CN112032454B - 气液耦合式流体脉动消振器 - Google Patents

气液耦合式流体脉动消振器 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种气液耦合式流体脉动消振器，包括：基体，中空且一端开口；气囊，位于所述基体的中空部，气囊与所述基体内壁之间形成有第一空腔；内衬，位于所述气囊内部。本公开的气液耦合式流体脉动消振器通过基体的开口，使主管道内的流体进入第一空腔内，气囊内部填充有气体，所以在第一空腔内的流体压力和气囊内的气压的压差作用下，气囊产生形变，从而通过气囊的膨胀收缩来吸收流量脉动，使得液压能源系统内的油液流量更加平稳，且能在宽温度、宽压力和宽频率范围内实现流体脉动的有效削减，从而提高液压系统的可靠性。

Description

气液耦合式流体脉动消振器
技术领域
本公开涉及流体机械装置消振技术领域，尤其涉及气液耦合式流体脉动消振器。
背景技术
目前，液压系统等流体传输系统大多采用泵作为能源供给装置，由于泵自身的结构和工作原理必然会产生流量脉动。而且管路系统中存在液阻，流量脉动又会引起压力脉动。压力脉动对管道系统和元部件产生疲劳破坏，会对系统的可靠性产生不利影响。
现有的消振元件，如：蓄能器等，压力和温度变化范围较大的系统会使得蓄能器的皮囊达到极限位置而失去工作能力，因此不适合宽温度宽压力的应用场合；并且，大多数蓄能器的体积和重量均较大，不利于狭小空间安装；蓄能器一般仅针对100Hz以内的频段消振，范围较窄，不适合宽频消振范围的应用场合。
发明内容
为了解决上述技术问题中的至少一个，本公开提供了一种。
根据本公开的一个方面，气液耦合式流体脉动消振器，包括：
基体，中空且一端开口；
气囊，位于所述基体的中空部，气囊与所述基体内壁之间形成有第一空腔；
内衬，位于所述气囊内部。
根据本公开的至少一个实施方式，所述内衬沿其径向开设有贯穿的通气孔。
根据本公开的至少一个实施方式，通过调节所述内衬的体积来匹配所述气液耦合式流体脉动消振器的有效工作温度范围。
根据本公开的至少一个实施方式，通过调节所述内衬的体积来匹配所述气液耦合式流体脉动消振器的有效工作压力范围。
根据本公开的至少一个实施方式，还包括：
连接管，一端与所述气囊内部连通，另一端螺纹连接有堵头。
根据本公开的至少一个实施方式，所述基体的两端均开口，所述基体一端的开口与所述连接管远离气囊的一端密封连接。
根据本公开的至少一个实施方式，所述基体远离堵头的一端向外延伸有连接部；所述连接部开设有外螺纹，所述连接部远离所述基体的一端开设有通至基体开口的连接通孔。
根据本公开的至少一个实施方式，所述气囊由弹性橡胶制成。
根据本公开的至少一个实施方式，所述气囊由耐油弹性橡胶制成。
根据本公开的至少一个实施方式，所述气囊呈长圆筒结构。
附图说明
附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
图1是根据本公开的实施方式的气液耦合式流体脉动消振器的示意图。
附图标记：
1-基体；11-连接部；2-气囊；3-内衬；31-通气孔；4-连接管；5-堵头；6-第一空腔；7-第二空腔。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。
本公开的气液耦合式流体脉动消振器通过基体的开口，使主管道内的流体进入第一空腔内，气囊内部填充有气体，所以在第一空腔内的流体压力和气囊内的气压的压差作用下，气囊产生形变，从而通过气囊的膨胀收缩来吸收流量脉动，使得液压能源系统内的油液流量更加平稳，且能在宽温度、宽压力和宽频率范围内实现流体脉动的有效削减，从而提高液压系统的可靠性。
如图1所示，根据本公开的第一实施方式，提供了气液耦合式流体脉动消振器，包括：
基体1，中空且一端开口；
气囊2，位于所述基体1的中空部，气囊2与所述基体1内壁之间形成有第一空腔6；
内衬3，位于所述气囊2内部。
基体1用于将本气液耦合式流体脉动消振器连接到液压管路中，可通过法兰连接、焊接、螺纹连接等方式将基体1连接到液压管路中。
