CN105864210A - 一种变结构工况自适应液压滤波方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变结构工况自适应液压滤波方法，其采用S型容腔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；插入式螺旋异构串联H型滤波器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；自动适应压力波动，滤波器的结构随压力变化而改变，可减少滤波压力损耗，并降低滤波对液压刚度的影响。

Description

一种变结构工况自适应液压滤波方法

【技术领域】

本发明涉及一种液压滤波方法，具体涉及一种变结构工况自适应液压滤波方法，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变结构工况自适应液压滤波方法，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具有频带自适应、工况自适应的变结构工况自适应液压滤波方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种变结构工况自适应液压滤波方法，其采用一种液压滤波设备，该设备包括输入管、外壳、输出管、波纹管以及S型弹性薄壁；其中，所述输入管连接于外壳的一端；所述输出管连接于外壳的另一端；所述S型弹性薄壁沿外壳的径向安装于外壳内，其内形成膨胀腔和收缩腔；所述输入管、输出管和S型弹性薄壁共同形成一S型容腔滤波器；所述S型弹性薄壁和外壳之间形成圆柱形的共振容腔；所述S型弹性薄壁的轴向上均匀开有若干锥形变结构阻尼孔，锥形变结构阻尼孔连通共振容腔；所述锥形变结构阻尼孔由锥形弹性阻尼孔管和缝孔组成；所述波纹管呈螺旋状绕在共振容腔外，和共振容腔通过多个锥形插入管连通；所述波纹管各圈之间通过若干支管连通，支管上设有开关；所述波纹管和共振容腔组成插入式螺旋异构串联H型滤波器；

其包括如下方法：

1)，液压流体通过输入管进入S型容腔滤波器，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S型弹性薄壁受迫振动，消耗流体的压力脉动能量，完成中频压力脉动的滤波；

3)，通过插入式螺旋异构串联H型滤波器，锥形变结构阻尼孔、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)，通过锥形变结构阻尼孔的锥形弹性阻尼孔管的伸缩和缝孔的开关，完成压力脉动自适应滤波。

本发明的变结构工况自适应液压滤波方法进一步设置为：所述输入管和输出管的轴线不在同一轴线上。

本发明的变结构工况自适应液压滤波方法进一步设置为：所述锥形变结构阻尼孔开口较宽处位于共振容腔内，其锥度角为10°；所述锥形变结构阻尼孔锥形弹性阻尼孔管的杨氏模量比弹性薄壁的杨氏模量要大，能随流体压力变化拉伸或压缩；缝孔的杨氏模量比锥形弹性阻尼孔管的杨氏模量要大，能随流体压力开启或关闭。

本发明的变结构工况自适应液压滤波方法还设置为：所述锥形插入管开口较宽处位于波纹管内，其锥度角为10°。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.本发明的插入式螺旋异构串联H型滤波器，带加强环的波纹管缠绕安装且各圈之间通过若干支管连通，支管上设有开关可打开或关闭支管，弥补了常见串联H型滤波器频谱波谷没有滤波能力的缺陷，在中低频压力波动频率范围内形成了平坦的衰减频带；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；锥形变结构阻尼孔和锥形插入管的锥度角均为10°，展宽了滤波频率范围。

2、本发明的S型容腔滤波器对高频的压力脉动波具有良好衰减效果，膨胀腔和收缩腔之间过渡平滑，降低了腔体直径突变带来的系统压力损失，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、本发明的锥形变结构阻尼孔对不同脉动频率和幅度的流体压力可使滤波器改变结构，既保证了液压系统的全频段全工况滤波，又降低了正常工况下滤波器的压力损失，保证了系统的液压刚度。

4、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S型弹性薄壁的轴向上均匀开有多个相同参数的锥形变结构阻尼孔，螺旋异构缠绕的波纹管和共振容腔间的锥形插入管在轴向均匀分布，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。

5、本发明的插入式螺旋异构串联H型滤波器、S型容腔的类∏型抗性滤波器、弹性薄壁滤波器以及锥形变结构阻尼孔相互结合成一个整体，使滤波器具备全频段自适应压力变结构脉动滤波性能。

