多膜片液压脉动衰减器衰减特性研究

2020-06-30熊宇维

湖南工业职业技术学院学报 2020年2期

熊宇维，龙波

（1.湖南工业职业技术学院机械工程学院，湖南长沙，410208；2.中联重科，湖南长沙，410000）

引言

液压传动技术由于其重量轻、工作稳定等优点而得到了广泛应用；并且液压传动与电气传动相比，液压传动还具有制动迅速，可实现无级调速的优点[1]。但是随着液压技术向高速、高压和大功率方向发展，液压系统中的振动与噪声已成为了妨碍液压技术进步的重要因素之一[2]。因此，研究消除液压系统中振动的方法对液压技术的发展具有十分重大的意义。

国内外在液压系统振动衰减方法的研究重点非常广泛，其中采用脉动衰减器对液压管路中的脉冲、振动进行滤波和吸收是研究方向之一。2001年，奥地利林茨约翰开普勒大学设计了一款结构振动式液压系统压力脉动衰减器[3]。该脉动衰减器是在液压系统的管路中旁接一个容腔，容腔中设置一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一个单自由度机械振动系统，当附加“质量-弹簧”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。但该脉冲衰减器衰减液压振动的频率单一，无法适用多频的脉冲衰减。

如果能设计一种结构简单、灵巧的多自由度机械谐振机构，在较宽频率范围内的流体脉动都可以对应与之谐振的吸振系统，将流体脉动最大限度地转换成机械振动，再通过内部阻尼消耗振动能量，则可获得广谱高效的流体脉动抑制效果，其应用工况将大大拓宽。

为此，需要研究弹性膜片结构的滤波特性，设计一种结构紧凑的多膜片液压脉动衰减器。通过不同长度规格的膜片的“质量-弹簧”结构形成不同滤波频率的液压脉冲吸振系统，适用多个脉冲频率的液压振动，从而实现多频滤波。

1 衰减特性分析方法

在液压系统中有多种影响着流体脉动衰减的滤波特性，其中不同原理的衰减器和结构尺寸的改变对衰减特性的影响尤为突出。而如何评价一款衰减器性能的好坏，现在还没有具体统一的标准，而目前常用的方法有：压力脉动衰减率法、脉动衰减率法、插入损失法以及传递损失法[4-6]。

压力脉动衰减率法只能够反映衰减器前的衰减特性，而不能够反映衰减器负载端的衰减特性。传递损失法只反映了脉动衰减器安装前和安装后的压力脉动，所以用这个方法只能得到衰减器本身的传递效果，在理论分析中常用到该方法。而插入损失法IL 快速直观地反映了衰减器在液压系统中的衰减效果，不仅将衰减器在整个系统的作用考虑进来，同时也考虑了其他方面的因素如源阻抗、系统的负载阻抗等，所以一般情况下通常采用插入损失法来对脉动衰减器的衰减效果进行判断。

插入损失是在液压系统中距液压泵一定距离的同一测量点处，测量安装了脉动衰减器前后声压级之差，则压力脉动衰减分贝值D 为在同一负载端测量了未安装脉动衰减器的压力脉动与已安装脉动衰减器的压力脉动之比，即：

2 多膜片液压脉动衰减器衰减特性分析

多膜片脉动衰减器的工作原理是通过多膜片与压力脉动产生共振来抑制液压系统中的振动，同时多膜片液压脉动衰减器的容腔具有一定的体积，因此可将多膜片脉动衰减器模型主要看成是由直管道、管道容腔等单元构成。采用频率法中的分布参数法来分析多膜片液压脉动衰减器的衰减性能。由文献[7]可知直管道A 和管道容腔B 的传递矩阵分别为：

在多膜片液压脉动衰减器中膜片是由多个膜片并联而成，根据单个膜片在压力脉动P 下的振动位移推导出它的传递矩阵[8-9]为：

为了分析多薄板液压脉冲衰减器的衰减特性，将安装了多膜片液压脉动衰减器的液压系统简化为图1，采用插入损失来仿真计算动态阻抗分别在直管道+节流负载和直管道时的衰减特性。

图1 液压系统管道负载结构示意图

图1 中，A、B 段分别是长度为L1、L2 的钢直管，C 部分是安装的多膜片液压脉动衰减器，D 部分为终端动态阻抗，即“长度L4 的钢直管+ 节流负载”。分别为安装了脉动衰减器时泵出口处的压力脉动和流量脉动分别为经过了脉动衰减器后的压力脉动和流量脉动，它的传递矩阵则为：

