CN114458718A - 一种用于高压液压管路系统的抗沉降磁流变消振器及其工作过程 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于高压液压管路系统的抗沉降磁流变消振器及其工作过程，包括上端盖、下端盖和缸体，上端盖与外部流体系统连接，缸体与两端盖之间构成内部空间；内部空间内设有磁流变液阻尼机构，磁流变液阻尼机构将内部空间分为油液容腔、高压气体容腔及磁流变液腔，其包括密封菌型活塞、密封固定活塞、多孔阻尼块、永磁体及密封活塞板；内部空间内还设有密封低压气体容腔，密封活塞板能在磁流变液腔的作用下压缩气腔内的气体；磁流变液腔内设有永磁体，磁流变液流体中悬浮导磁颗粒能在永磁体形成磁场内长期保持有序排列。缸体内壁还设置有挡环，用于限制密封菌型活塞初始位置。本发明适用于高压液压管路系统，可大幅衰减系统的振动以及噪声。

Description

一种用于高压液压管路系统的抗沉降磁流变消振器及其工作 过程

技术领域

本发明涉及流体机械装置以及液压管路系统振动控制技术领域，具体而言，尤其涉及一种用于高压液压管路系统的抗沉降磁流变消振器及其工作过程。

背景技术

近些年来，随着液压技术向着高压、高速、大功率、经久耐用、高度集成化等方向发展，液压管路系统的可靠性问题变得越来越重要。高压液压系统指液压系统工作压力在25-32兆帕(MPa)之间的液压管路系统，高压液压管路系统在工作中管路系统振动是造成管路疲劳损坏的重要影响因素。管路的振动主要是由液压系统中流体的脉动以及流体冲击而引起的，流体脉动以及流体冲击在系统管路和负载阻抗的作用下产生压力脉动以及压力冲击导致液压系统管路振动，同时管路的振动甚至形变也将反过来作用于流体导致流体的流动状态更加复杂，进而导致管路的振动形式也更加复杂化，这种双向的耦合作用使管路发生振动，导致管路的疲劳破坏和产生流致噪声，对于高压液压管路系统由于振动所导致的管路损伤以及疲劳破坏更为明显。

液压流体脉动以及液压流体冲击引起的管路振动以及噪声问题，对于各种应用工况中液压系统的可靠性以及性能都会产生严重的影响，因此在液压管路设计中，必须采用有效措施以及合理的设计来抑制液压系统中因液压脉动以及液压冲击导致的管路振动以及噪声，通过研究液压管路系统流体脉动以及流体冲击机理，探索有效的流体脉动以及流体冲击衰减方法对液压管路系统的振动进行抑制衰减，对于改善液压系统综合性能，提高液压系统可靠性具有重要的非常重要的现实意义。

目前液压系统中常见的振动控制依据振动控制的过程中是否依靠外部能源，可将振动控制方法分为三类：主动控制，被动控制，智能控制。

其中，被动控制是一种不需要外部能源的振动控制技术，一般来说被动控制是通过对液压系统加装阻性衰减器、抗性衰减器或阻抗复合式衰减器来改变系统阻抗、降低结构的动力响应，从而达到衰减系统流体脉动的目的，被动控制技术可以分为隔振技术、吸振技术、耗能技术等。常见的液压系统被动振动控制器有管路支架、蓄能器、多调谐质量阻尼器(MTMD)、Holmoltz共振液压滤波器以及质量谐振单元等。这些常见的被动振动控制器虽然结构设计较为简单，但是大多存在着体积较大、振动控制效果差、振动控制频带较窄的缺陷。

主动控制是一种需要外部能源的振动控制技术，主要是通过外部构件对结构施加作用，改变结构体系动力特性，从而减小结构动力响应。例如在泵源管路上加入一主动节流阀进行旁路节流调节用以消减流量峰值，从而通过控制主动节流阀以消除系统的振动，主动控制具有参数自适应性、实时性以及衰减频带宽等优点，对于振动的衰减抑制效果十分显著。

智能振动控制器的研究也一直备受关注。例如，专利CN 112503131 B公开了一种基于多级阀式磁流变阻尼器的抗冲击液压执行器，该减振器在系统产生振动挤压活塞前后运动时，可推动磁流变液在阻尼器缸体内流动，多级阀式磁流变阻尼器可以提供与液压缸相匹配的等量级或以上的出力，增加液压系统的稳定性，并且在液压执行器受到外部冲击时，多级阀式磁流变阻尼器可有效的减少液压执行器所受到的冲击振动。专利文献CN112696452 A公开了一种新型磁流变阻尼器及车辆悬架系统阻尼控制方法，使用正弦磁极控制主流道的流通截面积，进而控制阻尼器的阻尼系数，可根据车辆重心参数及路面激励工况适时调节阻尼器低、高速区的阻尼系数及阻尼突变点的位置，提高车辆行驶平顺性及操控性的鲁棒性。