气囊2可采用现有技术实现，气囊2可直接放置在基体1的中空部内，也可通过现有方式固定在基体1的中空部。
内衬3可直接放置在气囊2内，也可通过现有方式固定在气囊2内壁。
流体经液压管路进入第一空腔6，第一空腔6内的流体与气囊2内的气体存在压差，从而使气囊2发生形变，当气囊2内的气压小于第一空腔6内的流体压力时，气囊2收缩；反之，气囊2膨胀。通过气囊2的膨胀收缩来吸收流量脉动，使得液压能源系统内的油液流量更加平稳。
在本公开的一个可选实施方式中，通过调节所述内衬3的体积来匹配所述气液耦合式流体脉动消振器的有效工作温度范围，可以通过以下推导进行说明：
为方便说明，下述第二空腔7为气囊2内的中空部。
设Vmax为第二空腔7的最大体积，此时气囊2完全膨胀充满整个基体1的中空部。Vmin为第二空腔7的最小体积，此时气囊2被完全压缩；VI为第二空腔7实际工作时的体积。
在消振器工作前，在温度T0下，在第二空腔7内充入气体直至压力达到P0，此时第二空腔7的体积显然为Vmax，假设本气液耦合式流体脉动消振器在整个工作期间气体体积的变化很快，可认为是绝热过程，因此根据理想气体状态方程可得：
P0V0＝nRT0 式1
其中，V0为第二空腔7初始体积，显然有V0＝Vmax，n表示气体的物质的量，R表示比例常数。
当本气液耦合式流体脉动消振器接入系统，气囊2受到流体压力而压缩，第二空腔7的体积和压力分别变为VI和PI。若此时环境温度变化为TI，则同样有气体方程：
PIVI＝nRTI 式2
综合式1和式2可得工作温度与工作体积的关系为：
Figure BDA0002692363560000041
由式3可知，工作温度TI与工作体积VI成正比。即：工作体积VI变化范围越大，则工作温度TI的范围越大。
定义气囊2的可变体积：
ΔV＝Vmax-Vmin 式4
气囊2的可变体积即为工作体积VI的变化范围，即V0-ΔV<VI<V0，于是可得工作温度变化关系式：
Figure BDA0002692363560000042
也就是说，有效工作温度范围由
Figure BDA0002692363560000043
决定，
Figure BDA0002692363560000044
越大，则工作温度范围越宽。增加内衬3体积，则V0减小，进而
Figure BDA0002692363560000045
增大，使得本气液耦合式流体脉动消振器具有宽温度范围的消振效果。
在本公开的一个可选实施方式中，通过调节所述内衬3的体积来匹配所述气液耦合式流体脉动消振器的有效工作压力范围。可以通过以下推导进行说明：
当温度恒为TI时，根据由式1和式2可得关系式：
Figure BDA0002692363560000046
当第二空腔7处于完全膨胀或完全压缩状态时，由于气囊2的运动受到限制，因此第二空腔7的气体也失去脉动的作用。为确保本气液耦合式流体脉动消振器具有脉动削减效果，需要确保气囊2处于最大体积Vmax和最小体积Vmin之间。即需满足下列关系式：
V0-ΔV<VI<V0 式7
由式6和式7可得工作压力PI的变化范围关系式：
Figure BDA0002692363560000051
由式8可得，工作压力PI与第二空腔7可变体积
Figure BDA0002692363560000052
成正相关，即
Figure BDA0002692363560000053
变化范围越大，则工作压力PI的范围越大。增加内衬3体积，则V0减小，进而
Figure BDA0002692363560000054
增大，使得消振器具有宽压力范围的消振效果。
在本公开的一个可选实施方式中，所述气囊2呈长圆筒结构，并可通过调节所述内衬3的体积来匹配所述气液耦合式流体脉动消振器的有效工作频率范围，可通过以下推导进行说明：
液压系统中阻抗Z(s)定义为系统压力P和流量Q的比值，即
Figure BDA0002692363560000055
阻抗Z(s)的值越大，说明单位流量所引起的压力变化更大，所以液压消振器研究中可以用消振器阻抗Z(s)来近似表征消振器本身的消振效果：阻抗值越大，消振效果越差；阻抗值越小，消振效果越好。因此，可以通过阻抗法看出消振器的宽频特性。
