CN105864155A - 一种全频段液压系统压力脉动抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全频段液压系统压力脉动抑制方法，采用双管插入式滤波器衰减液压系统高频压力脉动；利用弹性薄壁的受迫机械振动来削弱液压系统中高频压力脉动；插入式串并联H型滤波器组在中低频段对压力脉动具有较好的滤波效果；由此实现了全频谱的压力脉动滤波。滤波器的轴向长度被设计为大于压力脉动波长，且滤波器内的三种滤波结构在轴向长度范围内具有一致的压力脉动衰减效果，使滤波器具备工况自适应能力。三种滤波结构轴向尺寸和滤波器一致，其较大的尺寸也保证了液压滤波器的滤波性能。利用胶体阻尼层实现并联R型滤波器衰减流量波动。

Description

一种全频段液压系统压力脉动抑制方法

【技术领域】

本发明涉及一种液压系统压力脉动抑制方法，具体涉及一种全频段液压系统压力脉动抑制方法，属于液压设备技术领域。

【背景技术】

液压系统具有功率密度大、运行稳定性好等特点，在工程领域得到广泛应用。随着液压技术向高压、高速和大流量方向发展，液压系统中固有的压力脉动的影响日益突出。相关研究表明，当压力脉动幅值超过液压系统工作压力的10％时，管路将形成较高的压力而导致管路系统破坏；当压力脉动幅值超过液压系统工作压力的2～10％时，管路及阀门将产生磨损，危及整个液压系统的可靠性。

压力脉动是由流量脉动通过系统阻抗产生的，而流量脉动起源于液压泵的输出的流量的脉动，在液压泵处消除压力脉动是液压滤波最直接的方法。国内外学者对此进行了许多研究，虽然采取了许多改进措施，但因液压泵周期性排油机制的约束，要根除流量脉动是不可能的。除了从源头考虑如何衰减脉动，还可以从系统负载的角度来考虑，在管路上加装液压滤波器可以降低系统的输入阻抗(即减小泵的输出阻抗)也能增加对压力脉动的衰减和吸收。

液压滤波器是从负载系统出发来衰减压力脉动，从作用机理上可分为阻性滤波和抗性滤波两大类。抗性滤波原理是利用阻抗失配，使压力波在阻抗突变的界面处发生反射达到滤波的目的。但目前的抗性滤波器存在着以下不足：(1)液压管道中的压力脉动是时间和位置的函数，定位安装的液压滤波器无法适应变工况情况；(2)抗性滤波器只对特定频率点及狭窄频段才有良好滤波效果，无法实现广谱滤波；(3)液压滤波器对压力脉动的衰减效果不够理想；(4)对流量脉动没有滤波作用。

为解决上述问题，专利文献1(中国发明专利申请，公开号CN101614231)公开了一种液压系统减振消声器，其结构是扩张腔式减振器，固定联接共振板簧上装有不同质量的质量体，质量体上有阻尼孔，这样带有不同质量体的共振板簧与阻尼孔组成“质量+弹簧+阻尼”集中参数式耦合弹簧振动系统，从而达到广谱滤波效果。该专利的减振消声器的滤波效果和弹性薄板上每个滤波单元的半径以及厚度密切相关，由于在弹性薄板上设有多个滤波单元以实现广谱滤波，而每个单元的半径和厚度都受限制，因此对滤波效果造成影响；同时该专利的减振消声器没有解决压力脉动随位置变化的问题，对变工况情况的适应性欠佳；对流量脉动没有滤波作用。

