熊宇維，龍 波

（1.湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410208；2.中聯(lián)重科，湖南 長(zhǎng)沙，410000）

引言

液壓傳動(dòng)技術(shù)由于其重量輕、工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用；并且液壓傳動(dòng)與電氣傳動(dòng)相比，液壓傳動(dòng)還具有制動(dòng)迅速，可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)[1]。但是隨著液壓技術(shù)向高速、高壓和大功率方向發(fā)展，液壓系統(tǒng)中的振動(dòng)與噪聲已成為了妨礙液壓技術(shù)進(jìn)步的重要因素之一[2]。因此，研究消除液壓系統(tǒng)中振動(dòng)的方法對(duì)液壓技術(shù)的發(fā)展具有十分重大的意義。

國內(nèi)外在液壓系統(tǒng)振動(dòng)衰減方法的研究重點(diǎn)非常廣泛，其中采用脈動(dòng)衰減器對(duì)液壓管路中的脈沖、振動(dòng)進(jìn)行濾波和吸收是研究方向之一。2001年，奧地利林茨約翰開普勒大學(xué)設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)振動(dòng)式液壓系統(tǒng)壓力脈動(dòng)衰減器[3]。該脈動(dòng)衰減器是在液壓系統(tǒng)的管路中旁接一個(gè)容腔，容腔中設(shè)置一個(gè)活塞式振動(dòng)質(zhì)量塊。其作用機(jī)理類似于有阻尼的振動(dòng)吸振器，通過共振容腔中活塞、彈簧和油液環(huán)境形成一個(gè)單自由度機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)附加“質(zhì)量-彈簧”系統(tǒng)的固有頻率與激勵(lì)力頻率相同時(shí)，產(chǎn)生反共振現(xiàn)象，從而消除主系統(tǒng)的振動(dòng)。但該脈沖衰減器衰減液壓振動(dòng)的頻率單一，無法適用多頻的脈沖衰減。

如果能設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈巧的多自由度機(jī)械諧振機(jī)構(gòu)，在較寬頻率范圍內(nèi)的流體脈動(dòng)都可以對(duì)應(yīng)與之諧振的吸振系統(tǒng)，將流體脈動(dòng)最大限度地轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)，再通過內(nèi)部阻尼消耗振動(dòng)能量，則可獲得廣譜高效的流體脈動(dòng)抑制效果，其應(yīng)用工況將大大拓寬。

為此，需要研究彈性膜片結(jié)構(gòu)的濾波特性，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)緊湊的多膜片液壓脈動(dòng)衰減器。通過不同長(zhǎng)度規(guī)格的膜片的“質(zhì)量-彈簧”結(jié)構(gòu)形成不同濾波頻率的液壓脈沖吸振系統(tǒng)，適用多個(gè)脈沖頻率的液壓振動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)多頻濾波。

1 衰減特性分析方法

在液壓系統(tǒng)中有多種影響著流體脈動(dòng)衰減的濾波特性，其中不同原理的衰減器和結(jié)構(gòu)尺寸的改變對(duì)衰減特性的影響尤為突出。而如何評(píng)價(jià)一款衰減器性能的好壞，現(xiàn)在還沒有具體統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，而目前常用的方法有：壓力脈動(dòng)衰減率法、脈動(dòng)衰減率法、插入損失法以及傳遞損失法[4-6]。

壓力脈動(dòng)衰減率法只能夠反映衰減器前的衰減特性，而不能夠反映衰減器負(fù)載端的衰減特性。傳遞損失法只反映了脈動(dòng)衰減器安裝前和安裝后的壓力脈動(dòng)，所以用這個(gè)方法只能得到衰減器本身的傳遞效果，在理論分析中常用到該方法。而插入損失法IL 快速直觀地反映了衰減器在液壓系統(tǒng)中的衰減效果，不僅將衰減器在整個(gè)系統(tǒng)的作用考慮進(jìn)來，同時(shí)也考慮了其他方面的因素如源阻抗、系統(tǒng)的負(fù)載阻抗等，所以一般情況下通常采用插入損失法來對(duì)脈動(dòng)衰減器的衰減效果進(jìn)行判斷。

