CN108593273B - 一种面向低频的脉动压力衰减装置及其性能测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面向低频的脉动压力衰减装置及其性能测试方法，该衰减装置主要由管接头(1)、壳体(2)、O型密封圈(3)、压盖(4)、弹性薄板(5)以及内六角螺栓等组成。壳体由不锈钢板料焊接而成，围成主容腔(8)，压盖(4)分别与直径各不相同的弹性薄板(5)围成静压平衡腔(6)，主容腔与静压平衡腔通过静压平衡孔相连通。当直驱泵按照额定频率运行时，主容腔内脉动压力与弹性薄板相互作用，由于压力脉动基频至四次谐波频率分别与各弹性薄板一阶固有频率相同，薄板将产生共振，达到对脉动压力进行衰减的目的。

Description

一种面向低频的脉动压力衰减装置及其性能测试方法
技术领域
本发明属于流体脉动衰减装置及其性能测试技术领域，涉及一种面向低频的脉动压力衰减装置及其性能测试方法。基于结构共振的原理，本发明提出了一种脉动压力衰减装置及其衰减效果的测试方法。
背景技术
作为一种新型舰船用舱底疏水泵，直驱泵由直线电机直接带动柱塞在缸筒内往复运动实现吸水和排水，避免了传统疏水泵的中间转换装置，提高了工作效率，避免了较大的振动噪声和脉动流量输出。与其他液压系统一样，直驱泵系统的振动及噪声主要来源于机械振动及噪声和流致振动及噪声，其中机械振动及噪声可通过在直驱泵底座安装橡胶隔振器等比较成熟的措施进行控制和衰减。但直驱泵系统输出的脉动流量在系统阻抗的作用下将产生脉动压力，进而引起管道的振动和噪声。这些振动及噪声会通过管道传播到舰船本体，不仅会影响工作人员的身体健康和生活环境，而且会降低舰船的隐蔽性，甚至使其遭受致命的打击。通过相关试验可知，当直驱泵本体结构振动在得到有效控制后，脉动压力便成为了引起的管道振动最主要的原因。因此，衰减直驱泵出口脉动，降低流致管道振动，对降低舰船振动和噪声以及提高直驱泵管道系统的可靠性具有重要意义。
直接降低脉动流量是控制脉动压力最根本有效的方法。尽管采取了一系列措施(例如优化直线电机控制算法、改善配流阀结构等)，但鉴于直驱泵工作原理，要完全消除系统脉动流量是无法实现的。因此，单纯地通过优化直驱泵结构及控制算法来降低脉动流量，进而对脉动压力进行控制的方法是难以取得较好效果的，需要寻求其他方法对直接对脉动压力进行衰减。
常用的流体滤波器按照原理可分为阻性型、抗性型和蓄能器。
阻性滤波器利用脉动波在经过多孔介质或其他吸声材料介质时，通过流体介质与阻性材料发生摩擦作用消耗能量，以达到衰减流体脉动压力目的的一类滤波器。该型滤波器滤虽然滤波波频段较宽，但在低频时性能较差；同时，流体介质流经阻性材料时要克服摩擦力，会产生较大的沿程压力损失，降低系统效率；并且摩擦产生的热能可能改变流体介质的性能，对系统的可靠性造成负面影响，所以阻性滤波器在实际中应用的较少。
抗性流体滤波器是通过在管道系统中增设截面突变的管段或体积容腔，利用流体流经上述管段或容腔时阻抗发生改变，使脉动波发生反射、干涉，以达到滤除某些频段脉动压力的目的。根据结构形式的不同，抗性滤波器分为支管式、容腔式以及共振式，其中共振式滤波器又可分为赫姆霍兹谐振式和结构共振式。由于该型滤波器具有结构简单、成本低廉等特点，所以在各工程领域有着广泛的应用。但当系统压力脉动频率复杂时，该型滤波器体积大、滤波频段单一以及适应性差的缺点就会凸显出来，在一定程度上限制了其应用范围。