因此，为解决上述技术问题，确有必要提供一种创新的全频段液压系统压力脉动抑制方法，以克服现有技术中的所述缺陷。

【发明内容】

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种全频段液压系统压力脉动抑制方法，其可跟踪液压系统压力波动，自动改变滤波结构衰减液压系统中的高、中、低频段的脉动压力，从而起到全频段工况自适应滤波作用。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种全频段液压系统压力脉动抑制方法，其采用一种压力脉动抑制装置，该装置包括输入管、外壳、输出管、弹性薄壁、插入式H型滤波器以及插入式串联H型滤波器；其中，所述输入管连接于外壳的一端，其延伸入外壳内；所述输出管连接于外壳的另一端，其延伸入外壳内；所述弹性薄壁沿外壳的径向安装于外壳内；所述输入管、输出管和弹性薄壁共同形成一双管插入式滤波器；所述弹性薄壁和外壳之间形成串联共振容腔I、串联共振容腔II以及并联共振容腔；所述串联共振容腔I和串联共振容腔II之间通过一弹性隔板隔开；所述弹性薄壁的轴向上均匀开有若干锥形阻尼孔；所述弹性隔板靠近输入管侧设有锥形插入管，所述锥形插入管连通串联共振容腔I和串联共振容腔II；所述插入式H型滤波器位于并联共振容腔内，其和锥形阻尼孔相连通；所述插入式串联H型滤波器位于串联共振容腔I和串联共振容腔II内，其亦和锥形阻尼孔相连通；所述插入式H型滤波器和插入式串联H型滤波器轴向呈对称设置，并组成插入式串并联H型滤波器；

其包括如下方法：

1)，液压流体通过输入管进入双管插入式滤波器，扩大的容腔吸收多余液流，完成高频压力脉动的滤波；

2)，通过弹性薄壁受迫振动，消耗流体的压力脉动能量，完成中频压力脉动的滤波；

3)，通过插入式串并联H型滤波器组，通过锥形阻尼孔、锥形插入管和流体产生共振，消耗脉动能量，完成低频压力脉动的滤波。

本发明的全频段液压系统压力脉动抑制方法进一步为：所述输入管和输出管的轴线不在同一轴线上。

本发明的全频段液压系统压力脉动抑制方法进一步为：所述锥形阻尼孔开口较宽处位于串联共振容腔I和并联共振容腔内，其锥度角为10°。

本发明的全频段液压系统压力脉动抑制方法进一步为：所述锥形插入管开口较宽处位于串联共振容腔II内，其锥度角为10°。

本发明的全频段液压系统压力脉动抑制方法进一步为：所述弹性薄壁的内侧设有一胶体阻尼层；所述胶体阻尼层的内层和外层分别为外层弹性薄壁和内层弹性薄壁，外层弹性薄壁和内层弹性薄壁之间由若干支柱固定连接；所述外层弹性薄壁和内层弹性薄壁之间的夹层内填充有加防冻剂的纯净水，纯净水内悬浮有多孔硅胶。

本发明的全频段液压系统压力脉动抑制方法还为：所述胶体阻尼层靠近输出管的一端和外壳相连；所述胶体阻尼层靠近输出管的一端设有一活塞。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.本发明具有不同固有频率的插入式串并联H型滤波器组，在中低频压力波动频率范围内形成了平坦的衰减频带；插入式串联H型滤波器的两个共振容腔之间由弹性隔板隔开，拓宽了其衰减频带宽度；滤波器的共振容腔横跨整个自适应滤波器，由此可以得到较大的共振容腔体积，加强衰减效果；锥形阻尼孔和锥形插入管插入到相应的共振容腔内，锥度角均为10°，展宽了滤波频率范围并使整体结构更紧凑；锥形插入管开在靠近输入管侧的弹性隔板上，使共振容腔1和2形成非对称结构，以降低滤波器固有共振频率。

2、本发明采用胶体阻尼层的和双管插入式滤波器结构相结合，在衰减压力的同时吸收流量脉动，并具有较好的流量脉动衰减效率，滤波器的输入管和输出管不在同一轴线上，提高了10％以上的滤波效果。

3、本发明的滤波器的轴向长度被设计为大于压力脉动波长，在弹性薄壁的轴向上均匀开有多个相同参数的锥形阻尼孔，保证了滤波器内的三种滤波结构在轴向长度范围内具有一致的压力脉动衰减效果，使滤波器具备工况自适应能力。三种滤波结构轴向尺寸和滤波器一致，其较大的尺寸也保证了液压滤波器的滤波性能。