插入損失是在液壓系統(tǒng)中距液壓泵一定距離的同一測(cè)量點(diǎn)處，測(cè)量安裝了脈動(dòng)衰減器前后聲壓級(jí)之差，則壓力脈動(dòng)衰減分貝值D 為在同一負(fù)載端測(cè)量了未安裝脈動(dòng)衰減器的壓力脈動(dòng)與已安裝脈動(dòng)衰減器的壓力脈動(dòng)之比，即：

2 多膜片液壓脈動(dòng)衰減器衰減特性分析

多膜片脈動(dòng)衰減器的工作原理是通過多膜片與壓力脈動(dòng)產(chǎn)生共振來抑制液壓系統(tǒng)中的振動(dòng)，同時(shí)多膜片液壓脈動(dòng)衰減器的容腔具有一定的體積，因此可將多膜片脈動(dòng)衰減器模型主要看成是由直管道、管道容腔等單元構(gòu)成。采用頻率法中的分布參數(shù)法來分析多膜片液壓脈動(dòng)衰減器的衰減性能。由文獻(xiàn)[7]可知直管道A 和管道容腔B 的傳遞矩陣分別為：

在多膜片液壓脈動(dòng)衰減器中膜片是由多個(gè)膜片并聯(lián)而成，根據(jù)單個(gè)膜片在壓力脈動(dòng)P 下的振動(dòng)位移推導(dǎo)出它的傳遞矩陣[8-9]為：

為了分析多薄板液壓脈沖衰減器的衰減特性，將安裝了多膜片液壓脈動(dòng)衰減器的液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)化為圖1，采用插入損失來仿真計(jì)算動(dòng)態(tài)阻抗分別在直管道+節(jié)流負(fù)載和直管道時(shí)的衰減特性。

圖1 液壓系統(tǒng)管道負(fù)載結(jié)構(gòu)示意圖

圖1 中，A、B 段分別是長(zhǎng)度為L(zhǎng)1、L2 的鋼直管，C 部分是安裝的多膜片液壓脈動(dòng)衰減器，D 部分為終端動(dòng)態(tài)阻抗，即“長(zhǎng)度L4 的鋼直管+ 節(jié)流負(fù)載”。分別為安裝了脈動(dòng)衰減器時(shí)泵出口處的壓力脈動(dòng)和流量脈動(dòng)分別為經(jīng)過了脈動(dòng)衰減器后的壓力脈動(dòng)和流量脈動(dòng)，它的傳遞矩陣則為：

設(shè)：

由基本管道動(dòng)特性可知節(jié)流孔阻抗表達(dá)式為：

因此壓力脈動(dòng)衰減器的負(fù)載導(dǎo)納為：

則有：

設(shè)：

則有：

采用以插入損失法為基礎(chǔ)的壓力脈動(dòng)衰減分貝數(shù)來對(duì)液壓系統(tǒng)壓力脈動(dòng)衰減器的衰減特性進(jìn)行評(píng)價(jià)。計(jì)算公式為：

因此：

按照上述插入損失法，對(duì)固定多個(gè)矩形彈性膜片的脈動(dòng)衰減器，負(fù)載為鋼直管 節(jié)流負(fù)載的情況下進(jìn)行衰減特性分析，取薄板大小分別為10×30mm、10×23mm、10×20mm、10×15mm，厚度均為0.05mm，上述脈動(dòng)衰減器仿真性能公式中需要用的基本參數(shù)如表1 所示。

表1 仿真基本參數(shù)

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)多膜片液壓脈動(dòng)衰減器性能的影響

對(duì)脈動(dòng)衰減器性能的影響有很多因素，而其中主要有膜片大小、厚度，共振容腔的體積。為了使脈動(dòng)衰減器設(shè)計(jì)時(shí)選擇的參數(shù)更加合理，將在負(fù)載為直管道 節(jié)流負(fù)載的情況下結(jié)合這些參數(shù)的改變，得出其變化對(duì)衰減效果的影響，為接下來的樣機(jī)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

