流-固耦合共振式流體濾波器試驗(yàn)研究

高 陽，羅雅云，何志勇

（1. 長沙理工大學(xué) 汽車與機(jī)械工程學(xué)院，湖南 長沙 410114； 2. 機(jī)械裝備高性能智能制造關(guān)鍵技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410114）

在液壓系統(tǒng)中，由于泵的結(jié)構(gòu)原因產(chǎn)生的脈動(dòng)體積流量沿管路傳輸時(shí)，遇到系統(tǒng)阻抗就轉(zhuǎn)變成為壓力脈動(dòng)［1］。為了衰減這種脈動(dòng)，人們研究開發(fā)了品種繁多的各式液壓濾波器［2］。通過應(yīng)用實(shí)踐表明，各種流體濾波器的安裝對(duì)減小泵的負(fù)載阻抗、增加對(duì)液壓系統(tǒng)脈動(dòng)壓力衰減和抑制均具有明顯的效果［3］。其中結(jié)構(gòu)振動(dòng)式流體濾波器以其結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)能量損失小、使用效果顯著等優(yōu)點(diǎn)值得重點(diǎn)關(guān)注［4］。結(jié)構(gòu)振動(dòng)式流體濾波將流體脈動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械振動(dòng)能量來控制和衰減，能在某一頻段范圍內(nèi)取得良好的使用效果。

1 結(jié)構(gòu)共振式流體濾波器工作原理

結(jié)構(gòu)共振式流體濾波器的原理是將液壓系統(tǒng)中壓力脈動(dòng)等效為機(jī)械系統(tǒng)中的質(zhì)量彈簧系統(tǒng)，然后通過設(shè)置類似于機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)中的共振式動(dòng)力吸振器來消減液壓系統(tǒng)中的脈動(dòng)能量。結(jié)構(gòu)共振式流體濾波器是一種結(jié)構(gòu)簡單、濾波能量損失小的裝置，因此在流體脈動(dòng)抑制中應(yīng)用廣泛。其常見的結(jié)構(gòu)形式包括Helmholtz共振式濾波器和多自由度共振濾波器。

如圖1所示，Helmholtz共振式濾波器由阻尼管路和容腔組成，并聯(lián)在流體管路中，構(gòu)成了類似由流體質(zhì)量-流體彈簧組成的質(zhì)量-彈簧振動(dòng)系 統(tǒng)［5］。工作時(shí)，系統(tǒng)中的壓力流體經(jīng)阻尼管路充滿濾波器的共振腔。此時(shí)依據(jù)集中參數(shù)處理方法，視阻尼管路中小液柱為質(zhì)量，容腔為彈簧，阻尼管路中的阻尼和摩擦為阻尼。在脈動(dòng)壓力作用下，阻尼管路中小液柱像活塞一樣作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，形成了類似于質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)。Helmholtz共振式濾波器的固有振動(dòng)頻率［6］

式中 c為聲速；d為阻尼管路的直徑；L為阻尼管路的長度；V為容腔的體積。

由式（1）可知，Helmholtz共振式濾波器的共振頻率fHR主要取決于阻尼管路的長度L和容腔的體積V。因此很多研究者通過改變共振器的結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)現(xiàn)了諧振頻率的調(diào)整，但該濾波器具有頻率選擇性，濾波頻帶窄，在低頻噪聲濾波時(shí)具有較好的使用效果。

圖1 Helmholtz共振濾波器原理圖

如圖2所示，多自由度共振濾波器是一個(gè)由振動(dòng)質(zhì)量體、彈簧及阻尼構(gòu)成的“質(zhì)量+彈簧+阻尼”集中參數(shù)振動(dòng)系統(tǒng)，并聯(lián)在流體管路中［7，8］。 當(dāng)濾波器的振動(dòng)體質(zhì)量m1，m2，…mn及彈簧剛度k1，k2…kn等參數(shù)確定后，其共振頻率ω1，ω2…ωn也將確定。工作時(shí)，能引起共振的壓力脈動(dòng)波將使濾波器的振動(dòng)質(zhì)量體產(chǎn)生同頻位移其中φ=-π/2，相鄰振動(dòng)質(zhì)量體的振動(dòng)相位差為180°，從而衰減流體的脈動(dòng)。

圖2 多自由度共振濾波器的原理圖

多自由度共振濾波器不僅對(duì)流體脈動(dòng)基頻有效，還能衰減多次脈動(dòng)諧波。其缺陷是結(jié)構(gòu)體積大，價(jià)格高昂，因而無法達(dá)到工程使用需求。

對(duì)結(jié)構(gòu)共振式流體濾波器的研究表明，該類型濾波器都具有頻率選擇性且濾波范圍較窄等使用缺陷。因此研究一種簡單、方便的流固耦合諧振濾波器，能在較大頻率范圍衰減流體脈動(dòng)能量，抑制系統(tǒng)振，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用 價(jià)值。