4、本发明采用插入式串并联H型滤波器组、双管插入式滤波器、弹性薄壁滤波器以及胶体阻尼层相互结合成一个整体，使滤波器具备全频段工况自适应压力脉动滤波和流量脉动滤波性能。

【附图说明】

图1是本发明的全频段液压系统压力脉动抑制装置的结构示意图。

图2是图1中沿A-A的剖面图。

图3是图2中插入式H型滤波器示意图。

图4是图2中插入式串联H型滤波器示意图。

图5是插入式H型滤波器和插入式串联H型滤波器频率特性组合图。其中，实线为插入式串联H型滤波器频率特性。

图6是插入式串并联H型滤波器频率特性图。

图7是双管插入式滤波器的结构示意图。

图8是弹性薄壁的横截面示意图。

图9是胶体阻尼层的纵截面示意图。

【具体实施方式】

请参阅说明书附图1至附图9所示，本发明为一种全频段液压系统压力脉动抑制装置，其由输入管1、外壳9、输出管11、弹性薄壁7、插入式H型滤波器12以及插入式串联H型滤波器13等几部分组成。

其中，所述输入管1连接于外壳9的一端，其延伸入外壳9内的长度为l1；所述输出管11连接于外壳9的另一端，其延伸入外壳9内的长度为l2。所述弹性薄壁7沿外壳的径向安装于外壳9内。所述输入管1和输出管11的轴线不在同一轴线上，这样可以提高10％以上的滤波效果。

所述输入管1、输出管11和弹性薄壁7共同形成一双管插入式滤波器，从而衰减液压系统高频压力脉动。按集总参数法处理后得到的滤波器透射系数为：

$\mathrm{\γ}=\frac{|Z{|}^2}{|Z{|}^2+{\left(\frac{2\mathrm{\ρ}a}{{\mathrm{\πd}}_1^2}\right)}^2}$

a—介质中音速 ρ—流体密度 d₁—输入管直径 Z—特性阻抗

$Z=\frac{1}{\frac{1}{Z_1}+\frac{1}{Z_2}+\frac{1}{Z_3}}$

$Z_1=\frac{{\mathrm{\ρl}}_{1}s}{\frac{\mathrm{\π}}{4}(D^2-{d_1}^2)}+\frac{{\mathrm{\ρa}}^2}{\frac{\mathrm{\π}}{4}(D^2-{d_1}^2)l_{1}s}$

$Z_2=\frac{\mathrm{\ρ}Ls}{\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}^2}+\frac{{\mathrm{\ρa}}^2}{\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}^{2}Ls}$

$Z_3=\frac{{\mathrm{\ρl}}_{2}s}{\frac{\mathrm{\π}}{4}(D^2-{d_2}^2)}+\frac{{\mathrm{\ρa}}^2}{\frac{\mathrm{\π}}{4}(D^2-{d_2}^2)l_{2}s}$

d₂—输出管直径 D—容腔直径 l₁—输入端插入管长度 l₂—输出端插入管长度 L—容腔总长度和输入端输出端插入管长度和的差值

由上式可见，双管插入式容腔滤波器和电路中的电容作用类似。不同频率的压力脉动波通过该滤波器时，透射系数随频率而不同。频率越高，则透射系数越小，这表明高频的压力脉动波在经过滤波器时衰减得越厉害，从而起到了消除高频压力脉动的作用。

所述双管插入式滤波器的设计原理如下：管道中压力脉动频率较高时，压力波动作用在流体上对流体产生压缩效应。当变化的流量通过输入管进入双管插入式容腔时，液流超过平均流量，扩大的容腔可以吸收多余液流，而在低于平均流量时放出液流，从而吸收压力脉动能量。