3.1 膜片的厚度對(duì)脈動(dòng)衰減器性能的影響

圖2 不同厚度對(duì)脈動(dòng)衰減器衰減特性影響

運(yùn)用插入損失法，在其他參數(shù)不改變的情況下，得出厚度分別為0.05mm 和0.1mm 情況下的衰減效果，如圖2 所示。從圖中可以得出，由于薄板的厚度不一樣其相應(yīng)的固有頻率也有所改變，因此產(chǎn)生的共振頻率點(diǎn)也不相同，但從曲線可以得出膜片較薄的衰減的效果要好。

3.2 共振容腔大小對(duì)脈動(dòng)衰減器的衰減性能影響

由圖3 可知，容積V=0.2L 的衰減效果要優(yōu)于容積V=0.02L 的。但主容腔的大小對(duì)整個(gè)液壓系統(tǒng)的濾波性能的影響不大。由于衰減器的體積過大會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的精度和剛度，因此在設(shè)計(jì)衰減器時(shí)，在保證具有較好的濾波效果的前提下，盡量選擇較小的共振容腔的尺寸。

圖3 不同容積對(duì)脈動(dòng)衰減器衰減特性影響

4 負(fù)載及安裝位置對(duì)衰減性能的影響

上述內(nèi)容只針對(duì)液壓系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)阻抗為節(jié)流負(fù)載情況下，脈動(dòng)衰減器自身結(jié)構(gòu)的改變對(duì)衰減效果的影響進(jìn)行分析，并未考慮負(fù)載情況的不同、安裝位置的不一樣對(duì)衰減效果的影響，因此還需結(jié)合負(fù)載、安裝位置的改變來全面考慮脈動(dòng)衰減器的濾波特性。

4.1 負(fù)載的影響

將多薄板液壓脈動(dòng)衰減器模型在節(jié)流負(fù)載和不帶節(jié)流負(fù)載情況下的數(shù)學(xué)仿真分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖4 所示。

圖4 負(fù)載對(duì)衰減特性的影響對(duì)比曲線

由圖4 可知，在動(dòng)態(tài)阻抗不相同的情況下，加入了多膜片液壓脈動(dòng)衰減器后都能夠有一定的衰減效果。在節(jié)流負(fù)載的情況下，多膜片脈動(dòng)衰減器衰減特性曲線相對(duì)于不帶節(jié)流負(fù)載情況更加平滑，壓力脈動(dòng)衰減特性的峰值較低；不帶節(jié)流負(fù)載的 脈 動(dòng) 衰 減 特 性 曲 線 在120Hz，220Hz，300Hz，550Hz 等多個(gè)頻率點(diǎn)左右具有較大的尖峰，但帶有節(jié)流負(fù)載的脈動(dòng)衰減特性曲線在各頻率處的尖峰均有所削弱，特別是不帶節(jié)流負(fù)載的模型的脈動(dòng)衰減特性曲線在70Hz 和880Hz 處的壓力脈動(dòng)的存在放大現(xiàn)象，但帶有節(jié)流負(fù)載的模型其衰減特性曲線得到了明顯的改善。

在系統(tǒng)流量恒定的情況下，節(jié)流負(fù)載的壓力損失大小對(duì)系統(tǒng)的壓力值有一定的影響，因此分析節(jié)流負(fù)載大小對(duì)脈動(dòng)衰減器的衰減特性影響的是必要的。在系統(tǒng)其他參數(shù)均一致的情況下，節(jié)流閥壓力差分別為2.5MPa 和7MPa 的衰減特性，通過數(shù)學(xué)仿真得到的不同頻率點(diǎn)的脈動(dòng)衰減分貝數(shù)進(jìn)行曲線擬合，得到在不同節(jié)流壓差的情況下的衰減特性對(duì)比曲線如圖5 所示。