蓄能器是利用可蓄能介质将系统中部分能量转化为势能，并在系统需要时候进行释放，从而避免系统压力发生突变的一种能量储蓄装置。根据连接方式的不同，蓄能器可分并联式蓄能器和串联式蓄能器。其中并联式蓄能器结构简单，成本较低，但只对低频的脉动压力有良好的衰减效果，且衰减频段单一，应用受限。串联式蓄能器与流体接触充分，对高频脉动压力有着较好的衰减效果，且滤波频段较宽，但该型蓄能器结构复杂，成本较高。
随着计算机和自动控制技术的发展，主动式滤波器越来越引起国内外学者的重视。但由于实际脉动源频率的复杂性以及控制系统的滞后，所以很难对脉动源进行有效的衰减；同时由于主动控制系统复杂，成本较高，该型滤波器目前还处于理论研究阶段，在实际工程中应用较少。
针对直驱泵出口压力低频脉动的特点，基于结构共振原理提出一种面向低频的脉动压力衰减装置。与传统流体滤波器不同的是，该脉动压力衰减装置需同时满足体积小、结构简单、成本低、衰减频率低、衰减频段多以及耐腐蚀等诸多要求。因此，本发明提出一种面向低频的脉动压力衰减装置对其性能测试方法。
发明内容
本发明基于结构共振原理，提出一种面向低频的脉动压力衰减装置及其性能测试方法，利用流体介质与弹性薄板的耦合振动，实现对不同工况下直驱泵出口脉动压力的有效衰减，并对该装置的衰减效果进行合理有效的评定，克服了传统抗性滤波器体积大、衰减频段单一以及适应性差等缺点。具体技术方案如下：
一种面向低频的脉动压力衰减装置，主要由管接头(1)、壳体(2)、O型密封圈(3)、压盖(4)、弹性薄板(5)以及内六角螺栓等组成。壳体由不锈钢板料焊接而成，围成主容腔(8)；壳体(2)四周分别加工有直径不等的圆形凹台，弹性薄板(5)放置于圆形凹台上，并由压盖(4)压紧，弹性薄板(5)和压盖(4)之间围成静压平衡腔(6)。
所述弹性薄板(5)直径各不相同，其一阶固有频率分别与直驱泵出口压力脉动的基频至四次谐波频率相等；压盖(4)与壳体(2)通过内六角螺栓紧固连接，管接头(1)安装于壳体(2)前后螺纹孔中。同时圆形凹台、弹性薄板(5)及压盖(4)上均有直径相同的静压平衡孔(7)，安装时三个静压平衡孔(7)的孔道对齐，确保主容腔(8)和静压平衡腔(6)相连通。
采用上述技术方案的直驱泵用脉动压力衰减装置，由于主容腔(8)的存在使其具有抗性滤波器的特点。直驱泵(9)正常运行时，输出的水从脉动压力衰减装置一端进入主容腔(8)，脉动压力得到一定程度上的削减；同时在主容腔(8)内脉动压力的作用下，弹性薄板(5)将发生共振，脉动压力转化为弹性薄板(5)的动能，得到进一步的衰减。经衰减后的水从衰减装置另一端流出，达到了对直驱泵脉动压力的衰减效果。
为验证该面向低频的脉动压力衰减装置效果，搭建其性能测试系统，技术方案如下：
该测试系统主要由直驱泵系统(9)、压力表(10)、直流稳定电源(11)、压力变送器(12)、信号隔离器(13)、示波器(14)、脉动压力衰减装置、节流阀(15)、PC机(16)及涡轮流量计(17)等组成。脉动压力衰减装置设置在直驱泵系统(9)与压力变送器(12)之间，直驱泵系统(9)与压力变送器(12)之间的管路上设有压力表(10)。压力变送器(12)为脉动压力信号采集的核心元件，压力变送器(12)由直流稳定电源(11)供电，在脉动压力的作用下，变送器(12)将按比例输出电流信号；为避免外界磁场和电场对变送器造成共模干扰，将信号隔离器(13)串接在变送器(12)的输出回路。信号隔离器(13)以压力变送器(12)输出电流作为输入，信号隔离器(13)根据电流信号按比例输出电压信号，这样就实现从压力信号到电流信号，再由电流信号到电压信号的比例转换。将示波器(14)接入隔离器(13)的输出回路对信号进行采集保存。