所述弹性薄壁7通过受迫机械振动来削弱液压系统中高频压力脉动。按集总参数法处理后得到的弹性薄壁固有频率为：

$f_m=\frac{k^{2}h}{2{\mathrm{\πR}}^2}\·\sqrt{\frac{E}{12\mathrm{\ρ}(1+\mathrm{\η})(1-{\mathrm{\μ}}^2)}}$

k—弹性薄壁结构系数 h—弹性薄壁厚度 R—弹性薄壁半径

E—弹性薄壁的杨氏模量 ρ—弹性薄壁的质量密度

η—弹性薄壁的载流因子 μ—弹性薄壁的泊松比。

代入实际参数，对上式进行仿真分析可以发现，弹性薄壁7的固有频率通常比H型滤波器的固有频率高，而且其衰减频带也比H型滤波器宽。在相对较宽的频带范围内，弹性薄壁对压力脉动具有良好的衰减效果。同时，本发明的滤波器结构中的弹性薄壁半径较大且较薄，其固有频率更靠近中频段，可实现对液压系统中的中高频压力脉动的有效衰减。

所述弹性薄壁7的设计原理如下：管道中产生中频压力脉动时，双管插入式容腔滤波器对压力波动的衰减能力较弱，流入双管插入式容腔的周期性脉动压力持续作用在弹性薄壁的内外壁上，由于内外壁之间有支柱固定连接，内外弹性薄壁同时按脉动压力的频率做周期性振动，该受迫振动消耗了流体的压力脉动能量，从而实现中频段压力滤波。由虚功原理可知，弹性薄壁消耗流体脉动压力能量的能力和其受迫振动时的势能和动能之和直接相关，为了提高中频段滤波性能，弹性薄壁的半径设计为远大于管道半径，且薄壁的厚度较小，典型值为小于0.1mm。

进一步的，所述弹性薄壁7和外壳9之间形成串联共振容腔I4、串联共振容腔II3以及并联共振容腔5，所述容腔3、4、5横跨整个滤波器，由此可以得到较大的共振容腔体积，加强衰减效果。所述串联共振容腔I4和串联共振容腔II5之间通过一弹性隔板10隔开。所述弹性薄壁7的轴向上均匀开有若干锥形阻尼孔6，所述锥形阻尼孔6开口较宽处位于串联共振容腔I4和并联共振容腔5内，其锥度角为10°。所述弹性隔板10靠近输入管1侧设有锥形插入管2，所述锥形插入管2连通串联共振容腔I4和串联共振容腔II3。所述锥形插入管2开口较宽处位于串联共振容腔II3内，其锥度角为10°。

所述插入式H型滤波器12位于并联共振容腔5内，其和锥形阻尼孔6相连通。按集总参数法处理后得到的滤波器固有角频率为：

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\ω}}_r=a\sqrt{\frac{S}{L(V-LS)}}& (rad/s)\end{array}---\left(1\right)$

a—介质中音速 L—阻尼孔长 S—阻尼孔横截面积 V—并联共振容腔体积。

所述插入式串联H型滤波器13位于串联共振容腔I4和串联共振容腔II3内，其亦和锥形阻尼孔6相连通。按集总参数法处理后，滤波器的两个固有角频率为：

${\mathrm{\ω}}_1=\frac{\sqrt{\mathrm{\π}}a}{\sqrt{2}\sqrt{k_1+k_2+\sqrt{{\[k_1-k_2\]}^2+\frac{4{(V_4-\frac{1}{4}{{\mathrm{\πd}}_3}^2{l}_3)}^2{l}_1{l}_3}{d_1^2{d}_3^2}}}}---\left(2\right)$

${\mathrm{\ω}}_2=\frac{\sqrt{\mathrm{\π}}a}{\sqrt{2}\sqrt{k_1+k_2-\sqrt{{\[k_1-k_2\]}^2+\frac{4{(V_4-\frac{1}{4}{{\mathrm{\πd}}_3}^2{l}_3)}^2{l}_1{l}_3}{d_1^2{d}_3^2}}}}---\left(3\right)$

其中：

$k_1=\frac{l_1(V_2+V_4-\frac{1}{4}{{\mathrm{\πd}}_1}^2{l}_1-\frac{1}{4}{{\mathrm{\πd}}_3}^2{l}_3)}{{d_1}^2}$

