基于旁支式次級源的艦船液壓管路低頻脈動有源衰減

趙佳錫，何 琳，徐榮武，梁云棟

(1. 海軍工程大學(xué) 振動與噪聲研究所， 湖北 武漢 430033；2. 海軍工程大學(xué) 船舶振動噪聲重點實驗室， 湖北 武漢 430033)

艦船液壓系統(tǒng)加裝隔振器、撓性接管及彈性支撐等可以抑制泵源結(jié)構(gòu)振動的傳遞，但壓力脈動將隨液體傳遞出去，并產(chǎn)生結(jié)構(gòu)振動的線譜。傳統(tǒng)被動脈動衰減器對脈動的中、高頻有較好控制效果，低頻段的控制效果不理想[1]。

1967年美國Klees較早在專利中提出液體脈動的衰減實施方法[2]，原理與Herschel提出的空氣噪聲干涉衰減原理相同。有源降噪技術(shù)的基本原理是反向干涉相消，空氣有源降噪現(xiàn)在已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但液體脈動有源衰減受到應(yīng)用成本和需求的限制，仍未實際應(yīng)用。

美國、英國、瑞典、日本和中國的一些學(xué)者對液壓脈動有源衰減進(jìn)行了理論和實驗研究。目前提出的多種結(jié)構(gòu)及方法各有優(yōu)劣。本文針對艦船液壓系統(tǒng)，分析并總結(jié)了脈動有源衰減的三種結(jié)構(gòu)形式，對比采用了浸入式流量恒定型有源衰減的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計了壓電陶瓷驅(qū)動的旁支式次級源，接入液壓管路中，進(jìn)行了性能測試。最后，采用前饋自適應(yīng)算法，進(jìn)行了多線譜低頻脈動的有源衰減實驗。

1 基本原理

有源脈動衰減系統(tǒng)中，反相干涉脈動由次級源產(chǎn)生。依據(jù)次級源的形式不同，有三種有源脈動衰減結(jié)構(gòu)：管路外非浸入型、浸入式流量恒定型及浸入式流量變化型。

1.1 管路外非浸入型

管路外非浸入型結(jié)構(gòu)中，次級源直接作用于管路外壁，產(chǎn)生的管路變形或振動形成次級脈動，與初級脈動疊加實現(xiàn)有源衰減，如圖1所示。瑞典Maillard，美國Fuller、Brevart，國內(nèi)楊鐵軍、率志君和王震等[3-7]對該方法進(jìn)行了理論和實驗研究。因次級源工作時，需克服管路做功，對次級源要求較高。

圖1 管路外非浸入型脈動有源衰減原理Fig.1 Non-immersed pulsation active control

1.2 浸入式流量恒定型

浸入式流量恒定型結(jié)構(gòu)中，次級源與原管路共同構(gòu)成一個局部的容腔，通過控制次級源的移動，容腔容積發(fā)生變化，從而實現(xiàn)初級脈動的衰減，如圖2所示。美國Kartha，日本Kojima、Yokota，國內(nèi)孫紅靈、孫運平和荊慧強(qiáng)等[8-13]針對該方法設(shè)計了非平衡式和平衡式的次級源，通過實驗取得了衰減效果。管路系統(tǒng)的直徑及流量不同，需要設(shè)計不同要求的次級源。

圖2 浸入式流量恒定型脈動有源衰減原理Fig.2 Constant-flow immersed pulsation active control

1.3 浸入式流量變化型

浸入式流量變化型結(jié)構(gòu)中，次級源一般為高頻響節(jié)流閥，通過驅(qū)動閥芯，溢流脈動波峰或者引入高壓源補(bǔ)充脈動波谷，形成反相脈動，以抵消脈動能量，如圖3所示。英國Wang、Pan，國內(nèi)焦宗夏、邢科禮、周文和季曉偉等[14-19]設(shè)計了多種高頻響閥，進(jìn)行了實驗研究。因流量會發(fā)生變化，對系統(tǒng)性能的影響相比前兩種結(jié)構(gòu)形式大。

艦船液壓系統(tǒng)有極高的可靠性要求，且克服管路做功產(chǎn)生次級脈動較困難，因此，采用浸入式流量恒定型的脈動有源衰減結(jié)構(gòu)形式。

圖3 浸入式流量變化型脈動有源衰減原理Fig.3 Flow-changed immersed pulsation active control

2 旁支式次級源

2.1 次級源設(shè)計

浸入式流量恒定型結(jié)構(gòu)中，次級脈動由控制區(qū)域容積變化產(chǎn)生。圖4為所設(shè)計的旁支式次級源，由閥體、移動閥芯、壓電陶瓷作動器、靜壓傳感器及誤差動壓傳感器等組成。有源脈動控制時，壓電陶瓷作動器控制移動閥芯的振動幅值和頻率，從而使旁支腔容積發(fā)生變化，產(chǎn)生次級脈動。因壓電陶瓷可移動位移較小，且開口過大會不利于有源控制，故設(shè)計帶過渡曲面的放大結(jié)構(gòu)，以提高次級源響應(yīng)特性。

圖4 旁支式次級源Fig.4 By-pass secondary source

2.2 次級源響應(yīng)特性測試

根據(jù)管路流體傳遞阻抗理論[20-21]，次級源沿管路的壓力脈動響應(yīng)特性滿足：

ps=qsZs(ω,x)

(1)