2 流-固耦合共振式流體濾波器簡介

流-固耦合共振式流體濾波器的結(jié)構(gòu)原理如圖3所示，主要由濾波器外殼、彈性結(jié)構(gòu)振動(dòng)體、靜壓平衡容腔、阻尼平衡孔等組成。其將質(zhì)量體和阻尼集中在一個(gè)尺寸緊湊的彈性結(jié)構(gòu)振動(dòng)體上，減小了濾波器的尺寸。此外，彈性結(jié)構(gòu)振動(dòng)體的共振頻率范圍較大，使之能適合于流體系統(tǒng)中的不同工況，適用性更強(qiáng)。

圖3 流-固耦合共振式流體濾波器原理圖

3 流-固耦合共振式流體濾波器試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)測試原理如圖4所示。試驗(yàn)時(shí)首先將研制好的濾波器安裝到試驗(yàn)臺(tái)架；然后調(diào)定系統(tǒng)的工作壓力，用節(jié)流加載模擬設(shè)備工作負(fù)荷；隨后通過變頻調(diào)速電機(jī)調(diào)整液壓泵轉(zhuǎn)速，計(jì)算出其相應(yīng)的流體脈動(dòng)頻率；其次采集濾波器前后的壓力時(shí)域信號(hào)p1及p2并進(jìn)行噪聲信號(hào)處理［9］；最后將信號(hào)經(jīng)時(shí)域及頻域分析，得出濾波器對(duì)流體脈動(dòng)衰減的效果。

圖4 流體脈動(dòng)信號(hào)測試原理圖

本試驗(yàn)設(shè)定系統(tǒng)最大壓力為10MPa，穩(wěn)態(tài)流量15L/min。通過變頻調(diào)速調(diào)定液壓泵的轉(zhuǎn)速，使其脈動(dòng)頻率逐步接近衰減器結(jié)構(gòu)振動(dòng)體的固有頻率，然后測定濾波器前后的動(dòng)態(tài)壓力p1及p2。最后根據(jù)測試數(shù)據(jù)，分析壓力脈動(dòng)最大值pmax、最小值pmin及平均值pav，并分別計(jì)算濾波器入口及出口的壓力脈動(dòng)率δ=（pmax-pmin）/pav×100%，脈動(dòng)衰減率T=（δ入口-δ出口）δ入口×100%，對(duì)比試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)的頻譜分析結(jié)果，就能驗(yàn)證濾波器的使用效能。依照試驗(yàn)方案，我們?cè)O(shè)計(jì)的流-固耦合共振式流體濾波器的固有振動(dòng)頻率約為175Hz。在試驗(yàn)臺(tái)上分別調(diào)定液壓泵轉(zhuǎn)速為1200r/min和1500r/min，計(jì)算得到泵的壓力脈動(dòng)基頻為180Hz和225Hz。試驗(yàn)采集的時(shí)域信號(hào)經(jīng)去噪后的結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖中，1為濾波器入口的壓力時(shí)域曲線，2為濾波器出口的壓力時(shí)域曲線。由圖示結(jié)果明顯看出，與入口壓力時(shí)域曲線相比，出口的時(shí)域曲線波動(dòng)幅度小、平緩，并且壓力值有所降低。圖5中，壓力脈動(dòng)波動(dòng)范圍由濾波前的1.32MPa降到了0.73MPa，壓力脈動(dòng)衰減幅度達(dá)到44.7%。圖6中，壓力脈動(dòng)波動(dòng)范圍由濾波前的1.13MPa降到了0.81MPa，壓力脈動(dòng)衰減幅度達(dá)到28.3%。系統(tǒng)的脈動(dòng)壓力經(jīng)過濾波器衰減后得到明顯改善。此外，試驗(yàn)結(jié)果還表明，當(dāng)泵的壓力脈動(dòng)基頻與濾波器的固有振動(dòng)頻率越接近，壓力脈動(dòng)抑制效果越好。

圖5 泵轉(zhuǎn)速1200r/min時(shí)濾波器入口壓力p1及出口壓力p2時(shí)域信號(hào)圖

圖6 泵轉(zhuǎn)速1440r/min時(shí)濾波器入口壓力p1及出口壓力p2時(shí)域信號(hào)圖

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種流-固耦合共振式液壓濾波器，并通過試驗(yàn)對(duì)其使用效果進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明：當(dāng)流體系統(tǒng)的脈動(dòng)激勵(lì)頻率與濾波器彈性結(jié)構(gòu)振動(dòng)體振動(dòng)系統(tǒng)的固有振動(dòng)頻率接近或一致時(shí)，結(jié)構(gòu)振動(dòng)體振動(dòng)幅度達(dá)到最大，消耗的能量最大，壓力脈動(dòng)衰減幅度達(dá)到44.7%；在泵的壓力脈動(dòng)基頻與振動(dòng)體固有振動(dòng)頻率相差50Hz的情況下，壓力脈動(dòng)衰減幅度仍達(dá)到了28.3%，顯示該濾波器對(duì)壓力脈動(dòng)良好的抑制效果，并且具有較寬的頻段適應(yīng)性，具備開發(fā)應(yīng)用價(jià)值。