$k_2=\frac{(V_4-\frac{1}{4}{{\mathrm{\πd}}_3}^2{l}_3)l_3}{{d_3}^2}$

a—介质中音速 l₁—阻尼孔长 d₁—阻尼孔直径 l₃—插入管长

d₃—插入管直径 V₂—串联共振容腔1体积 V₄—串联共振容腔2体积。

所述插入式H型滤波器12和插入式串联H型滤波器13轴向呈对称设置，并组成插入式串并联H型滤波器，用于展宽滤波频率范围并使整体结构更紧凑。本发明沿圆周界面分布了多个插入式串并联H型滤波器(图中只画出了2个)，彼此之间用隔板20隔开。

由图5插入式H型滤波器和插入式串联H型滤波器频率特性及公式(1)(2)(3)均可发现，插入式串联H型滤波器有2个固有角频率，在波峰处滤波效果较好，而在波谷处则基本没有滤波效果；插入式H型滤波器有1个固有角频率，同样在波峰处滤波效果较好，而在波谷处则基本没有滤波效果；选择合适的滤波器参数，使插入式H型滤波器的固有角频率刚好落在插入式串联H型滤波器的2个固有角频率之间，如图6所示，既在一定的频率范围内形成了3个紧邻的固有共振频率峰值，在该频率范围内，无论压力脉动频率处于波峰处还是波谷处均能保证较好的滤波效果。多个插入式串并联H型滤波器构成的滤波器组既可覆盖整个中低频段，实现中低频段的全频谱滤波。

所述弹性薄壁7的内侧设有一胶体阻尼层8。所述胶体阻尼层8的内层和外层分别为外层弹性薄壁81和内层弹性薄壁82，外层弹性薄壁81和内层弹性薄壁82之间由若干支柱14固定连接。外层弹性薄壁81和内层弹性薄壁82之间的夹层内填充有加防冻剂的纯净水16，纯净水16内悬浮有多孔硅胶15。所述胶体阻尼层8靠近输出管11的一端和外壳9相连；所述胶体阻尼层8靠近输出管11的一端还设有一活塞17。

由于外层弹性薄壁81和内层弹性薄壁82间距很小且由支柱14固定连接，在压力脉动垂直作用于薄壁时，内外壁产生近乎一致的形变，胶体阻尼层厚度几乎保持不变，对压力脉动没有阻尼作用；胶体阻尼层8的活塞17只感应水平方向的流量脉动，流量脉动增强时，活塞17受压使胶体阻尼层收缩，挤压作用使得胶体阻尼层8中的水由纳米级输送通道进入微米级中央空隙；流量脉动减弱时，活塞17受反压，此时胶体阻尼层膨胀，胶体阻尼层中的水从中央空隙经通道排出。在此过程中，由于硅胶15微通道吸附的力学效应、通道表面分子尺度的粗糙效应及化学非均质效应，活塞跟随胶体阻尼层收缩和膨胀过程中做“气-液-固”边界的界面功，从而对流量脉动实现衰减，其实质上是一个并行R型滤波器。该滤波器相对于一般的液体阻尼器的优势在于：它通过“气-液-固”边界的界面功的方式衰减流量脉动，可以在不产生热量的情况下吸收大量机械能，且能量消耗不依赖于活塞速度，衰减效率有了显著提高。

本发明还能实线工况自适应压力脉动衰减。当液压系统工况变化时，既执行元件突然停止或运行，以及阀的开口变化时，会导致管路系统的特性阻抗发生突变，从而使原管道压力随时间和位置变化的曲线也随之改变，则压力峰值的位置亦发生变化。由于本发明的滤波器的轴向长度设计为大于系统主要压力脉动波长，且滤波器的插入式串并联H型滤波器组的容腔长度、双管插入式容腔滤波器的长度和弹性薄壁的长度和滤波器轴线长度相等，保证了压力峰值位置一直处于滤波器的有效作用范围内；而插入式串并联H型滤波器的锥形阻尼孔开在弹性薄壁上，沿轴线方向均匀分布，使得压力峰值位置变化对滤波器的性能几乎没有影响，从而实现了工况自适应滤波功能。考虑到三种滤波结构轴向尺寸和滤波器相当，这一较大的尺寸也保证了液压滤波器具备较强的压力脉动衰减能力。

