液壓消音器試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)及分析方法

單長(zhǎng)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(shì)。實(shí)際中，由于泵本身結(jié)構(gòu)的原因，如剛性問(wèn)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(guò)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(wèn)題;CFD 流體解析主要解決觀(guān)測(cè)液壓消音器流場(chǎng)問(wèn)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(cè)量噪聲的衰減程度并以此來(lái)評(píng)定消音器的有效性。

為了更好地測(cè)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(guò)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(lái)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?jī)?chǔ)存起來(lái)。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(cè)得液壓消音器入口處的壓力信號(hào)，通過(guò)頻譜分析儀將壓力和流量變化的波形記錄下來(lái)。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(kāi)啟滯后的影響或者盡量減小電磁換向閥開(kāi)啟滯后的影響;(2)在沖擊過(guò)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(cè)量沖擊的瞬時(shí)壓力與流量。

2 測(cè)試及分析方法

2.1 阻抗特性的測(cè)試

用4個(gè)蓄能器突然釋放壓力來(lái)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(cè)量沖擊流量，這為阻抗特性的準(zhǔn)確測(cè)量提供了保證。利用壓力傳感器測(cè)得系統(tǒng)各測(cè)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(xiàn)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(guò)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(cè)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(cè)試過(guò)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(cè)試的精度，將測(cè)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(cè)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(cè)量。

2.2 壓力傳遞函數(shù)的測(cè)試

以沖擊信號(hào)作為輸入來(lái)測(cè)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(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不夠多，不能說(shuō)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(cè)試，實(shí)驗(yàn)中將泵的轉(zhuǎn)速?gòu)牡退俾岣?，再慢慢降低不斷重?fù)，從而獲得較為滿(mǎn)意的測(cè)試精度。

由于對(duì)壓力傳遞函數(shù)的實(shí)測(cè)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(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

提出了測(cè)量液壓消音器衰減特性的實(shí)驗(yàn)臺(tái)及測(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)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(guó)志，曹樹(shù)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(cè)試[J].宇航計(jì)測(cè)技術(shù)，1988(2):34－36.

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