1. 引言
在液压系统中,由于泵的结构原因产生的脉动体积流量沿管路传输时,遇到系统阻抗就转变成为压力脉动 [1]。为了衰减这种脉动,人们研究开发了品种繁多的各式液压滤波器 [2]。
通过应用实践表明,各种流体滤波器的安装,对减小泵的负载阻抗,增加对液压系统脉动压力衰减和抑制均具有明显的效果 [3]。其中流–固耦合共振式流体滤波器结构振动式流体滤波器以其结构简单、系统能量损失小、使用效果显著等优点值得重点关注 [4]。它能将流体脉动能量转化为机械振动能量来控制和衰减,在较宽的频段范围内具有良好使用要求。
2. 流–固耦合共振式流体滤波器简介
流–固耦合共振式流体滤波器的结构原理如图1所示,主要利用结构在脉动压力下的位移或变形来吸收脉动能量。当脉动频率与结构固有频率接近或相等时,结构发生共振,振幅和振动速度都达到最大值,吸收的脉动能量也最高,衰减效果最好 [5]。其结构由滤波器外壳、弹性结构振动体、静压平衡容腔、阻尼平衡孔等组成。特点是将质量体和阻尼集中在一个尺寸紧凑的弹性结构振动体上,减小了滤波器的尺寸。此外,弹性结构振动体的共振频率范围较大,使之能适合于流体系统中的不同工况,适用性更强。
工作时,假设周期性脉动压力持续作用在结构振动体上,振动系统则按脉动压力做周期振动,所以该流–固耦合振动系统可以看作是一个受迫振动系统 [6]。不断作上下往复运动的受迫振动弹性结构振动体不断消耗流体脉动能量,以此实现滤波效果。当流体系统的脉动激励频率与滤波器弹性结构振动体振动系统的固有振动频率接近或一致时,结构振动体振动幅度达到最大,消耗的能量最大,因此衰减滤波效果最好。但根据研究结果表明,结构振动式流体滤波器同样具有频率选择性,只在一定频率范围内适用 [7]。因此,如果在滤波器中设置不同结构尺寸的弹性结构振动体,就可以在很宽的频段内衰减不同振动频率的流体脉动,实现广谱滤波效果。为研究方便,本文首先只对某一特定结构的弹性结构振动体振动系统进行流固耦合研究。
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Figure 1. Schematic diagram of fluid-solid coupling resonant fluid filter
图1. 流–固耦合共振式流体滤波器原理图
3. 结构参数对滤波器性能的影响探讨
在评价滤波器的使用性能时,计算插入损失是常用方法,一般设滤波器前系统负载端的压力脉动值为
,滤波器后系统负载端的压力脉动值为
,则插入损失为
可表示为:
(1)
为系统压力脉动衰减的分贝数,其计算既考虑了系统管路和滤波器本身特性,也考虑了系统中源阻抗和负载阻抗的影响。文献 [3] 给出
的计算公式为:
(2)
此处,
、
、
、
、
,式中
为流固耦合共振角频率,rad/s;
为阻尼系数;R2、R3为等效流体管路单位长度的
液阻;l2、l3为等效流体管路单位长度的液感;
为等效钢直管直径,
为等效钢直管长度。
为滤波器负载导纳,式中c为声速。由上式可知,插入损失为
滤波器的结构尺寸、阻尼因子、边界条件等密切相关 [8]。
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Table 1. Basic parameters of filter design and simulation analysis
表1. 滤波器设计及仿真分析的基本参数
参照表1滤波器设计及仿真分析的基本参数,我们分别对滤波器弹性结构振动体的薄板直径及厚度、阻尼平衡孔直径及长度、静压平衡容腔体积等参数进行了仿真分析,确定了以上结构尺寸分别对耦合共振频率的影响,结果如图2~6所示。
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Figure 2. Relationship between sheet radius and filter coupling resonance frequency
图2. 薄板半径与滤波器耦合共振频率的关系
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Figure 3. Relationship between sheet thickness and filter coupling resonance frequency
图3. 薄板厚度与滤波器耦合共振频率的关系
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Figure 4. Relationship between diameter of damping hole and filter coupling resonance frequency
图4. 阻尼孔直径与滤波器耦合共振频率的关系
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Figure 5. Relationship between the length of damping hole and filter coupling resonance frequency
图5. 阻尼孔长度与滤波器耦合共振频率的关系
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Figure 6. Relationship between resonant cavity volume and filter coupling resonance frequency
图6. 共振容腔体积与滤波器耦合共振频率的关系
