單長吉，徐楠

(昭通學(xué)院物理系，云南昭通657000)

隨著液壓技術(shù)的蓬勃發(fā)展，高壓化成為發(fā)展趨勢。實(shí)際中，由于泵本身結(jié)構(gòu)的原因，如剛性問題、搭配不合理等會(huì)產(chǎn)生噪聲[1]。因此，如何最大程度衰減流體噪聲成為一個(gè)研究課題。液壓消音器是一種讓流體通過液壓系統(tǒng)時(shí)，使流體噪聲衰減的裝置。目前對(duì)液壓消音器的研究，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:數(shù)學(xué)建模[2－3]和流體解析[4－5]。數(shù)學(xué)建模主要從理論上解決液壓消音器的結(jié)構(gòu)問題;CFD 流體解析主要解決觀測液壓消音器流場問題。

作者針對(duì)液壓消音器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況，提出液壓消音器的實(shí)驗(yàn)方案，并探討出實(shí)驗(yàn)的分析方法。

1 液壓消音器的實(shí)驗(yàn)方案

迄今為止，針對(duì)液壓消音器結(jié)構(gòu)性能及其參與系統(tǒng)工作情況的分析，已經(jīng)做了大量的實(shí)驗(yàn)，所用的方法各不相同，但目的都是為了測量噪聲的衰減程度并以此來評(píng)定消音器的有效性。

為了更好地測量液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，輸入信號(hào)的選擇非常重要。通過綜合分析，選擇沖擊信號(hào)作為輸入信號(hào)。沖擊信號(hào)具有相當(dāng)豐富的頻率分量與足夠的能量，在實(shí)驗(yàn)中，運(yùn)用頻譜分析技術(shù)，結(jié)果比較理想。

在圖1所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖中，4 臺(tái)蓄能器根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際壓力來調(diào)節(jié)預(yù)充壓力值，釋放能量，形成瞬時(shí)沖擊。

圖1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)圖

當(dāng)電磁換向閥位于圖示位置時(shí)，油缸或脈動(dòng)衰減器內(nèi)不通壓力油。泵輸出的流量供給蓄能器，將液壓能量儲(chǔ)存起來。溢流閥所調(diào)定的壓力即為蓄能器調(diào)整的最高壓力，當(dāng)方向閥閥芯突然換向右移的時(shí)候，油缸立即與壓力油接通，蓄能器在瞬間釋放大量能量，在液壓消音器的聯(lián)接處形成足夠大的沖擊壓力，這樣可以在液壓消音器中形成豐富的脈沖，里面包含豐富的頻率。

在設(shè)計(jì)液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)時(shí)，首先要在理論上準(zhǔn)確計(jì)算液壓消音器的結(jié)構(gòu)，否則將大大影響實(shí)驗(yàn)的最終效果。利用壓力傳感器測得液壓消音器入口處的壓力信號(hào)，通過頻譜分析儀將壓力和流量變化的波形記錄下來。如果液壓消音器的容量與管路系統(tǒng)匹配得當(dāng)，可以達(dá)到實(shí)驗(yàn)所要求的衰減效果，也可以從實(shí)驗(yàn)分析中得出液壓消音器的容積與泵的輸入頻率之間的關(guān)系。

在具體實(shí)驗(yàn)中，對(duì)液壓系統(tǒng)作如下假設(shè):(1)忽略電磁換向閥開啟滯后的影響或者盡量減小電磁換向閥開啟滯后的影響;(2)在沖擊過程結(jié)束后，馬上切斷泵源與液壓消音器的油路，目的是為了能夠相對(duì)準(zhǔn)確測量沖擊的瞬時(shí)壓力與流量。

2 測試及分析方法

2.1 阻抗特性的測試

用4個(gè)蓄能器突然釋放壓力來沖擊活塞，因?yàn)樾钅芷鞯念A(yù)充壓力已知，因此可準(zhǔn)確測量沖擊流量，這為阻抗特性的準(zhǔn)確測量提供了保證。利用壓力傳感器測得系統(tǒng)各測試點(diǎn)在此沖擊流量下的壓力響應(yīng)，則可得系統(tǒng)各點(diǎn)的阻抗特性[6]。