上述专利文献中，在振动控制装置中引入磁流变液这种新型材料，通过动态改变磁场强弱进而动态改变装置的阻尼系数，因此在振动控制中具有很强的自适应性。但是由于磁流变液是一种悬浮液，当磁流变液较长时间处于静止状态时，磁性粒子会逐渐下沉产生沉降现象，致使磁流变液出现上下密度差异，会导致阻尼器的性能明显下降。

上述这些消振装置大部分只在低压液压系统中具有很好的应用效果，在高速高压的液压管路系统中不能很好的吸收流体脉动与流体冲击，因此针对高压液压管路系统中的消振装置研究，具有很重要的意义。

发明内容

根据上述提出的现有消振装置大部分只在低压液压系统中具有很好的应用效果，在高速高压的液压管路系统中不能很好的吸收流体脉动与流体冲击的技术问题，而提供一种用于高压液压管路系统的抗沉降磁流变消振器。本发明在抗沉降磁流变消振器未接入高压液压管路油路时，密封菌型活塞在高压气体容腔作用下上端面被挡环限制无法移动，低压气体容腔内气体不被密封活塞板压缩。在抗沉降磁流变消振器接入高压液压管路油路后，密封菌型活塞在油液作用下沿缸体轴向方向压缩高压气体容腔内气体，其上端面受到的油液压力与其下端面受到的高压气体容腔气体压力平衡，当高压液压管路油路系统中出现压力脉动和冲击时，密封菌型活塞可以将流体压力脉动能量转换为高压气体容腔内气体内能，磁流变液腔内多孔阻尼块可以将流体压力脉动能量转换为磁流变液内能，如此循环，从而对高压液压管路系统实现较好的振动衰减效果。

本发明采用的技术手段如下：

一种用于高压液压管路系统的抗沉降磁流变消振器，包括：

上端盖，与缸体的上端相连，上端盖的内部开设有通孔，颈部开设有外螺纹，用于实现与外部流体系统连接；

下端盖，与缸体的下端相连；

缸体，其上下两端分别与上端盖和下端盖之间进行紧固密封连接，上端盖、下端盖与缸体之间形成内部空间，所述通孔的上下两侧分别与外部流体系统和该内部空间相连通；

所述内部空间内设置有磁流变液阻尼机构，所述磁流变液阻尼机构将所述内部空间从上至下分为油液容腔、高压气体容腔以及磁流变液腔；磁流变液阻尼机构包括从上至下依次同心安装在所述缸体内的密封菌型活塞、密封固定活塞、多孔阻尼块以及密封活塞板，所述密封菌型活塞、多孔阻尼块以及密封活塞板构造成共同沿所述缸体内壁轴向运动的固连结构；密封菌型活塞与通孔之间的空间构成所述油液容腔，密封菌型活塞在外部流体系统输送至油液容腔内的流体作用下进行轴向位移，并压缩高压气体容腔内气体；密封菌型活塞与密封固定活塞之间形成高压气体容腔；密封固定活塞与密封活塞板之间形成磁流变液腔，多孔阻尼块位于磁流变液腔中；

所述内部空间内还设置有密封低压气体容腔，其形成在密封活塞板与下端盖之间，所述密封活塞板底部与低压气体容腔接触，并能在磁流变液腔内磁流变液的作用下压缩低压气体容腔内的密封气体；

所述抗沉降磁流变消振器通过改变其高压气体容腔内气体压力以适应不同压力的高压液压管路系统。

进一步地，所述缸体的上下两端分别设置有法兰盘Ⅰ和法兰盘Ⅱ，法兰盘Ⅰ通过密封螺栓Ⅰ与上端盖紧固连接，法兰盘Ⅱ通过密封螺栓Ⅱ与下端盖紧固连接；

所述焊接法兰Ⅰ与上端盖之间设有密封垫圈Ⅰ，缸体与上端盖之间形成密封连接；所述焊接法兰Ⅱ与下端盖之间设有密封垫圈Ⅱ，缸体与下端盖之间形成密封连接。

进一步地，所述多孔阻尼块上均布设置有若干细长孔；所述多孔阻尼块与所述缸体内壁之间设有固定磁流变液流隙；

所述多孔阻尼块的外圆周面内嵌有磁励线圈。

进一步地，所述缸体内壁上固定设有若干永磁体，分布在多孔阻尼块的上下方，位于磁流变液腔中，磁流变液中导磁颗粒在永磁体磁场中有序排列；

所述若干永磁体构成磁场较弱，该磁场不影响磁流变液阻尼力的产生情况。

进一步地，所述密封菌型活塞为菌型结构，其菌型面朝上设置，与外部流体系统输送的流体接触，将作用在其面上的流体压力进行均匀分布，减少应力集中。

进一步地，所述磁流变液阻尼机构还包括若干周向均布的螺杆，所述螺杆的上下两端分别与所述密封菌型活塞和多孔阻尼块紧固连接，通过螺杆实现密封菌型活塞、多孔阻尼块和密封活塞板的共同往复轴向运动；