测试过程可按以下步骤进行：
S1将脉动压力衰减装置安装于直驱泵出口，同时压力变送器(12)通过管接头固定于衰减装置后的管道测点，通过PC机(16)上的软件设置使直驱泵(9)按照额定频率运行，调节节流阀(15)使系统负载分别为1～5MPa，当系统运行平稳时对隔离器(13)输出信号进行采集保存，同一负载条件下保存三次；
S2对保存的信号数据通过PC机(16)进行运算和快速傅里叶换FFT，得到不同负载条件下脉动压力的频域分布；
S3记录不同负载条件下压力脉动基频至四次谐波频率f1、f2、f3、f4各对应测试的幅值，求其平均数
Figure BDA0001630254850000041
作为各频率所对应的压力值；
S4用与衰减器等长的不锈钢管替换衰减装置安装于直驱泵出口，重复步骤S1-S3，得到各负载条件下脉动压力频率f1、f2、f3、f4所对应的压力值为
Figure BDA0001630254850000042
Figure BDA0001630254850000043
S5以插入损失IL作为该面向低频的脉动压力衰减装置性能的衡量标准，将相同负载条件各脉动频率fi所对的压力值
Figure BDA0001630254850000044
代入式
Figure BDA0001630254850000045
通过计算得到相同负载条件下各脉动频率对应的插入损失ILi。
S6将各负载条件下压力脉动频率所对应的插入损失值进行拟合，得到该面向低频的脉动压力衰减装置性能曲线。
本发明提出一种面向低频的脉动压力衰减装置及其性能测试方法，克服了传统抗性滤波器体积大、衰减频段单一以及适应性差等缺点，利用流体介质与弹性薄板的耦合振动，实现对不同工况下直驱泵出口脉动压力的有效衰减，降低了流致管道振动和噪声，并能对该装置的衰减效果进行合理有效的评定，对提高直驱泵系统的稳定性及管道系统可靠性具有重要意义。
附图说明
图1为本发明一种面向低频的脉动压力衰减装置外观图；
图2为本发明一种面向低频的脉动压力衰减装置结构示意图；
图3为本发明一种面向低频的脉动压力衰减装置性能测试系统示意图；
图中，1、管接头，2、壳体，3、O型圈，4、压盖，5、弹性薄板，6、静压平衡腔，7、静压平衡孔，8、主容腔，9、直驱泵系统，10、压力表，11、直流稳定电压，12、压力变送器，13、信号隔离器，14、示波器，15、节流阀，16、PC机，17、涡轮流量计。
具体实施方式
以下结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。
如图1、2所示，一种面向低频的脉动压力衰减装置，主要由管接头(1)、壳体(2)、O型密封圈(3)、压盖(4)、弹性薄板(5)以及内六角螺栓等组成。壳体由不锈钢板料焊接而成，围成主容腔(8)；壳体(2)四周分别加工有直径不等的圆形凹台，弹性薄板放置于凹台上，由压盖(4)压紧，二者之间围成静压平衡腔(6)，所述弹性薄板(5)直径各不相同，其一阶固有频率分别与直驱泵出口压力脉动的基频至四次谐波频率相等；通过内六角螺栓保证压盖(4)与壳体(2)的紧固连接，管接头(1)安装于壳体(2)前后的螺纹孔，便于与管道系统进行连接。同时凹台、弹性薄板及压盖上均有直径相同的静压平衡孔(7)，安装时三个孔道对齐，确保主容腔(8)和静压平衡腔(6)相连通。