圖5 不同節(jié)流壓差的衰減特性曲線對(duì)比

由圖5 可知，節(jié)流壓差的大小對(duì)脈動(dòng)衰減器的衰減特性的影響比較顯著。節(jié)流壓差小也就是壓力損失較小，400Hz 以上的中頻段壓力脈動(dòng)衰減效果比較好，但在100-300Hz 的低頻部分的衰減效果有削弱的現(xiàn)象，有些頻段甚至出現(xiàn)了壓力脈動(dòng)放大的現(xiàn)象。因此，在設(shè)計(jì)脈動(dòng)衰減器時(shí)應(yīng)注意節(jié)流壓差的大小，這將會(huì)影響脈動(dòng)衰減器的衰減效果。

4.2 安裝位置的影響

（1）脈動(dòng)衰減器前直管道L1 長(zhǎng)度的影響

在仿生式液壓脈動(dòng)衰減器其他結(jié)構(gòu)參數(shù)一樣，但前直管道L1 長(zhǎng)度分為0.175m 和1.75m，即仿生式液壓脈動(dòng)衰減器與液壓脈動(dòng)源的距離，仿真曲線對(duì)比如圖6 所示。

由圖6 可知，不同長(zhǎng)度的前直管道對(duì)脈動(dòng)衰減器的衰減效果的影響很顯著。前直管為0.175m的衰減特性曲線中有5 個(gè)波峰和2 個(gè)波谷，而前直管道為1.75m 的衰減特性曲線中，其波峰明顯增多，并在某些頻段其衰減效果要優(yōu)于前直管為0.175m 的。但是過長(zhǎng)的前直管，將會(huì)引起設(shè)計(jì)頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)過多的衰減特性峰值，不能夠準(zhǔn)確的控制和分析該脈動(dòng)衰減器的衰減特性，并且在這部分過長(zhǎng)的前直管道中，管道中的壓力脈動(dòng)不能得到合理控制。

圖6 不同長(zhǎng)度的前直管道衰減特性對(duì)比

（2）后直管長(zhǎng)度的影響

仿生式液壓脈動(dòng)衰減器的結(jié)構(gòu)參數(shù)一致，但是其后直管道參數(shù)分別為0.7m 和3.0m，即仿生式液壓脈動(dòng)衰減器與節(jié)流閥之間的直管道（L2+L4），其仿真曲線對(duì)比如圖7 所示：

圖7 不同長(zhǎng)度的后直管道衰減特性對(duì)比

由圖7 可知，改變后直管的長(zhǎng)度，其衰減特性效果并不顯著，衰減特性曲線的走勢(shì)都沒有明顯的變化，并且在衰減波峰點(diǎn)都未改變，只是在900Hz 處衰減分貝數(shù)在兩曲線之間有比較大的波動(dòng)。

5 結(jié)論

本文運(yùn)用插入損失法對(duì)多膜片脈沖衰減器進(jìn)行衰減特性分析，分析其結(jié)構(gòu)參數(shù)、負(fù)載及安裝位置對(duì)衰減性能的影響。結(jié)論如下：

（1）分析了多膜片液壓脈動(dòng)衰減器中的薄板的厚度、容腔大小等結(jié)構(gòu)參數(shù)大小對(duì)衰減特性的影響，得出厚度較薄的薄板的衰減效果要比較厚的好，而容腔的大小對(duì)衰減效果并不很明顯。

（2）仿真分析在不同負(fù)載的情況下濾波特性的變化，得出在有負(fù)載的情況下，其衰減器效果要好，不同的節(jié)流壓差對(duì)衰減特性的影響也比較明顯。

（3）通過改變脈動(dòng)衰減器的安裝位置，得出不同長(zhǎng)度的前直管道大小對(duì)衰減效果的影響比較明顯，而后直管長(zhǎng)度對(duì)衰減特性的影響不明顯。