所述螺杆的两端均加工有螺纹，螺杆的两端通过螺纹连接的盖型螺母实现与密封菌型活塞和多孔阻尼块的紧固连接；

所述螺杆的中部光杆部分贯穿所述密封固定活塞，并通过密封圈与密封固定活塞实现动密封配合；

所述螺杆的上端设有限位凸缘。

进一步地，所述密封菌型活塞通过O型密封圈Ⅰ实现与缸体内壁之间的动密封，所述密封固定活塞通过O型密封圈Ⅱ实现与缸体内壁之间的静密封，所述密封活塞板通过O型密封圈Ⅲ实现与缸体内壁之间的动密封，从而实现高压气体容腔、磁流变液腔以及低压气体容腔的密封；高压气体容腔的气体压力与系统额定工作压力相等，低压气体容腔的气体压力与大气压相等。

进一步地，所述高压气体容腔对应的缸体侧壁上设有用于给所述高压气体容腔充放高压气体的充放气阀Ⅰ；所述低压气体容腔对应的下端盖上设有给低压气体容腔充放气的充放气阀Ⅱ；

所述磁流变液腔对应的缸体侧壁上设有给所述磁流变液腔注液以及排液的注液口和排液口，注液口处安装有注液口密封盖，排液口处安装有排液口密封盖；磁流变液通过注液口充入磁流变液腔，在磁励线圈通电时产生磁场以改变磁流变液阻尼系数；励磁线圈通电导线通过排液口密封盖伸出与外界电流控制器进行连接；

所述缸体内壁还设置有挡环，用于限制密封菌型活塞初始位置。

进一步地，所述抗沉降磁流变消振器采用DSP控制，根据管路检测传感器的输入信号为基础输出控制信号，在线实时改变磁流变液励磁线圈电流，使抗沉降磁流变消振器对管路工况做出实时响应，自动调节消振器消振阻尼，实现动态控制以实现对于压力脉动冲击的衰减吸收。

本发明还提供了一种用于高压液压管路系统的抗沉降磁流变消振器的工作过程，包括如下步骤：

步骤一、外部流体流经上端盖后，在流体系统未产生流体压力脉动和压力冲击作用状态下，密封菌型活塞将在流体作用下发生轴向位移，压缩高压气体容腔内气体；

步骤二、当管路系统发生流体压力脉动和压力冲击作用时，流体作用于密封菌型活塞的菌型面而使其产生反复轴向运动，密封菌型活塞压缩高压气体容腔中的高压气体，将脉动以及冲击能量转化为气体的内能；同时，与密封菌型活塞固连的多孔阻尼块沿缸体进行轴向运动，将使磁流变液腔内的磁流变液通过多孔阻尼块与缸体内壁之间固定环形间隙流道以及流过多孔阻尼块上分布的细长孔，由于多孔阻尼块在运动时受到磁流变液产生的粘滞阻尼力影响也将耗散掉流体脉动以及冲击能量；

步骤三、DSP控制系统通过接受管路中传感器的检测信号，然后输出信号到电流控制器在线实时改变励磁线圈电流，对管路工况做出实时响应，自动调节磁流变液阻尼系数，实现动态控制；

步骤四、在工作过程中，密封活塞板也沿缸体内壁轴向运动，其压缩低压气体容腔内气体以补充因螺杆伸入而需增加的磁流变液腔容积；

步骤五、经过多重的能量吸收转化以及耗散作用，消振器有效的将液压脉动以及冲击能量转化为气体的内能以及磁流变液的能量，进而实现对于液压管路系统中液压脉动以及冲击导致的管路振动的衰减，有效提高抗沉降磁流变消振器的振动衰减性能；同时利用永磁体，使磁流变液中的导磁颗粒在永磁体磁场中长期保持有序排列，有效避免因消振器闲置导致的磁流变液导磁颗粒产生的沉降现象。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的用于高压液压管路系统的抗沉降磁流变消振器及其工作过程，通过引入磁流变液这种新型材料，可以根据系统工况实时改变装置的阻尼系数，并且使用永磁体可以使磁流变液中悬浮导磁颗粒在永磁体磁场下保持有序排列，有效改善了磁流变液的沉降现象。

2、本发明提供的用于高压液压管路系统的抗沉降磁流变消振器及其工作过程，与现有技术相比，不仅可以适用于高压液压管路系统，大幅衰减系统的振动以及噪声，而且具有响应灵敏、自适应强、阻尼力无极可调、自适应能力强以及抗磁流变液沉降性能好等优点，对于液压管路系统中的压力脉动以及压力冲击就有很好的衰减吸收效果。

综上，应用本发明的技术方案能够解决现有现有消振装置大部分只在低压液压系统中具有很好的应用效果，在高速高压的液压管路系统中不能很好的吸收流体脉动与流体冲击的问题。

基于上述理由本发明可在流体机械装置以及液压管路系统振动控制等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的用于高压液压管路系统的抗沉降磁流变消振器的结构剖视图。

