H I YA NAG I T． De v e l o p me n t r e s e a r c h o f n e w t y p e s o f mu l t i p l e v o l u me r e s o n a t o r s [ C ／ C D ] ／ ／ Ba t h W o r k s h o p o n P o we r T r a n s m i s s i o n an d M o t i o n C o n t r o l ， Un i v e r s i t y o f Ba t h ， UK ， 1 9 9 8 ． [ 6 】MI KO T A J ． A n o v e l ， c o mp a c t p u l s a t i o n c o mp e n s a t o r t o r e d u c e p r e s s u r e p u l s a t i o n s i n h y dra u l i c s y s t e ms [ C ／ O L ] ／ ／ I n P r o c e e d i n g s o f I c a n o v I n t e r n a t i o n a l Co n f e r e n c e o n Ac o u s t i c s ， No i s e and Vi b r a t i o n ，Ot t a wa ，C an a d a ， Au g u s t， 2 0 0 1 ． h t t p ／ ／ e y r i e ． s h e f ． a c ． u k ／ me c h 2 k 2 ／ s p e a k e r ／ s a mp l e p a p e r ． p d f ． 【 7 】H UA NG L ． A t h e o r e t i c a l s tud y o f p a s s i v e c o n t r o l o f d u c t n o i s e u s i n g p a n e l s o f v a ryi n g c o mp l i a n c e [ J ] ． J ． Ac o u s t ． S o c ． A m． ， 2 0 0 1 ， 1 0 9 6 2 8 0 5 - 2 8 1 4 ． [ 8 】苏尔皇．管道动态分析及液流数值计算方法[ M】 ．哈尔 滨哈尔滨工业出版社，1 9 8 5 ． S U E r h u a n g ． Tu b i n g s ys t e m d y n a mi c a n a l y s i s a n d fl u i d n um e ri c a l c o m p u t a t i o n me t h o d [ M] ．H arb i nHa r b i n I n s t i tu t e o f Te c h n o l o g y P r e s s ，1 9 8 5 ． [ 9 ]9 曾祥荣，张建成． 共振型液压消声器研究[ J ] ． 机械工程 学报，1 9 9 0 ，2 6 5 9 0 - 9 5 ． ZE NG Xi a n g r o n g ， ZHANG J i an c h a n g ． A s tud y o n r e s o n a n c e t y p e h y dra u l i c mu ffle r [ J ] ． C h i n e s e J o u rna l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， 1 9 9 0 ，2 6 5 9 0 - 9 5 ． [ 1 0 】郝亚娟．弹性薄板与流体耦合作用的力学分析[ D】 ．秦 皇岛燕山大学，2 0 1 0 ． HA O V a j u an． Me c h ani c a l a n a l y s i s u n d e r c o u p l e d t h i n e l a s t i c p l a t e and fl u i d a c t i o n [ D] ． Q i n h u ang d a o Y a n s h a n Un i v e r s i ty, 2 0 1 0 ． [ 1 1 】周城光，刘碧龙，李晓东．腔壁弹性对充水亥姆霍兹共 振器声学特性的影响圆柱形腔等效集中参数模型[ J 】 ． 声学学报，2 0 0 7 ，3 2 5 4 2 7 ． 4 3 3 ． Z HOU Ch e n g g u a n g ， LI U Bi l o n g ， LI Xi a o d o n g ． Eff e c t o f e l a s t i c c a v i ty wa l l s o n a c o u s t i c c h a r a c t e ris t i c s o f a wa t e r - fi l l e d He l mh o l t z r e s o n a t o r Eq u i v a l e n t l u mp e d p ara me t e r mo d e l f o r c y l i n d r i c a l c a v i ty[ J ] _ A c ta Ac u s t i c a ， 2 0 0 7 ， 3 2 5 4 2 7 - 4 3 3 ． [ 1 2 】佟小朋，白国峰，刘克．载流薄板结构吸声性能的研究 [ J ] ．声学学报，2 0 0 7 ，3 2 5 1 0 1 7 1 0 2 2 ． TONG Xi a o p e n g ，BAI Gu o f e n g ， LI U Ke ．S tud y o f t h i n p a n e l wi t h fl u i d l o a d e d a b s o r b e r s [ J ] ． Ac t a A c u s t i c a ， 2 0 0 7 ， 3 2 5 1 0 2 7 - 1 0 2 2 ． 【 1 3 】章寅，于俊，黎申．压力脉动衰减器的仿真与实验研究 [ J 】 ．液压与气动，2 0 1 1 6 4 7 - 5 0 ． Z HANG Yi n ，YU J un ，L I S h e n ．Ex p e r i me n tal r e s e a r c h and C F D s i mu l a t i o n o f p r e s s u r e p u l s a t i o n a t t e n u a t o r [ J ] ． C h i n e s e Hy dra u l i c s a n d P n e um a t i c s ， 2 0 1 l 6 4 7 - 5 0 ． 作者简介贺 尚红，男，1 9 6 5年出生，博士，教授 ，博士研究生导师。 主要研究方向为流体传动与控制技术、机械动力学。 E ma i l h e s h a n g h o n g 1 2 6 ． c o rn 王雪芝，女，1 9 8 7年出生。主要研究方 向为流体传动技术。 E ma i l 2 8 1 5 8 7 3 6 6 q q ． c o rn 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m