式中：ps為壓力，qs為質(zhì)點速度，Zs(ω,x)為次級源阻抗，ω為頻率，x為管路位置。

設(shè)誤差傳感器位于xe處，由式(1)可知，次級源在該位置的壓力脈動響應(yīng)特性與次級源在該位置的阻抗特性關(guān)系密切，壓力脈動響應(yīng)幅值與頻率有較大的關(guān)系。脈動有源衰減時，泵源脈動的幅值應(yīng)與次級源產(chǎn)生的脈動幅值相匹配，才能實現(xiàn)較好的衰減效果。圖5為所研究艦船液壓系統(tǒng)在誤差傳感器處的泵源壓力脈動時域曲線，經(jīng)頻域分析，前三階脈動及對應(yīng)幅值分別為：100 Hz(3009 Pa)、200 Hz(2326 Pa)和300 Hz(3829 Pa)。

圖5 時域泵源壓力脈動Fig.5 Time-domain signal of pressure pulsation

次級源接入液壓管路中，利用控制器及功放給壓電陶瓷不同幅值與頻率的驅(qū)動電壓，并采集誤差傳感器的響應(yīng)信號。圖6為不同電壓幅值時，壓力脈動幅值隨頻率變化的曲線。由實驗結(jié)果可知，電壓幅值為±10 V時，旁支式次級源在100 Hz、200 Hz及300 Hz頻率點處產(chǎn)生的次級脈動幅值大于泵源脈動的幅值，滿足有源衰減的需求。

圖6 次級源響應(yīng)特性測試結(jié)果Fig.6 Secondary source response characteristic test results

3 液壓管路有源衰減系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)組成

艦船液壓系統(tǒng)包含非常多的組成部分，為方便研究，簡化為包含電機(jī)-泵、壓力調(diào)節(jié)閥、管路和油箱等。液體脈動有源控制系統(tǒng)的組成情況與結(jié)構(gòu)振動及空氣噪聲的有源控制類似，包含次級源、傳感器、控制系統(tǒng)硬件及程序等，如圖7所示。

1—電機(jī)，2—泵，3—次級源，4—誤差傳感器，5—壓力調(diào)節(jié)閥，6—油箱，7—控制系統(tǒng)硬件及軟件圖7 液壓管路脈動有源衰減系統(tǒng)組成Fig.7 Hydraulic pulsation active control system

3.2 控制算法

液壓系統(tǒng)的前三階脈動能量占比最大，故針對前三階脈動線譜的控制進(jìn)行算法設(shè)計?？刂扑惴ú捎们梆丗xLMS自適應(yīng)算法，圖8為多線譜FxLMS控制算法框圖。其中，W(z)為控制器，S(z)為次級源通道，x(n)、y(n)、d(n)、e(n)分別為參考信號、控制信號、期望信號、誤差信號。

圖8 多線譜FxLMS控制算法Fig.8 Multi-frequencies FxLMS control algorithm

控制器采用有限沖擊響應(yīng)(Finite Impulse Response, FIR)濾波器結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，其權(quán)系數(shù)為wmi(i=0,1,…,N-1)，其中N為控制器階數(shù)，m=1,2,3表示第m階線譜，則有：

(2)

式中，控制器Wm(z)的更新公式為：

i=0,1，…,N-1

(3)

4 實驗結(jié)果分析

4.1 實驗系統(tǒng)

圖9為液壓管路脈動有源衰減的實驗系統(tǒng)，管路均采用撓性接管，規(guī)格為DN25。液壓系統(tǒng)在進(jìn)行有源控制實驗時，流量大小為28.3 L/min，工作壓力恒定，調(diào)節(jié)為2 MPa?？刂葡到y(tǒng)的程序算法中，調(diào)用電機(jī)的轉(zhuǎn)速作為參考信號來源。

圖9 實驗系統(tǒng)組成Fig.9 Experiment system

4.2 脈動有源衰減效果

圖10為脈動開始有源控制后時域變化的過程。圖11為脈動控制前后功率譜變化的對比，從圖中得到前三階線譜的衰減效果，如表1所示。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的旁支式次級源采用多線譜FxLMS自適應(yīng)控制后，取得了較好的衰減效果。

圖10 脈動有源衰減時域變化過程Fig.10 Pressure pulsation time-domain change process for active control

圖11中，300 Hz處脈動線譜的功率譜幅值下降了22.7 dB，優(yōu)于前兩階線譜。對比圖6，次級源在相同的振蕩幅值下，300 Hz處壓力脈動的響應(yīng)幅值大于100 Hz和200 Hz處的響應(yīng)幅值，即300 Hz處次級源阻抗值較大。因此，脈動有源衰減時，次級源的阻抗特性和控制效果有較大關(guān)系，后續(xù)可對此進(jìn)一步研究，有助于減小次級源功耗和提高控制效果。

圖11 脈動控制前后功率譜Fig.11 Power spectrum of pressure pulsation before and after active control

表1 脈動線譜有源衰減效果

5 結(jié)論

基于旁支式次級源的脈動有源控制系統(tǒng)有效地衰減了艦船液壓管路系統(tǒng)中的壓力脈動，實現(xiàn)了前三階主要脈動線譜的控制。所研究的脈動有源衰減系統(tǒng)原理具備通用性，在其他類型的液體管路系統(tǒng)中同樣具備應(yīng)用的可行性，為艦船液體管路系統(tǒng)低頻脈動的衰減提供了一種解決途徑。