并联式四薄板液压脉动衰减器工作原理及实验研究

周知进 戴哲冰 何 星

（湖南科技大学 机电工程学院，湘潭411201）

并联式四薄板液压脉动衰减器工作原理及实验研究

周知进 戴哲冰 何 星

（湖南科技大学 机电工程学院，湘潭411201）

本文设计制造了一种四薄板并联的液压脉动衰减器，分析它的工作原理和固有频率，利用ANSYS Workbench对其进行仿真分析，最后通过实验测试脉动衰减器的衰减性能。

液压脉动衰减器 频率特性 实验研究

引言

液压系统的压力脉动是由流量脉动遇到系统阻抗后产生的[1]。液压泵是液压系统中产生流量脉动的最主要根源。因此，针对液压泵实施有效措施可以衰减脉动。通常，可以在液压泵的出口安装液压脉动衰减器。实践证明，此措施可以有效衰减和吸收压力脉动。液压脉动衰减器的研究与开发主要经历了三代产品。第一代产品是阻尼式脉动衰减器和并联蓄能器式，第二代以抗性脉动衰减器为主，第三代则以串联蓄能器式和主动式为主。第二代和第三代产品目前在市场中可以见到。传统结构振动式脉动衰减器体积大，衰减频率范围小，因此存在很大局限性。

本文提出一种四薄板并联液压脉动衰减器。首先计算载流薄板的固有频率，然后通过ANSYS Workbench仿真分析液压脉动衰减器的衰减特性，最后通过实验研究分析该衰减器的衰减特性。

1 固有频率的计算

本文研究的是一种新型的四薄板并联液压脉动衰减器，其原理图、等效模型和在液压系统中的安装示意图如图1所示。

图1 衰减器原理图

四薄板是本文研究的基础。由于四振动薄板和液压油相互之间的耦合作用，由此产生在液压系统中的脉动压力就会作用在四薄板上，从而引起四薄板的振动产生形变，而四薄板的振动和形变又引起液压油的流量和压力脉动的变化。

液压油在液压系统中会产生一定的脉动压力，从而引起四薄板的受迫振动。四周固定弹性薄板对应各个谐振频率无量纲振动位移函数为：

经过计算，最终得出当载流薄板阻抗最小时：

本文在SolidWorks中建立流体模型，导入FLUNET，对薄板进行三阶模态分析，如图2所示。最后，求出薄板的固有频率，从而为宽频液压脉动衰减器提供理论要求。表1是厚度为0.1mm的弹性薄板的载流频率。

图2 薄板前三阶流固耦合模态振型（D=35m m）

表1 厚度为0.1m m的弹性薄板的载流频率

2 液压脉动衰减器的AN SYS W orkbench仿真模型

本文使用ANSYS Workbench进行双向流固耦合分析。其中，本文液压脉动衰减器的三维模型在SolidWorks软件中建立，然后倒入ANSYS Workbench进行仿真分析。

2.1 边界条件

本文根据实验中压力脉动量设置入口边界条件P（t）由下式给出：

P(t)=P0+Ptsin(2πfpgt)

其中，P0为稳态压力幅值，设置为6MPa；Pt为液压脉动幅值，设置为0.1MPa。于是，得到仿真模型的边界图，如图3所示。

图3 衰减器边界图

2.2 对比求解

建立一个未安装脉动衰减器的管路模型进行对比求解，如图4所示。

图4 对比直管道模型图

2.3 仿真结果分析

将其他条件设置一样，仿真模型中的薄板直径设置为单薄板D=20mm，D=25mm，D=30mm，D=35mm以及四个薄板并联，得到仿真结果；然后使用插入损失的方法，计算得到脉动衰减的结果，再拟合成衰减特性曲线。

在外界条件一致情况下，薄板直不同的液压脉动衰减器的滤波特性的曲线衰减峰值也不同。当液压油买定的频率与薄板发生谐振时，就会产生液压油脉动的能量损失，从而达到衰减此频率脉动峰值的目的。根据前面对薄板固有频率的分析，可以发现四条衰减曲线的峰值基本出现在薄板的一阶固有频率附近，也就验证了该脉动衰减器设计原理的正确性。对比四薄板并联脉动衰减器频率特性与每个单薄板，四薄板脉动衰减器的衰减曲线有四个波峰，即四个共振频率。而单薄板只有一个，单薄板曲线的波峰对应的频率值在100Hz左右，这与计算薄板固有频率值相符合。另一方面，四薄板的波峰对应的频率与前文所计算所得四个频率值不是很相符。因为系统在同一个共振容腔内，当薄板与管道中的液压油产生共振时，彼此都产生了影响。这就说明四个薄板的并联作用不完全是薄板之间简单的线性组合。

3 结论

本文利用ANSYS Workbench双向流固耦合对四薄板并联式液压脉动衰减器进行双向流固耦合仿真，分析脉动衰减器的脉动衰减的频率特性，并制造实验样机对其进行相关的实验研究，得到以下结论：

（1）计算薄板的固有频率，并利用ANSYS Workbench对衰减器建立仿真模型。结果表明，该脉动衰减器衰减频率与计算值相符，验证了仿真的可行性。

（2）选择多个不同尺寸的薄板进行分析，能够实现较宽频率范围的滤波效果。改变薄板半径可以实现器衰减特性的改变，厚度和半径不同的薄板都对应着不同的衰减频率。

（3）实验与仿真结果对比分析表明，该脉动衰减器在较宽的频率范围内有较好的衰减效果。

[1]马吉恩.轴向柱塞泵流量脉动及配流盘优化设计研究[D].杭州：浙江大学，2009.

Working Principle and Experimental Study on the Hydraulic Pulsation Attenuator of Four Parallel Plates

ZHOU Zhijin,DAI Zhebing,HE Xing
(College of mechanical and electrical engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201)

Design and manufacture the a four sheet is connected in parallel with the hydraulic pressure pulsation attenuator, analysis it's principle and the inherent frequency, then use ANSYS Workbench is used to simulate and analyze the, finally through experimental test pulsation attenuator attenuation performance.

hydraulic pulsation attenuator, frequency characteristic, experimental study

国家自然科学基金项目“深海采矿机械液压系统非线性耦合振动机理及可靠性研究”（51179073）。