由頻譜分析的理論，設(shè)某一線性系統(tǒng)的輸入、輸出的自譜和互譜分別為SXX(ω)、SYY(ω)及SXY(ω)，則

其中:RX(τ)、RY(τ)及RXY(τ)分別為輸入、輸出信號(hào)的自相關(guān)及互相關(guān)函數(shù)。

理論上評(píng)價(jià)液壓消音器的衰減性能指標(biāo)是透過損失。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論數(shù)值相比較的是p/Q的數(shù)值。因此，實(shí)驗(yàn)中需要測出液壓消音器入口壓力與流量的比值。由于理論建模的p/Q值是在頻域中，就需要把時(shí)域中實(shí)驗(yàn)結(jié)果轉(zhuǎn)變成為頻域數(shù)值，然后將兩者數(shù)值進(jìn)行比較。若取流量輸入作為系統(tǒng)的輸入信號(hào)，設(shè)為X(t)，取任意點(diǎn)的壓力響應(yīng)為輸出信號(hào)，設(shè)為Y(t)，只要測試過程是相對(duì)穩(wěn)定的，則自相關(guān)與互相關(guān)函數(shù)分別定義為X(t)·X(t+τ)及X(t)·Y(t+τ)的均值，即

由此可得系統(tǒng)的阻抗特性和相干函數(shù)為

為了提高測試的精度，將測試結(jié)果在頻域做多次平均，設(shè)第i次記錄的自譜、互譜分別為SiXX(ω)、則各自的平均值為

阻抗特性與相干函數(shù)的均值分別為

對(duì)于沖擊信號(hào)，由于系統(tǒng)受到的激勵(lì)信號(hào)X(t)的不同F(xiàn)FT分析段所服從的概率分布是基本相同的，則相干分析中各譜估計(jì)的統(tǒng)計(jì)誤差可表達(dá)為

只要蓄能器的輸入流量所含的頻率成分足夠豐富，上述測試方法是可行的，能夠?qū)ψ杩固匦赃M(jìn)行相對(duì)精確的測量。

2.2 壓力傳遞函數(shù)的測試

以沖擊信號(hào)作為輸入來測試系統(tǒng)的壓力傳遞函數(shù)。用泵的輸出壓力作為系統(tǒng)的輸入信號(hào)。由于泵的輸出流量并非單一頻率，而多表現(xiàn)為基波及各次諧波的疊加。在某一固定轉(zhuǎn)速下，這種頻率成分是不變的。測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不夠多，不能說明液壓消音器的衰減性能。為了獲得較為理想的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用掃頻技術(shù)對(duì)系統(tǒng)的壓力進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)中將泵的轉(zhuǎn)速從低速慢慢提高，再慢慢降低不斷重復(fù)，從而獲得較為滿意的測試精度。

由于對(duì)壓力傳遞函數(shù)的實(shí)測采用掃頻技術(shù)[7]，設(shè)沖擊信號(hào)X(t)的第i個(gè)FFT分析段自譜為SXX，i(f)，對(duì)某一頻率f0，隨著i的變化，SXX，i(f)的取值分別為A1或A2，并記為SA1XX，i(f0)，與之對(duì)應(yīng)的響應(yīng)譜、互譜在f0的值分別記為:設(shè)點(diǎn)的平均次數(shù)為nd，對(duì)特定頻率i 激勵(lì)時(shí)的平均次數(shù)為n1;以i 激勵(lì)時(shí)平均次數(shù)為n2，n1+n2=nd，并定義壓力傳遞函數(shù)為

且

設(shè)

則可得掃頻的標(biāo)準(zhǔn)差為

因此在掃頻實(shí)驗(yàn)中，只要選擇好參量(例如n1、n2等)，將相干函數(shù)誤差估計(jì)式做適當(dāng)?shù)男拚?，壓力傳遞函數(shù)的誤差估計(jì)式精度不變，誤差能夠滿足實(shí)驗(yàn)要求。

3 結(jié)束語

提出了測量液壓消音器衰減特性的實(shí)驗(yàn)臺(tái)及測量中數(shù)據(jù)處理方法，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)工作做了鋪墊，同時(shí)也為相關(guān)實(shí)驗(yàn)提供了互相參考的一個(gè)平臺(tái)。

【1】周新祥.噪聲控制技術(shù)及其新進(jìn)展[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2007:61－65.

【2】單長吉，王維，姜偉，等.基于MATLAB 對(duì)液壓消音器建立數(shù)學(xué)模型及特性分析[J].西南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2007，29(11):52－56.

【3】喬鋼.擴(kuò)張室式消聲器的聲學(xué)模型及設(shè)計(jì)[J].哈爾濱師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，2004，20(3):41－44.

【4】單長吉，吳文良，傅在琦.基于CFD方法對(duì)液壓消音器兩種輸入信號(hào)的流體解析[J].云南師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009，29(5):58－61.

【5】任國志，曹樹平.共振消聲器吸收壓力脈動(dòng)的動(dòng)態(tài)分析及仿真計(jì)算[J].機(jī)床與液壓，2006(2):54－57.

【6】劉小平.用方波信號(hào)進(jìn)行流體動(dòng)態(tài)阻抗特性的測試[J].宇航計(jì)測技術(shù)，1988(2):34－36.

【7】陳美珠.掃頻儀及其使用[J].泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2004(4):23－25.