设：

由基本管道动特性可知节流孔阻抗表达式为：

因此压力脉动衰减器的负载导纳为：

则有：

设：

则有：

采用以插入损失法为基础的压力脉动衰减分贝数来对液压系统压力脉动衰减器的衰减特性进行评价。计算公式为：

因此：

按照上述插入损失法，对固定多个矩形弹性膜片的脉动衰减器，负载为钢直管节流负载的情况下进行衰减特性分析，取薄板大小分别为10×30mm、10×23mm、10×20mm、10×15mm，厚度均为0.05mm，上述脉动衰减器仿真性能公式中需要用的基本参数如表1 所示。

表1 仿真基本参数

3 结构参数对多膜片液压脉动衰减器性能的影响

对脉动衰减器性能的影响有很多因素，而其中主要有膜片大小、厚度，共振容腔的体积。为了使脉动衰减器设计时选择的参数更加合理，将在负载为直管道节流负载的情况下结合这些参数的改变，得出其变化对衰减效果的影响，为接下来的样机设计提供理论基础。

3.1 膜片的厚度对脉动衰减器性能的影响

图2 不同厚度对脉动衰减器衰减特性影响

运用插入损失法，在其他参数不改变的情况下，得出厚度分别为0.05mm 和0.1mm 情况下的衰减效果，如图2 所示。从图中可以得出，由于薄板的厚度不一样其相应的固有频率也有所改变，因此产生的共振频率点也不相同，但从曲线可以得出膜片较薄的衰减的效果要好。

3.2 共振容腔大小对脉动衰减器的衰减性能影响

由图3 可知，容积V=0.2L 的衰减效果要优于容积V=0.02L 的。但主容腔的大小对整个液压系统的滤波性能的影响不大。由于衰减器的体积过大会影响整个系统的精度和刚度，因此在设计衰减器时，在保证具有较好的滤波效果的前提下，尽量选择较小的共振容腔的尺寸。

图3 不同容积对脉动衰减器衰减特性影响

4 负载及安装位置对衰减性能的影响

上述内容只针对液压系统中动态阻抗为节流负载情况下，脉动衰减器自身结构的改变对衰减效果的影响进行分析，并未考虑负载情况的不同、安装位置的不一样对衰减效果的影响，因此还需结合负载、安装位置的改变来全面考虑脉动衰减器的滤波特性。

4.1 负载的影响

将多薄板液压脉动衰减器模型在节流负载和不带节流负载情况下的数学仿真分析结果进行对比，如图4 所示。

图4 负载对衰减特性的影响对比曲线

由图4 可知，在动态阻抗不相同的情况下，加入了多膜片液压脉动衰减器后都能够有一定的衰减效果。在节流负载的情况下，多膜片脉动衰减器衰减特性曲线相对于不带节流负载情况更加平滑，压力脉动衰减特性的峰值较低；不带节流负载的脉动衰减特性曲线在120Hz，220Hz，300Hz，550Hz 等多个频率点左右具有较大的尖峰，但带有节流负载的脉动衰减特性曲线在各频率处的尖峰均有所削弱，特别是不带节流负载的模型的脉动衰减特性曲线在70Hz 和880Hz 处的压力脉动的存在放大现象，但带有节流负载的模型其衰减特性曲线得到了明显的改善。

在系统流量恒定的情况下，节流负载的压力损失大小对系统的压力值有一定的影响，因此分析节流负载大小对脉动衰减器的衰减特性影响的是必要的。在系统其他参数均一致的情况下，节流阀压力差分别为2.5MPa 和7MPa 的衰减特性，通过数学仿真得到的不同频率点的脉动衰减分贝数进行曲线拟合，得到在不同节流压差的情况下的衰减特性对比曲线如图5 所示。

图5 不同节流压差的衰减特性曲线对比

由图5 可知，节流压差的大小对脉动衰减器的衰减特性的影响比较显著。节流压差小也就是压力损失较小，400Hz 以上的中频段压力脉动衰减效果比较好，但在100-300Hz 的低频部分的衰减效果有削弱的现象，有些频段甚至出现了压力脉动放大的现象。因此，在设计脉动衰减器时应注意节流压差的大小，这将会影响脉动衰减器的衰减效果。

4.2 安装位置的影响

（1）脉动衰减器前直管道L1 长度的影响

在仿生式液压脉动衰减器其他结构参数一样，但前直管道L1 长度分为0.175m 和1.75m，即仿生式液压脉动衰减器与液压脉动源的距离，仿真曲线对比如图6 所示。

由图6 可知，不同长度的前直管道对脉动衰减器的衰减效果的影响很显著。前直管为0.175m的衰减特性曲线中有5 个波峰和2 个波谷，而前直管道为1.75m 的衰减特性曲线中，其波峰明显增多，并在某些频段其衰减效果要优于前直管为0.175m 的。但是过长的前直管，将会引起设计频率范围内出现过多的衰减特性峰值，不能够准确的控制和分析该脉动衰减器的衰减特性，并且在这部分过长的前直管道中，管道中的压力脉动不能得到合理控制。