采用本发明的压力脉动抑制装置进行液压脉动滤波的方法如下：

1)，液压流体通过输入管进入双管插入式滤波器，扩大的容腔吸收多余液流，完成高频压力脉动的滤波；

2)，通过弹性薄壁7受迫振动，消耗流体的压力脉动能量，完成中频压力脉动的滤波；

3)，通过插入式串并联H型滤波器组，通过锥形阻尼孔、锥形插入管和流体产生共振，消耗脉动能量，完成低频压力脉动的滤波；

4)，将滤波器的轴向长度设计为大于液压系统主要压力脉动波长，且插入式串并联H型滤波器长度、双管插入式滤波器长度和弹性薄壁7长度同滤波器长度相等，使压力峰值位置一直处于滤波器的有效作用范围，实现系统工况改变时压力脉动的滤波。

以上的具体实施方式仅为本创作的较佳实施例，并不用以限制本创作，凡在本创作的精神及原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本创作的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种全频段液压系统压力脉动抑制方法，其特征在于：其采用一种压力脉动抑制装置，该装置包括输入管、外壳、输出管、弹性薄壁、插入式H型滤波器以及插入式串联H型滤波器；其中，所述输入管连接于外壳的一端，其延伸入外壳内；所述输出管连接于外壳的另一端，其延伸入外壳内；所述弹性薄壁沿外壳的径向安装于外壳内；所述输入管、输出管和弹性薄壁共同形成一双管插入式滤波器；所述弹性薄壁和外壳之间形成串联共振容腔I、串联共振容腔II以及并联共振容腔；所述串联共振容腔I和串联共振容腔II之间通过一弹性隔板隔开；所述弹性薄壁的轴向上均匀开有若干锥形阻尼孔；所述弹性隔板靠近输入管侧设有锥形插入管，所述锥形插入管连通串联共振容腔I和串联共振容腔II；所述插入式H型滤波器位于并联共振容腔内，其和锥形阻尼孔相连通；所述插入式串联H型滤波器位于串联共振容腔I和串联共振容腔II内，其亦和锥形阻尼孔相连通；所述插入式H型滤波器和插入式串联H型滤波器轴向呈对称设置，并组成插入式串并联H型滤波器；

其包括如下方法：

1），液压流体通过输入管进入双管插入式滤波器，扩大的容腔吸收多余液流，完成高频压力脉动的滤波；

2），通过弹性薄壁受迫振动，消耗流体的压力脉动能量，完成中频压力脉动的滤波；

3），通过插入式串并联H型滤波器组，通过锥形阻尼孔、锥形插入管和流体产生共振，消耗脉动能量，完成低频压力脉动的滤波。

2.如权利要求1所述的全频段液压系统压力脉动抑制方法，其特征在于：所述输入管和输管的轴线不在同一轴线上。

3.如权利要求1所述的全频段液压系统压力脉动抑制方法，其特征在于：所述锥形阻尼孔开口较宽处位于串联共振容腔I和并联共振容腔内，其锥度角为10°。

4.如权利要求1所述的全频段液压系统压力脉动抑制方法，其特征在于：所述锥形插入管开口较宽处位于串联共振容腔II内，其锥度角为10°。

5.如权利要求1所述的全频段液压系统压力脉动抑制方法，其特征在于：所述弹性薄壁的内侧设有一胶体阻尼层；所述胶体阻尼层的内层和外层分别为外层弹性薄壁和内层弹性薄壁，外层弹性薄壁和内层弹性薄壁之间由若干支柱固定连接；所述外层弹性薄壁和内层弹性薄壁之间的夹层内填充有加防冻剂的纯净水，纯净水内悬浮有多孔硅胶。

6.如权利要求5所述的全频段液压系统压力脉动抑制方法，其特征在于：所述胶体阻尼层靠近输出管的一端和外壳相连；所述胶体阻尼层靠近输出管的一端设有一活塞。