图2为图1中用于高压液压管路系统的抗沉降磁流变消振器中的上端盖三维结构示意图。

图3为图1中用于高压液压管路系统的抗沉降磁流变消振器中的磁流变液阻尼机构的三维结构示意图。

图4为图3中磁流变液阻尼机构中的密封菌型活塞结构示意图。

图5为图3中磁流变液阻尼机构中的多孔阻尼块的三维结构示意图。

图6为图1中磁流变液阻尼机构中的磁流变液腔内的结构示意图。

图7为图1中用于高压液压管路系统的抗沉降磁流变消振器在AMEsim中仿真模型图。

图8为图7中用于高压液压管路系统的抗沉降磁流变消振器仿真模型仿真后系统压力响应曲线图。

图中：1、上端盖；2、密封螺栓Ⅰ；3、密封垫圈Ⅰ；4、法兰盘Ⅰ；5、O型密封圈Ⅰ；6、高压气体容腔；7、缸体；8、充放气阀Ⅰ；9、O型密封圈Ⅱ；10、注液口密封盖；11、永磁体；12、排液口密封盖；13、密封活塞板；14、法兰盘Ⅱ；15、密封螺栓Ⅱ；16、充放气阀Ⅱ；17、下端盖；18、密封垫圈Ⅱ；19、低压气体容腔；20、O型密封圈Ⅲ；21、磁流变液腔；22、励磁线圈；23、多孔阻尼块；24、密封固定活塞；25、密封圈；26、螺杆；27、限位凸缘；28、密封菌型活塞；29、挡环；30、盖型螺母；31、油液容腔；50、抗沉降磁流变消振器；

101、正弦信号源；102、电机；103、低压槽Ⅰ；104、定量泵；105、可变液压容腔；106、节流阀；107、低压槽Ⅱ；108、密封菌型活塞模块；109、质量属性块；110、机械弹簧阻尼块；111、可变阻尼模块；112、力发生模块；113、常量信号模块；114、速度传感器；115、逐段线性信号源；116、函数输入模块；117、阈值开关；118、模拟管路模块；119、流体属性模块；120、磁流变液模块；121、高压气腔模块；122、系统液压源模块；123、高压液压管路系统模块。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

图1显示了根据本发明的一种用于高压液压管路系统的抗沉降磁流变消振器的结构剖视图。

如图1所示，该抗沉降磁流变消振器包括上下端盖，上端盖1及下端盖17均构成圆盘状。如图2所示，上端盖1加工有通孔，颈部设置有外螺纹，用于与外部流体系统连接。

如图1所示，该抗沉降磁流变消振器还包括缸体7。缸体7上下两端焊接法兰盘Ⅰ4与法兰盘Ⅱ14，法兰盘Ⅰ4通过密封螺栓Ⅰ2紧固连接有上端盖1，法兰盘Ⅱ14通过密封螺栓Ⅱ15紧固连接有下端盖17。焊接在缸体7上的焊接法兰Ⅰ4与上端盖1之间设有密封垫圈Ⅰ3，焊接在缸体7上的焊接法兰Ⅱ14与下端盖17之间设有密封垫圈Ⅱ18，从而使得缸体7与两端盖之间形成密封连接，从而在缸体7与上下两端盖之间形成有内部空间。

根据本发明，如图1和图3所示，在缸体7与两端盖所形成的内部空间内设有磁流变液阻尼机构。磁流变液阻尼机构将内部空间分成了油液容腔31、高压气体容腔6以及磁流变液腔21，磁流变液腔21内注入有磁流变液。如图3所示，磁流变液阻尼机构包括从上至下依次同心安装在缸体内的密封菌型活塞28、密封固定活塞24、多孔阻尼块23、永磁体11以及密封活塞板13；密封菌型活塞28、多孔阻尼块23以及密封活塞板13构造成能沿缸体7内壁轴向运动的固连结构；多孔阻尼块23安装在密封固定活塞24与密封活塞板13之间；密封活塞板13与下端盖17之间还设置有密封低压气体容腔19，密封活塞板13与低压气体容腔19内的密封气体接触，并能在磁流变液的作用下压缩低压气体容腔19内的气体。

如图1和图4所示，密封菌型活塞28设置为菌型结构，其菌型面可以更好的将作用在其面上的液体压力进行均匀分布，减少应力集中。

如图1和图5所示，多孔阻尼块23上均布设置有若干细长孔(即若干阻尼孔，若干阻尼孔直径相同)。细长孔不仅可以起到耗散磁流变液能量的作用，还能消除因阻尼块突然换向所导致磁流变液粘度无法流动的现象，实现阻尼力的圆滑过渡。