【附图说明】

图1是本发明的变结构工况自适应液压滤波设备的结构示意图。

图2是插入式H型滤波器示意图。

图3是单个的H型滤波器和串联的H型滤波器频率特性组合图。其中，实线为单个的H型滤波器频率特性。

图4是S型容腔滤波器的结构示意图。

图5是S型弹性薄壁的横截面示意图。

图6是图2中锥形变结构阻尼孔的示意图。

图6(a)至图6(c)是锥形变结构阻尼孔的工作状态图。

【具体实施方式】

请参阅说明书附图1至附图6所示，本发明为一种变结构工况自适应液压滤波设备，其由输入管1、外壳8、输出管9、波纹管3以及S型弹性薄壁7等几部分组成。

其中，所述输入管1连接于外壳8的一端；所述输出管9连接于外壳8的另一端。所述S型弹性薄壁7沿外壳的径向安装于外壳8内，其内形成膨胀腔71和收缩腔72。所述输入管1和输出管9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9和S型弹性薄壁7共同形成一S型容腔滤波器，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：

$\mathrm{\γ}=\frac{1}{1+{(\frac{2\mathrm{\π}f}{Z}\·\frac{\frac{2}{3}{k}_1{D}^3+k_2{d}^{2}L}{{d_I}^2\·a})}^2}$

a—介质中音速 L—收缩腔长度 D—膨胀腔直径 Z—特性阻抗

γ—透射系数 f—压力波动频率 d_I—输入管直径 d—收缩腔直径

k₁—膨胀腔系数 k₂—收缩腔系数

由上式可见，S型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。同时，本发明的S型容腔结构中，膨胀腔和收缩腔之间过渡平滑，有助于降低腔体直径突变带来的系统压力损失。

所述S型容腔滤波器的设计原理如下：当变化的流量通过输入管进入S型容腔的膨胀腔时，液流超过平均流量，扩大的膨胀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。多级膨胀腔和收缩腔的组合则提高了滤波器的脉动压力吸收能力，也即滤波性能。膨胀腔和收缩腔之间采用曲面光滑过渡，则避免了由流体界面突变带来的沿程压力损失及发热。

所述S型弹性薄壁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S型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—S型弹性薄壁结构系数 h—S型弹性薄壁厚度 R—S型弹性薄壁半径

E—S型弹性薄壁的杨氏模量 ρ—S型弹性薄壁的质量密度

η—S型弹性薄壁的载流因子 μ—S型弹性薄壁的泊松比。

代入实际参数，对上式进行仿真分析可以发现，S型弹性薄壁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，S型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S型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S型弹性薄壁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S型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S型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，S型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，S型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S型弹性薄壁7和外壳8之间形成圆柱形的共振容腔5。所述S型弹性薄壁7的轴向上均匀开有若干锥形变结构阻尼孔6，以保证在整个滤波器的范围内均能实现插入式串并联滤波。锥形变结构阻尼孔6连通共振容腔5。所述锥形变结构阻尼孔开口较宽处位于共振容腔内，其锥度角为10°，用于展宽滤波频率范围，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。

所述波纹管3呈螺旋状绕在共振容腔5外，和共振容腔5通过多个锥形插入管2连通。所述锥形插入管2开口较宽处位于波纹管3内，其锥度角为10°用于展宽滤波频率范围。所述波纹管3各圈之间通过若干支管10连通，支管10上设有开关4。所述波纹管3和共振容腔5组成插入式螺旋异构串联H型滤波器。

由图3可知，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；插入式螺旋异构串联H型滤波器中采用了螺旋异构的波纹管3结构，波纹管本身具有弹性，当液压系统的流量和压力脉动经过波纹管时，流体介质导致液压-弹簧系统振动，抵消波动能量，从而起到滤波作用；同时，各圈波纹管3之间的若干支管10的连通或断开，引起波的干涉和叠加，从而改变串联H型滤波器的频率特性；合理安排滤波器参数以及连通支管的数量和位置，可使串联H型滤波器的频率特性的波谷抬高，使滤波器在整个中低频段均有良好的滤波性能，实现中低频段的全频谱滤波。