采用上述技术方案的面向低频的脉动压力衰减装置，由于主容腔(8)的存在使其具有抗性滤波器的特点。直驱泵(9)按照额定频率(1.67Hz)运行时，系统输出的流量从脉动压力衰减装置一端进入主容腔(8)，在其抗性滤波的作用下，压力脉动得到一定程度上的削减；同时在主容腔(8)内，脉动压力与弹性薄板(5)互相作用，由于压力脉动频率分别与各弹性薄板一阶固有频率相同，弹性薄板(5)将发生共振，脉动压力转化为弹性薄板(5)的动能，得到进一步的衰减。经衰减后的水从衰减装置另一端流出，达到了对直驱泵脉动压力的衰减效果。
为验证该面向低频的脉动压力衰减装置的效果，搭建其性能测试系统，技术方案如下：
如图(3)所示，该测试系统主要由直驱泵系统(9)、压力表(10)、直流稳定电源(11)、压力变送器(12)、信号隔离器(13)、示波器(14)、节流阀(15)、PC机(16)及涡轮流量计(17)等组成。作为脉动压力信号采集的核心元件，压力变送器(12)由24V直流稳定电源(11)供电，在脉动压力(0～15MPa)的作用下，变送器(12)将按比例输出电流信号(4～20mA)；同时为避免外界磁场和电场对变送器造成共模干扰，将信号隔离器(13)串接在变送器(12)的输出回路。以变送器(12)输出电流作为输入的隔离器(13)将根据电流的大小按比例输出电压信号(0～10V)，这样就实现了从压力信号到电流信号，再由电流信号到电压信号的比例转换。将示波器(14)接入隔离器(13)的输出回路便可对信号进行采集保存。
测试过程可按以下步骤进行：
S1将脉动压力衰减装置安装于直驱泵出口，同时压力变送器(12)通过管接头固定于衰减装置后的管道测点，通过软件设置使直驱泵(9)按照额定频率(1.67Hz)运行，调节节流阀(15)使系统负载分别为1～5MPa，当系统运行平稳时对隔离器(13)输出信号进行采集保存，同一负载条件下保存三次；
S2对保存的信号数据通过PC机(16)进行运算,将电压信号数值都扩大1.5倍后减去平均分量得到压力脉动分量，再对得到的脉动压力数据进行FFT转换，得到不同负载条件下脉动压力的频域分布；
S3记录不同负载条件下压力脉动基频至四次谐波频率f1(1.67Hz)、f2(3.3Hz)、f3(5Hz)、f4(6.67Hz)各对应的三个幅值，求其平均数
Figure BDA0001630254850000061
Figure BDA0001630254850000062
作为各频率所对应的压力值；
S4用与衰减器等长的不锈钢管替换衰减装置安装于直驱泵出口，重复以上步骤S1-S3，得到各负载条件下脉动压力频率f1(1.67Hz)、f2(3.3Hz)、f3(5Hz)、f4(6.67Hz)所对应的压力值为
Figure BDA0001630254850000063
S5以插入损失(IL)作为该面向低频的脉动压力衰减装置性能的衡量标准，将相同负载条件各脉动频率fi所对的压力值
Figure BDA0001630254850000064
代入式
Figure BDA0001630254850000065
通过计算可得相同负载条件下各脉动频率对应的插入损失ILi。
S6将各负载条件下压力脉动频率所对应的插入损失值进行拟合，得到该面向低频的脉动压力衰减装置性能曲线。

Claims (2)

1.一种面向低频的脉动压力衰减装置的性能测试方法，其特征在于：实现该方法的装置由管接头(1)、壳体(2)、O型密封圈(3)、压盖(4)、弹性薄板(5)以及内六角螺栓组成；壳体由不锈钢板料焊接而成，围成主容腔(8)；壳体(2)四周分别加工有直径不等的圆形凹台，弹性薄板(5)放置于圆形凹台上，并由压盖(4)压紧，弹性薄板(5)和压盖(4)之间围成静压平衡腔(6)；