如图1和图5所示，磁流变液腔内的多孔阻尼块23外圆周面内嵌有励磁线圈22。多孔阻尼块23与缸体内壁之间有固定磁流变液流隙。

如图1所示，密封菌型活塞28通过O型密封圈Ⅰ5实现与缸体内壁之间的动密封；密封固定活塞24通过O型密封圈Ⅱ9实现与缸体内壁之间的静密封；密封活塞板13通过O型密封圈Ⅲ20实现与缸体内壁之间的动密封。从而实现高压气体容腔6、磁流变液腔21以及低压气体容腔19的密封。在一个优选的实施例中，高压气体容腔6的气体压力与系统额定工作压力相等，低压气体容腔19的气体压力与大气压相等。磁流变液阻尼机构还包括若干螺杆26，螺杆26沿周向均匀布置，在螺杆26的两端均加工有螺纹。螺杆26的两端通过螺纹连接的盖型螺母30实现与密封菌型活塞28以及与多孔阻尼块23的紧固连接，而螺杆26的中间光杆部分与密封固定活塞24之间通过密封圈25实现动密封配合。螺杆26的上端设有限位凸缘27，起到限制位移、安装密封菌型活塞的作用。

如图1和图6所示，磁流变液腔21中沿缸体内壁还圆周分布有若干永磁体11，永磁体11固定在缸体内壁上，若干永磁体11的尺寸不同，磁流变液中导磁颗粒在永磁体磁场中有序排列。若干永磁体11构成磁场较弱，该磁场不影响磁流变液阻尼力的产生情况。

如图1和图6所示，磁流变液腔21对应的缸体7侧壁上设有给磁流变液腔21注液以及排液的充液口，即注液口和排液口，并安装有注液口密封盖10以及排液口密封盖12。将磁流变液通过充液口(注液口)充入磁流变液腔21，在磁励线圈22通电时产生磁场以改变磁流变液阻尼系数。

如图1和图6所示，励磁线圈22通电导线通过排液口密封盖12进行伸出与外界电流控制器进行连接。DSP控制系统通过接受管路中传感器的检测信号，然后输出信号到电流控制器以在线实时改变励磁线圈电流。

如图1所示，高压气体容腔6对应的缸体7侧壁上设有给高压气体容腔充放气(充入高压气体)的充放气阀Ⅰ8，低压气体容腔19对应的下端盖17上设有给低压气体容腔充放气的充放气阀Ⅱ16。缸体内壁还设置有挡环29，该挡环29为在缸体内壁采用的螺纹嵌套的挡圈，用于限制密封菌型活塞初始位置。

本发明该抗沉降磁流变消振器可通过改变其高压气体容腔内气体压力以适应不同压力的高压液压管路系统。

本发明装置控制系统采用DSP控制，通过管路中传感器实时监测管路系统流体状态以及压力变化，然后输出信号到电流控制器以在线实时改变励磁线圈通电电流，从而改变磁流变液腔对应的磁场强度，由于磁流变液在磁场作用下可由低粘度的牛顿流体转变为高粘度、低流动性的BINGHAM流体，因此可实时在线改变磁流变液阻尼系数，自动调节阻尼实现动态控制。在工作过程中，系统压力脉动以及压力冲击作用于密封菌型活塞28，使密封菌型活塞28及与其固连的多孔阻尼块23沿着缸体轴线方向运动。同时，由于在磁流变液腔内缸体内壁上设置了永磁体，所以磁流变液流体可以在永磁体磁场中长期保持有序排列，有效避免了因装置闲置导致的磁流变液导磁颗粒的产生的沉降现象。

如图1所示，本发明还包括设置在密封活塞板13与下端盖17之间的低压气体容腔19。在工作过程中，由于螺杆26在沿缸体轴向运动时将有一部分体积伸入磁流变液腔内，由于液体无法被压缩，所以密封活塞板13也将沿缸体轴向运动，其将低压气体容腔19内气体以补充因螺杆伸入而需增加的磁流变液腔容积。

本发明在抗沉降磁流变消振器未接入高压液压管路油路时，密封菌型活塞在高压气体容腔作用下上端面被挡环限制无法移动，低压气体容腔内气体不被密封活塞板压缩。在抗沉降磁流变消振器接入高压液压管路油路后，密封菌型活塞在油液作用下沿缸体轴向方向压缩高压气体容腔内气体，其上端面受到的油液压力与其下端面受到的高压气体容腔气体压力平衡，当高压液压管路油路系统中出现压力脉动和冲击时，密封菌型活塞可以将流体压力脉动能量转换为高压气体容腔内气体内能，磁流变液腔内多孔阻尼块可以将流体压力脉动能量转换为磁流变液内能，如此循环，从而对高压液压管路系统实现较好的振动衰减效果。

