薄板振动式广谱流体脉动衰减器实验研究

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随着液压技术向高速、高压、大功率方向发展，液压系统中的振动与噪声成为阻碍液压技术发展的重要因素之-l1j，然而液压系统中流体脉动的抑制-直是- 个未得到很好解决的技术难题。为了抑制这种流体脉动，人们研制了各种不同的流体脉动衰减器，如赫姆霍兹消声器 J、旁支共鸣器 J、多腔共鸣器4 J、多孔同心消声器 等。实践证明，加装各种流体脉动衰减器对减小系统的输入阻抗和增加对压力脉动的衰减和吸收都有较好的作用 。但是这些脉动衰减器因受脉动衰减机制限制，频度选择性很强，频带窄，同时因体积结构庞大安装的空间受限，因此在工程应用中迫切需要-种新的液压滤波消声结构，需满足以下要求：①高效滤波，频率范围能覆盖工程液压系统主要脉动频率段，滤波装置通用性强；② 结构紧凑、体积小，安装布置尽量不受空间限制；③ 可靠性高和低成本 。

2001年，J.Mikotal等人设计了-款结构振动式液压系统压力脉动衰减器 J。该脉动衰减器是在液压系统的管路中旁接-个容腔，容腔中设置-个活塞式振动质量块。其作用机理类似于有阻尼的振动吸振器，通过共振容腔中活塞、弹簧和油液环境形成-个单自由度机械振动系统，当附加弹簧-质量”系统的固有频率与激励力频率相同时，产生反共振现象，从而消除主系统的振动。因这种滤波器采用质量.弹簧”结构，如果要设计成多个共振频率的系统，则结构复杂，体积庞大，难以在实际应用中推广。

为此，我们设计-种结构简单、灵巧的卞振动式脉动衰减器，用弹性卞代替结构振动式脉动衰减器中的质量弹簧”组件 J。通过设计多个振动子系统，各子系统的谐振频率相互错开，滤波器工况范围得到大幅提高，弥补了常规抗性滤波器滤波频带窄及受工况影响大的技术缺陷。该脉动衰减器已获国家发明专利E9]。

为了验证卞振动式脉动衰减器的滤波消声效果，我们对采用单个卞的液压脉动衰减器进行了理论和实验研究，研究表明卞振动式脉动衰减器与采用流体谐振的赫姆赫兹谐振器相比，滤波频带及衰减效果明显提高 。

收稿Et期：2012-12-21基金项目：国家 自然科学基金项 目(51275059)；国家科技支撑计划项目(2012BAF02B01)作者简介：贺尚红(1965-)，男，湖南长沙人，教授，博士，研究方向：流体传动与控制、机电液系统建模与仿真。

2013年第6期 液压与气动 25本文在文献[7]的研究基础上，对我们所发明的弹性卞振动式广谱流体脉动衰减器进行仿真及实验研究。

1 卞振动式流体脉动衰减原理文献[7]中提出-种单膜片式滤波器，在此基础上，提出了-种多 自由度卞振动式流体滤波器结构 J。多 自由度卞振动式脉动衰减器的原理如图 1所示，主要包括壳体、固定板及弹性卞。多个不同半径、厚度均匀的弹性卞固定在刚性板上，板后共振容腔通过静压平衡孔与主通道相通，使腔内外静压平衡。

该静压平衡孔同时也是阻尼孔，为了保证合适的阻尼作用，在实际结构中，开设在内芯上。

弹性卞位于主油路和共振容腔之间，双边载流，使得弹性卞在振动时与流体发生耦合作用，产生附加质量，形成-个质量.弹簧.阻尼”吸振系统。合理设计吸振系统参数，使其在液压脉动作用下工作在反共振状态，就可以完全吸收主通道的液压脉动。选择不同参数的弹性卞就可吸收多个频率的液压脉动，如果在-比较宽的频率范围内设计多个吸振子系统，就可以达到广谱滤波的效果。因采用弹性卞代替了文献[8]的结构振动式流体滤波器中的集中质量和弹簧，使得该流体滤波器具有结构简单、体积孝重量轻等优点。