针对气囊2模型列牛顿第二定律可得
Figure BDA0002692363560000056
Figure BDA0002692363560000057
Figure BDA0002692363560000058
其中，PI1为气体压力，PO为油液压力，VI0为平衡时气腔体积，PI0为平衡时气体压力，AO为气囊2外部面积，AI为气囊2内部面积，m为气囊2质量，x为气囊2收缩方向。
对式9至式11进行拉氏变换可得
PO(s)AO-PI1(s)AI＝mxs2 式12
(O(s)＝AOxs 式13
Figure BDA0002692363560000059
整理可得消振器阻抗为
Figure BDA00026923635600000510
由于气囊2为长圆筒状，因此其质量m可以用表面积AO和厚度h表示为m＝ρAOh，则消振器阻抗可进一步变化为：
Figure BDA00026923635600000511
其中，
Figure BDA00026923635600000512
是微分项，
Figure BDA00026923635600000513
是积分项。积分项能够对管路系统进行全频段消振，但是微分项会导致高频段阻抗上升。因此，通过消振器结构的设计可以实现减小
Figure BDA00026923635600000514
这项进行优化措施，减弱微分项的影响，进而拓宽消振器宽频消振性能。通过增加内衬3的长度和直径，可以增加气囊2设计的表面积，减小
Figure BDA0002692363560000061
实现宽频率范围的消振。
在本公开的一个可选实施方式中，所述内衬3沿其径向开设有贯穿的通气孔31。以利于气囊2内部气体流通。
在本公开的一个可选实施方式中，还包括：
连接管4，一端与所述气囊2内部连通，另一端螺纹连接有堵头5。从而方便充气或排气。
在本公开的一个可选实施方式中，所述基体1的两端均开口，所述基体1一端的开口与所述连接管4远离气囊2的一端密封连接。可在连接管4与基体1之间设置密封圈等密封件实现密封连接，也可将连接管4与基体1焊接为一体结构。
在本公开的一个可选实施方式中，所述基体1远离堵头5的一端向外延伸有连接部11；所述连接部11开设有外螺纹，所述连接部11远离所述基体1的一端开设有通至基体1开口的连接通孔。
在本公开的一个可选实施方式中，所述气囊2由弹性橡胶制成。
在本公开的一个可选实施方式中，所述气囊2由耐油弹性橡胶制成。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (6)

1.气液耦合式流体脉动消振器，其特征在于，包括：
基体，中空且一端开口；
气囊，呈长圆筒结构，位于所述基体的中空部，气囊与所述基体内壁之间形成有第一空腔；
内衬，沿其径向开设有贯穿的通气孔，且位于所述气囊内部；
连接管，一端与所述气囊内部连通，另一端螺纹连接有堵头；
通过调节所述内衬的体积来匹配所述气液耦合式流体脉动消振器的有效工作压力范围；
通过调节所述内衬的体积来匹配所述气液耦合式流体脉动消振器的有效工作频率范围。
2.如权利要求1所述的气液耦合式流体脉动消振器，其特征在于，通过调节所述内衬的体积来匹配所述气液耦合式流体脉动消振器的有效工作温度范围。
3.如权利要求1所述的气液耦合式流体脉动消振器，其特征在于，所述基体的两端均开口，所述基体一端的开口与所述连接管远离气囊的一端密封连接。
4.如权利要求3所述的气液耦合式流体脉动消振器，其特征在于，所述基体远离堵头的一端向外延伸有连接部；所述连接部开设有外螺纹，所述连接部远离所述基体的一端开设有通至基体开口的连接通孔。
5.如权利要求1所述的气液耦合式流体脉动消振器，其特征在于，所述气囊由弹性橡胶制成。
6.如权利要求5所述的气液耦合式流体脉动消振器，其特征在于，所述气囊由耐油弹性橡胶制成。
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