下面简述根据本发明的一种用于高压液压管路系统的抗沉降磁流变消振器50的工作过程。外部流体流经上端盖后，在流体系统未产生流体压力脉动和压力冲击作用状态下，密封菌型活塞28将在流体作用下发生轴向位移，压缩高压气体容腔内气体。当管路系统发生流体压力脉动和压力冲击作用时，流体作用于密封菌型活塞28的菌型面而使其产生反复轴向运动，密封菌型活塞28压缩高压气体容腔6中的高压气体，将脉动以及冲击能量转化为气体的内能。同时，多孔阻尼块23的轴向运动，也将使磁流变液腔21内的磁流变液通过多孔阻尼块23与缸体7内壁之间固定环形间隙流道以及流过多孔阻尼块23上分布的细长孔，因为多孔阻尼块在运动时受到磁流变液产生的粘滞阻尼力影响也将耗散掉流体脉动以及冲击能量。DSP控制系统通过接受管路中传感器的检测信号，然后输出信号到电流控制器在线实时改变励磁线圈电流，对管路工况做出实时响应，自动调节磁流变液阻尼系数，实现动态控制。在工作过程中，密封活塞板13也将沿内管轴向运动，其将压缩低压气体容腔19内气体以补充因螺杆伸入而需增加的磁流变液腔容积。经过多重的能量吸收转化以及耗散作用，装置有效的将液压脉动以及冲击能量转化为了气体的内能以及磁流变液的能量，进而实现了对于液压管路系统中液压脉动以及冲击导致的管路振动的衰减，有效提高了抗沉降磁流变消振器50的振动衰减性能。同时利用永磁体(也为一种永磁块)，使磁流变液中的导磁颗粒在永磁体磁场中长期保持有序排列，有效避免了因装置闲置导致的磁流变液导磁颗粒产生的沉降现象。

依据本发明抗沉降磁流变消振器的结构，并依据上述抗沉降磁流变消振器工作过程，利用AMEsim(多学科领域复杂系统建模仿真平台)仿真软件，选择AMESim机械元件库、标准液压库、液压元件设计库和信号库里的基础元件搭建抗沉降磁流变消振器仿真模型，其模型图如图7所示。其中包含流体属性模块119、密封菌型活塞模块108、磁流变液模块120、高压气腔模块121、系统液压源模块122以及高压液压管路系统模块123等模块。流体属性模块119指定了部件流动工质的属性，包括液体密度、体积模量和粘度等；磁流变液模块120，通过速度传感器114检测密封菌型活塞速度，并将速度数据经过分析处理后得到磁流变液阻尼模块输出阻尼力，输出阻尼力作用于阻尼力密封菌型活塞，其中逐段线性信号源115定义磁流变励磁线圈通电电流，常量信号模块113配合可变阻尼模块111表示磁流变液阻尼机构粘滞阻尼力；高压气腔模块121，由质量属性块109以及机械弹簧阻尼块110组成，机械弹簧阻尼块110用于模拟高压气体容腔刚度及阻尼系数，质量属性块109用于定义密封菌型活塞质量；系统液压源模块122包括定量泵104、低压槽Ⅰ103、正弦信号源101及电机102，正弦信号源101用于定义系统流量脉动率及脉动频率，电机102及定量泵104定义液压系统额定流量；节流阀106的开度由液压系统工况决定，通过开度不同形成不同背压模拟系统额定工作压力大小；可变液压容腔105，表示抗沉降磁流变消振器的结构中容积可变的液压油腔；低压槽Ⅰ103及低压槽Ⅱ107，均表示液压系统中的油箱；力发生模块112、阈值开关117配合函数输入模块116表示磁流变液库伦阻尼力；模拟管路模块118，表示液压系统中液压管路。

结合上述抗沉降磁流变消振器消振工作过程及仿真模型，基于下述实例对搭建的仿真模型进行进一步仿真分析，验证所提出的一种用于高压液压管路系统的抗沉降磁流变消振器对压力脉动衰减效果。

实例一：

某液压系统的额定压力为25MPa，额定排量为18L/min，流量脉动率10％，要求抗沉降磁流变消振器最后能够衰减一定的压力脉动，达到消除压力脉动的效果，本次实施例中液压管路的内径为10mm，液压管路长度为1m。通过建模与仿真平台软件AMESim搭建基于质量-弹簧系统的多薄板振动式流体脉动衰减器模型。

仿真分析具体的实施过程如下：

S1、根据实际工作情况，对抗沉降磁流变消振器密封菌型活塞质量、充气腔气体压力及等效弹簧刚度、可变液压容腔105的容积、磁流变阻尼模块线圈通电大小进行设计，设定抗沉降磁流变消振器密封菌型活塞质量397g、充气腔气体压力20MPa，等效弹簧刚度1780N/mm、可变液压容腔105的容积0.25L、磁流变阻尼模块线圈通电大小0.5A。

S3、在AMESim软件(多学科领域复杂系统建模仿真平台)的草图模式下进行模型的搭建，在子模型模式下选择元件的合适子模型，在参数模式下依据前述确定参数设置各仿真单元结构参数。

S4、设定定量泵104额定排量为18L/min，设定节流阀106开口1.5mm以设定系统额定压力为25MPa，给定信号源101为正弦波形式其频率100Hz、幅值10％。