所述弹性薄板(5)直径各不相同，其一阶固有频率分别与直驱泵出口压力脉动的基频至四次谐波频率相等；压盖(4)与壳体(2)通过内六角螺栓紧固连接，管接头(1)安装于壳体(2)前后螺纹孔中；同时圆形凹台、弹性薄板(5)及压盖(4)上均有直径相同的静压平衡孔(7)，安装时三个静压平衡孔(7)的孔道对齐，确保主容腔(8)和静压平衡腔(6)相连通；
其特征在于：搭建该面向低频的脉动压力衰减装置性能测试系统，该测试系统主要由直驱泵系统(9)、压力表(10)、直流稳定电源(11)、压力变送器(12)、信号隔离器(13)、示波器(14)、脉动压力衰减装置、节流阀(15)、PC机(16)及涡轮流量计(17)组成；脉动压力衰减装置设置在直驱泵系统(9)与压力变送器(12)之间，直驱泵系统(9)与压力变送器(12)之间的管路上设有压力表(10)；压力变送器(12)为脉动压力信号采集的核心元件，压力变送器(12)由直流稳定电源(11)供电，在脉动压力的作用下，变送器(12)将按比例输出电流信号；为避免外界磁场和电场对变送器造成共模干扰，将信号隔离器(13)串接在变送器(12)的输出回路；隔离器(13)以变送器(12)输出电流作为输入，隔离器(13)根据电流信号按比例输出电压信号，这样就实现从压力信号到电流信号，再由电流信号到电压信号的比例转换；将示波器(14)接入隔离器(13)的输出回路，示波器(14)与PC机(16)连接，PC机(16)能够对信号进行采集保存；脉动压力输出装置通过节流阀(15)与涡轮流量计(17)连接；
测试过程按以下步骤进行：
S1将脉动压力衰减装置安装于直驱泵出口，同时压力变送器(12)通过管接头固定于衰减装置后的管道测点，通过PC机(16)上的软件设置使直驱泵系统(9)按照额定频率运行，调节节流阀(15)使系统负载分别为1～5MPa，当系统运行平稳时对隔离器(13)输出信号进行采集保存，同一负载条件下保存三次；
S2对保存的信号数据通过PC机(16)进行运算和快速傅里叶变换FFT，得到不同负载条件下脉动压力的频域分布；
S3记录不同负载条件下压力脉动基频至四次谐波频率f1、f2、f3、f4各对应测试的幅值，求其平均数
Figure FDA0002431224500000021
作为各频率所对应的压力值；
S4用与衰减器等长的不锈钢管替换衰减装置安装于直驱泵出口，重复步骤S1-S3，得到各负载条件下脉动压力频率f1、f2、f3、f4所对应的压力值为
Figure FDA0002431224500000022
Figure FDA0002431224500000023
S5以插入损失IL作为该面向低频的脉动压力衰减装置性能的衡量标准，将相同负载条件各脉动频率fi所对的压力值
Figure FDA0002431224500000024
代入式
Figure FDA0002431224500000025
通过计算得到相同负载条件下各脉动频率对应的插入损失ILi；
S6将各负载条件下压力脉动频率所对应的插入损失值进行拟合，得到该面向低频的脉动压力衰减装置性能曲线。
2.根据权利要求1所述的一种面向低频的脉动压力衰减装置的性能测试方法，其特征在于：直驱泵系统(9)正常运行时，输出的水从脉动压力衰减装置一端进入主容腔(8)，脉动压力得到一定程度上的削减；同时在主容腔(8)内脉动压力的作用下，弹性薄板(5)将发生共振，脉动压力转化为弹性薄板(5)的动能，得到进一步的衰减；经衰减后的水从衰减装置另一端流出，达到了对直驱泵脉动压力的衰减效果。
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