入 口图1 多卞式广谱流体脉动衰减器原理图2 卞振动式脉动衰减器特性仿真考虑到目前液压系统压力脉动衰减频率特性的评价方法还不统-，本文用插入损失评价脉动衰减器的衰减性能。插入损失是指液压系统在加入脉动衰减器前负载端的压力脉动与加入脉动衰减器后负载端的压力脉动的比值，即：2吨I委萎 嚣 I㈩本文仿真时先用未安装滤波器前的管道模型，进行第-组仿真，改变人口的压力脉动频率，分别进行仿真，得到不同压力脉动频率下未安装滤波器时负载端压力脉动信号。再对装入脉动衰减器的系统进行第二组仿真计算，得到不同压力脉动频率下安装滤波器后负载端压力脉动信号。在保证各仿真参数不变的情况下，只改变入口压力脉动频率进行仿真分析，脉动频率范围为50-500 Hz，每隔50 Hz做-次仿真。对监测点压力脉动信号进行 F丌'分析，得到压力脉动频域信号，用公式(1)得到滤波器的衰减特性曲线。

2.1 脉动衰减器有限元模型流固耦合是流体力学 (CFD)与固体力学(CSM)交叉而生成的-门力学分支，它可以研究可变形固体在流体作用下的各种行为及 固体变形对流体的影响1 。由于本文的流体脉动衰减器是由弹性卞和流体耦合形成的受迫振动系统，所以做双向流固耦合仿真很有必要，本文采用 ANSYS Workbench的流固耦合分离解法来分析流体脉动衰减器的滤波特性，将脉动衰减器的有限元几何参数设置如图2及表 1所示。

图2 模型参数设置表 1 仿真参数设置端几何参数 符号 数值管道内径 d1 14 mm膜片半径 20 mm、30 mm、40 mm膜片厚度 0.O5 mm主容腔 1 1oo mL平衡容腔 300 mL入口管道 l 10o mm出口管道 2 100 mm监测点位置 距出口50 mm脉动衰减器的固体部分的有限元模型主要是三块弹性圆卞，其他部分(脉动衰减器壳体部分)的变形对结果的影响不大，只需在建立流体模型后，在流体模型的边界设置刚性的壁面边界条件即可，无需再单独建立模型。

由于模型比较复杂，所以采用 Pro/e对流体脉动衰减器进行简化建模，保留对脉动衰减器衰减特性起关键作用的因素，忽略对衰减特性影响很小的因素，画出流体及固体简化模型，并进行装配，然后将模型采用2013年第6期 液压与气动 27MPa，测试对应转速下安装流体脉动衰减器时管路负载端的压力脉动信号。

实验测试结束后，将两组压力脉动时域信号进行频域分析，得到不同转速下两组实验的压力脉动基频所对应的脉动幅值，并使用式(1)计算脉动衰减器的插人损失。图7为脉动衰减器出口监测点插入损失的实验结果和仿真数据的对比曲线。

30凸 252015-0图7 脉动衰减器衰减对比曲线图8是未装和加装脉动衰减器出口监测点的压力脉动信号对比图，其脉动消除是明显的。

-150085705540251O958O60 0 10.O 20.0 30.0 40.050.0 60.070.0 85.29时间/msa)压力脉动时域信号对比80 150 200 250300 350 400450500 560频率/Hzb)压力脉动频域信号对比1.未安装脉动衰减器 2.安装脉动衰减器图8 泵转速 900 r/rain时脉动衰减出口压力脉动信号对比分析图7及图8，可得如下结果 ：(1)在相同的系统压力以及负载条件下，样机的实验分析结果与仿真结果的趋势基本-致，由于仿真中存在着各种干扰因素，仿真数据出现些偏差，但是这些偏差基本可以接受。所以双向流固耦合仿真为流体脉动衰减器提供了-种可行的研究手段。

(2)所研制的多自由度卞振动液压脉动衰减器在50～500 Hz的频率范围内，插入损失达 10 dB以上，说明流体衰减器能够在较宽的频率段内系统的脉动引起了半径不同膜片的振动，且振动幅值较大，从而衰减了系统中压力脉动幅值。

4 结论(1)设计了-种多卞广谱流体脉动衰减器结构，将流体振动控制问题转化成多个弹性薄片结构振动控制问题，实现了广频滤波，为液压系统振动控制提供了新的手段。

(2)实验与仿真结果的对比分析表明，双向流固耦合分析可用于流体脉动衰减器的衰减频率特性分析，并可以用于指导流体脉动衰减器的设计及优化。

(3)脉动衰减器的衰减特性实验结果表明其对脉动衰减有很好的效果，能够实现广谱流体脉动衰减，通过改变脉动衰减器的主要结构参数和卞的数量能够实现脉动衰减器共振频率的调节，从而可以按设计者要求设计滤波频率范围和各固有频率，实现良好的流体脉动衰减效果，为流体脉动抑制技术提供了-种新的模式。