S5、设置空白对照模型，即除不含抗沉降磁流变消振器外的其他液压系统组件，初始条件与S3和S4一致，最后对两组模型的系统压力响应曲线及仿真结果进行分析。

根据上述仿真分析实施过程，对两组仿真模型进行分析仿真，得出液压系统的工作压力响应曲线如图8所示。可以看到在加入抗沉降磁流变消振器后，系统压力脉动得到了有效衰减，在开始仿真后经过短暂的瞬态变化后压力响应曲线马上趋于稳定，抗沉降磁流变消振器对于系统压力脉动具有明显的衰减抑制效果。

本发明提供的一种用于高压液压管路系统的抗沉降磁流变消振器50具有衰减频带宽、自适应性强、高集成度、稳定性好、适合高压液压管路等优点，将主动消振技术与被动消振技术相融合并通过DSP实时控制，大幅增加了抗沉降磁流变消振器50的有效振动衰减频宽，提高了抗沉降磁流变消振器50的振动衰减性能，并通过引入永磁体有效提升了抗沉降磁流变消振器的稳定性，解决了磁流变液静置发生沉降的问题。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种用于高压液压管路系统的抗沉降磁流变消振器，其特征在于，包括：

上端盖(1)，与缸体(7)的上端相连，上端盖(1)的内部开设有通孔，颈部开设有外螺纹，用于实现与外部流体系统连接；

下端盖(17)，与缸体(7)的下端相连；

缸体(7)，其上下两端分别与上端盖(1)和下端盖(17)之间进行紧固密封连接，上端盖(1)、下端盖(17)与缸体(7)之间形成内部空间，所述通孔的上下两侧分别与外部流体系统和该内部空间相连通；

所述内部空间内设置有磁流变液阻尼机构，所述磁流变液阻尼机构将所述内部空间从上至下分为油液容腔(31)、高压气体容腔(6)以及磁流变液腔(21)；磁流变液阻尼机构包括从上至下依次同心安装在所述缸体(7)内的密封菌型活塞(28)、密封固定活塞(24)、多孔阻尼块(23)以及密封活塞板(13)，所述密封菌型活塞(28)、多孔阻尼块(23)以及密封活塞板(13)构造成共同沿所述缸体(7)内壁轴向运动的固连结构；密封菌型活塞(28)与通孔之间的空间构成所述油液容腔(31)，密封菌型活塞(28)在外部流体系统输送至油液容腔(31)内的流体作用下进行轴向位移，并压缩高压气体容腔(6)内气体；密封菌型活塞(28)与密封固定活塞(24)之间形成高压气体容腔(6)；密封固定活塞(24)与密封活塞板(13)之间形成磁流变液腔(21)，多孔阻尼块(23)位于磁流变液腔(21)中；

所述内部空间内还设置有密封低压气体容腔(19)，其形成在密封活塞板(13)与下端盖(17)之间，所述密封活塞板(13)底部与低压气体容腔(19)接触，并能在磁流变液腔(21)内磁流变液的作用下压缩低压气体容腔(19)内的密封气体；

所述抗沉降磁流变消振器通过改变其高压气体容腔(6)内气体压力以适应不同压力的高压液压管路系统。

2.根据权利要求1所述的用于高压液压管路系统的抗沉降磁流变消振器，其特征在于，所述缸体(7)的上下两端分别设置有法兰盘Ⅰ(4)和法兰盘Ⅱ(14)，法兰盘Ⅰ(4)通过密封螺栓Ⅰ(2)与上端盖(1)紧固连接，法兰盘Ⅱ(14)通过密封螺栓Ⅱ(15)与下端盖(17)紧固连接；

所述焊接法兰Ⅰ与上端盖(1)之间设有密封垫圈Ⅰ(3)，缸体(7)与上端盖(1)之间形成密封连接；所述焊接法兰Ⅱ与下端盖(17)之间设有密封垫圈Ⅱ(18)，缸体(7)与下端盖(17)之间形成密封连接。

3.根据权利要求1或2所述的用于高压液压管路系统的抗沉降磁流变消振器，其特征在于，所述多孔阻尼块(23)上均布设置有若干细长孔；所述多孔阻尼块(23)与所述缸体(7)内壁之间设有固定磁流变液流隙；

所述多孔阻尼块(23)的外圆周面内嵌有磁励线圈。

4.根据权利要求3所述的用于高压液压管路系统的抗沉降磁流变消振器，其特征在于，所述缸体(7)内壁上固定设有若干永磁体(11)，分布在多孔阻尼块(23)的上下方，位于磁流变液腔(21)中，磁流变液中导磁颗粒在永磁体(11)磁场中有序排列；

所述若干永磁体(11)构成磁场较弱，该磁场不影响磁流变液阻尼力的产生情况。

5.根据权利要求1所述的用于高压液压管路系统的抗沉降磁流变消振器，其特征在于，所述密封菌型活塞(28)为菌型结构，其菌型面朝上设置，与外部流体系统输送的流体接触，将作用在其面上的流体压力进行均匀分布，减少应力集中。