图2为薄板半径的变化对滤波器耦合共振频率及衰减效果的影响关系曲线图。图中结果表明,随着薄板半径的减小,其自身质量减轻,振动耗能减少,因此耦合共振频率增大,对流体脉动衰减效果也有所减弱。
图3为薄板厚度的变化对滤波器耦合共振频率及衰减效果的影响关系曲线图。图示表明,滤波器耦合共振频率随着载流薄板厚度的增加而增大,同时对流体脉动的抑制效果也有所转好。
图4为阻尼孔直径的变化对滤波器耦合共振频率及衰减效果的影响关系曲线图。随着阻尼孔直径的变小,在耦合共振频率也随之降低的同时,滤波器的衰减效果也显著减弱。这是由于阻尼孔直径过小时,与静压平衡容腔的连通性能也显著降低,阻尼力增大,影响了滤波器的使用性能。
图5为阻尼孔长度的变化对滤波器耦合共振频率及衰减效果的影响关系曲线图。结果显示随阻尼孔长度的增长,流体通过时的阻尼力也会相应增大,因而耦合共振频率降低,滤波器的衰减效果减弱。
图6为共振容腔体积的变化对滤波器耦合共振频率及衰减效果的影响关系曲线图。随着共振容腔的体积增大,容腔的容振性能更好,因此滤波器耦合共振频率增加,脉动衰减效果越好,但会加大滤波器的结构体积。
针对仿真优化结果,本文设计了一款流–固耦合共振式流体滤波器,其主要结构参数如表2所示,滤波器插入损失仿真结果如图7所示。
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Table 2. The main structure parameters of filter
表2. 滤波器主要结构参数
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Figure 7. Simulation results of insertion loss of filter prototype
图7. 滤波器样机插入损失仿真结果
仿真结果表明,在脉动频率178 Hz左右,系统形成耦合共振,压力脉动衰减达到最佳效果,其值可达到41 dB,在128~228 Hz范围内,压力脉动衰减值也能达到10 dB以上。
4. 流–固耦合共振式流体滤波器试验验证
试验测试原理如图8所示。试验时,首先将研制好的滤波器安装到试验台架;然后调定系统的工作压力,用节流加载模拟设备工作负荷;其三是通过变频调速电机调整液压泵转速,计算出其相应的流体脉动频率;其四是采集滤波器前后的压力时域信号p1及p2并进行噪声信号处理 [9];最后将信号经时域及频域分析,得出滤波器对流体脉动衰减的效果。
依照试验方案,我们设计的流–固耦合共振式流体滤波器的固有振动频率约为175 Hz。在试验台上分别调定液压泵转速为1200 r/min和1500 r/min,计算得到泵的压力脉动基频为180 Hz和225 Hz,试验采集的时域信号经去噪后的结果如图9和图10所示:
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Figure 8. The schematic diagram of fluid pulsation signal test
图8. 流体脉动信号测试原理图
1. 滤波器入口压力p1;2. 滤波器出口压力p2
Figure 9. Time domain signal diagram of filter inlet pressure p1 and outlet pressure p2 at pump speed of 1200 r/min
图9. 泵转速1200 r/min时滤波器入口压力p1及出口压力p2时域信号图
1. 滤波器入口压力p1;2. 滤波器出口压力p2
Figure 10. Time domain signal diagram of filter inlet pressure p1 and outlet pressure p2 at pump speed of 1500 r/min
图10. 泵转速1500 r/min时滤波器入口压力p1及出口压力p2时域信号图
图中,1为滤波器入口的压力时域曲线,2为滤波器出口的压力时域曲线。图示结果明显看出,与入口压力时域曲线相比,出口的时域曲线波动幅度小,平缓,并且压力值有所降低。图9中,压力脉动波动范围由滤波前的1.34 MPa降到了0.74 MPa,压力脉动衰减幅度达到44.8%,图10中,压力脉动波动范围由滤波前的1.12 MPa降到了0.80 MPa,压力脉动衰减幅度达到28.6%。系统的脉动压力经过滤波器衰减后,得到明显改善。此外,试验结果还表明,当泵的压力脉动基频与滤波器的固有振动频率越接近,压力脉动抑制效果越好,这与图7仿真结论基本一致。
5. 结论
本文设计了一种流–固耦合共振式液压滤波器,并通过仿真和试验测试对其使用效果进行了验证,结果表明:
1) 薄板半径的减小能增大滤波器的耦合共振频率,但对流体脉动衰减效果将减弱;相反,增加薄板厚度将降低滤波器的耦合共振频率,同时对流体脉动的抑制效果也有所转好。
2) 阻尼孔阻尼力增大会降低滤波器的耦合共振频率,其滤波效果也显著减弱。
3) 随着共振容腔的体积增大,容腔的容振性能更好,因此滤波器耦合共振频率增加,脉动衰减效果越好,但会加大滤波器的结构体积。
4) 当泵的压力脉动基频与振动体固有振动频率接近时,压力脉动衰减幅度达到44.8%;在泵的压力脉动基频与振动体固有振动频率相差50 Hz的情况下,压力脉动衰减幅度仍达到了28.6%,显示该滤波器对压力脉动良好的抑制效果,并且具有较宽的频段适应性,具备开发应用价值。
基金项目
国家级大学生创新创业训练计划项目(201910536019);长沙理工大学科研助推计划项目( 2019QJCZ029)。