进一步的，所述锥形变结构阻尼孔6由锥形弹性阻尼孔管16和缝孔15组成，锥形较窄端开口于弹性薄壁7。其中锥形弹性阻尼孔管16的杨氏模量比弹性薄壁7的杨氏模量要大，能随流体压力变化拉伸或压缩；缝孔15的杨氏模量比锥形弹性阻尼孔管16的杨氏模量要大，能随流体压力开启或关闭。故当压力脉动频率落在高频段时，S型容腔滤波器结构起滤波作用，锥形弹性阻尼孔管16和缝孔15都处于图6(a)状态；而当脉动频率落在中频段时，滤波器结构变为S型容腔滤波器结构和弹性薄壁7滤波结构共同起作用，锥形弹性阻尼孔管16和缝孔15都处于图6(a)状态；当脉动频率落在某些特定的低频频率时，滤波器结构变为插入式串并联H型滤波器、S型容腔滤波器结构和弹性薄壁滤波结构共同起作用，锥形弹性阻尼孔管16和缝孔15都处于图6(b)状态，由于插入式串并联H型滤波器的固有频率被设计为和这些特定低频脉动频率一致，对基频能量大的系统可起到较好的滤波效果；当脉动频率落在某些特定频率以外的低频段时，锥形弹性阻尼孔管16和缝孔15都处于图6(c)状态。这样的变结构滤波器设计既保证了液压系统的全频段全工况滤波，又降低了正常工况下滤波器的压力损失，保证了系统的液压刚度。

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，且滤波器的插入式螺旋异构串联H型滤波器的容腔长度、S型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；插入式螺旋异构串联H型滤波器的锥形变结构阻尼孔开在S型弹性薄壁上，沿轴线方向均匀分布，螺旋异构缠绕的波纹管和共振容腔间的锥形插入管在轴向均匀分布，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S型容腔滤波器，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S型弹性薄壁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)，通过插入式螺旋异构串联H型滤波器，锥形变结构阻尼孔、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S型弹性薄壁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；

5)，通过锥形变结构阻尼孔的锥形弹性阻尼孔管的伸缩和缝孔的开关，完成压力脉动自适应滤波。

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 (4)

1.一种变结构工况自适应液压滤波方法，其特征在于：其采用一种液压滤波设备，该设备包括输入管、外壳、输出管、波纹管以及S型弹性薄壁；其中，所述输入管连接于外壳的一端；所述输出管连接于外壳的另一端；所述S型弹性薄壁沿外壳的径向安装于外壳内，其内形成膨胀腔和收缩腔；所述输入管、输出管和S型弹性薄壁共同形成一S型容腔滤波器；所述S型弹性薄壁和外壳之间形成圆柱形的共振容腔；所述S型弹性薄壁的轴向上均匀开有若干锥形变结构阻尼孔，锥形变结构阻尼孔连通共振容腔；所述锥形变结构阻尼孔由锥形弹性阻尼孔管和缝孔组成；所述波纹管呈螺旋状绕在共振容腔外，和共振容腔通过多个锥形插入管连通；所述波纹管各圈之间通过若干支管连通，支管上设有开关；所述波纹管和共振容腔组成插入式螺旋异构串联H型滤波器；

其包括如下方法：

1），液压流体通过输入管进入S型容腔滤波器，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S型弹性薄壁受迫振动，消耗流体的压力脉动能量，完成中频压力脉动的滤波；

3），通过插入式螺旋异构串联H型滤波器，锥形变结构阻尼孔、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），通过锥形变结构阻尼孔的锥形弹性阻尼孔管的伸缩和缝孔的开关，完成压力脉动自适应滤波。

2.如权利要求1所述的变结构工况自适应液压滤波方法，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所述的变结构工况自适应液压滤波方法，其特征在于：所述锥形变结构阻尼孔开口较宽处位于共振容腔内，其锥度角为10°；所述锥形变结构阻尼孔锥形弹性阻尼孔管的杨氏模量比弹性薄壁的杨氏模量要大，能随流体压力变化拉伸或压缩；缝孔的杨氏模量比锥形弹性阻尼孔管的杨氏模量要大，能随流体压力开启或关闭。

4.如权利要求1所述的变结构工况自适应液压滤波方法，其特征在于：所述锥形插入管开口较宽处位于波纹管内，其锥度角为10°。