6.根据权利要求1所述的用于高压液压管路系统的抗沉降磁流变消振器，其特征在于，所述磁流变液阻尼机构还包括若干周向均布的螺杆(26)，所述螺杆(26)的上下两端分别与所述密封菌型活塞(28)和多孔阻尼块(23)紧固连接，通过螺杆(26)实现密封菌型活塞(28)、多孔阻尼块(23)和密封活塞板(13)的共同往复轴向运动；

所述螺杆(26)的两端均加工有螺纹，螺杆(26)的两端通过螺纹连接的盖型螺母(30)实现与密封菌型活塞(28)和多孔阻尼块(23)的紧固连接；

所述螺杆(26)的中部光杆部分贯穿所述密封固定活塞(24)，并通过密封圈(25)与密封固定活塞(24)实现动密封配合；

所述螺杆(26)的上端设有限位凸缘(27)。

7.根据权利要求1所述的用于高压液压管路系统的抗沉降磁流变消振器，其特征在于，所述密封菌型活塞(28)通过O型密封圈Ⅰ(5)实现与缸体(7)内壁之间的动密封，所述密封固定活塞(24)通过O型密封圈Ⅱ(9)实现与缸体(7)内壁之间的静密封，所述密封活塞板(13)通过O型密封圈Ⅲ(20)实现与缸体(7)内壁之间的动密封，从而实现高压气体容腔(6)、磁流变液腔(21)以及低压气体容腔(19)的密封；高压气体容腔(6)的气体压力与系统额定工作压力相等，低压气体容腔(19)的气体压力与大气压相等。

8.根据权利要求3所述的用于高压液压管路系统的抗沉降磁流变消振器，其特征在于，所述高压气体容腔(6)对应的缸体(7)侧壁上设有用于给所述高压气体容腔(6)充放高压气体的充放气阀Ⅰ(8)；所述低压气体容腔(19)对应的下端盖(17)上设有给低压气体容腔(19)充放气的充放气阀Ⅱ(16)；

所述磁流变液腔(21)对应的缸体(7)侧壁上设有给所述磁流变液腔(21)注液以及排液的注液口和排液口，注液口处安装有注液口密封盖(10)，排液口处安装有排液口密封盖(12)；磁流变液通过注液口充入磁流变液腔(21)，在磁励线圈通电时产生磁场以改变磁流变液阻尼系数；励磁线圈(22)通电导线通过排液口密封盖(12)伸出与外界电流控制器进行连接；

所述缸体(7)内壁还设置有挡环(29)，用于限制密封菌型活塞(28)初始位置。

9.根据权利要求1所述的用于高压液压管路系统的抗沉降磁流变消振器，其特征在于，所述抗沉降磁流变消振器采用DSP控制，根据管路检测传感器的输入信号为基础输出控制信号，在线实时改变磁流变液励磁线圈(22)电流，使抗沉降磁流变消振器对管路工况做出实时响应，自动调节消振器消振阻尼，实现动态控制以实现对于压力脉动冲击的衰减吸收。

10.一种如权利要求1-9任意一项权利要求所述的用于高压液压管路系统的抗沉降磁流变消振器的工作过程，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、外部流体流经上端盖(1)后，在流体系统未产生流体压力脉动和压力冲击作用状态下，密封菌型活塞将在流体作用下发生轴向位移，压缩高压气体容腔(6)内气体；

步骤二、当管路系统发生流体压力脉动和压力冲击作用时，流体作用于密封菌型活塞的菌型面而使其产生反复轴向运动，密封菌型活塞(28)压缩高压气体容腔(6)中的高压气体，将脉动以及冲击能量转化为气体的内能；同时，与密封菌型活塞(28)固连的多孔阻尼块(23)沿缸体(7)进行轴向运动，将使磁流变液腔(21)内的磁流变液通过多孔阻尼块(23)与缸体(7)内壁之间固定环形间隙流道以及流过多孔阻尼块(23)上分布的细长孔，由于多孔阻尼块(23)在运动时受到磁流变液产生的粘滞阻尼力影响也将耗散掉流体脉动以及冲击能量；

步骤三、DSP控制系统通过接受管路中传感器的检测信号，然后输出信号到电流控制器在线实时改变励磁线圈(22)电流，对管路工况做出实时响应，自动调节磁流变液阻尼系数，实现动态控制；

步骤四、在工作过程中，密封活塞板(13)也沿缸体(7)内壁轴向运动，其压缩低压气体容腔(19)内气体以补充因螺杆(26)伸入而需增加的磁流变液腔(21)容积；

步骤五、经过多重的能量吸收转化以及耗散作用，消振器有效的将液压脉动以及冲击能量转化为气体的内能以及磁流变液的能量，进而实现对于液压管路系统中液压脉动以及冲击导致的管路振动的衰减，有效提高抗沉降磁流变消振器的振动衰减性能；同时利用永磁体(11)，使磁流变液中的导磁颗粒在永磁体(11)磁场中长期保持有序排列，有效避免因消振器闲置导致的磁流变液导磁颗粒产生的沉降现象。

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