改進(jìn)型蓄能器設(shè)計(jì)與分析

楊志強(qiáng)，彭利坤，宋飛，陳佳

(海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢 430000)

0 前言

液壓系統(tǒng)的減振降噪對(duì)于提高裝備的安全性有著重要的意義，而壓力沖擊和流量脈動(dòng)是液壓系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)噪聲的首要原因[1-2]。在液壓管道系統(tǒng)中接入脈動(dòng)衰減器是一種廣泛使用的抑制壓力沖擊和流量脈動(dòng)的方法[3-5]。目前脈動(dòng)衰減器常見的結(jié)構(gòu)有阻尼孔、氣囊、蓄能器等[6-9]，均為被動(dòng)式消振技術(shù)，無法適應(yīng)工況越來越復(fù)雜的液壓系統(tǒng)。磁流變液作為一種比較成熟的技術(shù)，越來越多地被用于減振控制方向[10-13]，且它能夠?qū)崿F(xiàn)半主動(dòng)控制，在車輛、機(jī)械加工等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了應(yīng)用。但是，目前將磁流變液阻尼器用于液壓系統(tǒng)減振降噪領(lǐng)域還較為少見。阮曉輝[14]研究了磁流變液的力學(xué)性能，并根據(jù)磁流變液阻尼器的3種工作模式開發(fā)出3款磁流變液阻尼器，通過試驗(yàn)檢驗(yàn)了不同類型的阻尼器的特點(diǎn)和適用場(chǎng)景。 李斌[15]基于Bingham模型，通過理論推導(dǎo)建立了流動(dòng)模式和剪切模式下磁流變液阻尼器阻尼力的計(jì)算公式。歐陽小平等[16]總結(jié)了目前用于液壓系統(tǒng)的脈動(dòng)衰減器的研究現(xiàn)狀，指出未來脈動(dòng)衰減器應(yīng)該具備頻率適應(yīng)性更寬、主動(dòng)式性能、通用性更好、更加緊湊的特點(diǎn)。

通過以上分析可知，目前用于液壓系統(tǒng)減振降噪的裝置多為被動(dòng)式。因此，本文作者提出一種全新的消振裝置，在傳統(tǒng)蓄能器的基礎(chǔ)上融合磁流變液阻尼器和進(jìn)口可調(diào)的阻尼孔，克服傳統(tǒng)的蓄能器結(jié)構(gòu)參數(shù)固定的缺點(diǎn)?；贏MESim，在液壓沖擊模式下分析磁流變液控制電流對(duì)裝置抑制壓力沖擊的影響，在脈動(dòng)模式下，分析阻尼孔截面積大小對(duì)于裝置吸收壓力脈動(dòng)的影響。通過該研究，為下一步運(yùn)用控制算法實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制奠定基礎(chǔ)。

1 消振裝置工作原理

文中的新型消振裝置是傳統(tǒng)蓄能器在結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新。傳統(tǒng)蓄能器設(shè)計(jì)成型后，其結(jié)構(gòu)尺寸固定，無法實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)消振。目前工程中常用于減振降噪的方法有：阻尼孔、氣囊、磁流變液。文中結(jié)合傳統(tǒng)蓄能器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將阻尼孔、氣囊、磁流變液3種常用的消振手段集成在一起，開發(fā)了一款新型的液壓減振降噪裝置。圖1所示為新設(shè)計(jì)的液壓消振裝置結(jié)構(gòu)示意。

圖1 改進(jìn)型蓄能器結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of the modified hydraulic accumulator

如圖1所示，裝置的左側(cè)為油液進(jìn)口端，右側(cè)為油液出口端。其工作原理為：油液由左端口進(jìn)入，中間主油道保障系統(tǒng)的基本流量。左端容腔的液體經(jīng)過阻尼孔進(jìn)入大氣囊容腔，引起氣囊產(chǎn)生形變，進(jìn)而擠壓磁流變液產(chǎn)生阻尼力(夾層中的空間纏繞線圈，通電后產(chǎn)生磁場(chǎng)，通過調(diào)節(jié)電流的大小可以控制阻尼力)。進(jìn)入大氣囊容腔的油液通過主管道的小孔流出，進(jìn)入主油道。傳動(dòng)齒輪與大齒輪嚙合，大齒輪圓周均布若干個(gè)阻尼孔，阻尼孔與軸承定位環(huán)的阻尼孔相通。電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致阻尼孔截面積發(fā)生變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)壓力的調(diào)節(jié)。

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

2.1 氣囊參數(shù)確定

設(shè)大氣囊和小氣囊的初始體積為V10、V20，初始?jí)毫閜10、p20；大、小氣囊任意時(shí)刻的體積為V1、V2，任意時(shí)刻的壓力為p1、p2。蓄能器吸收壓力沖擊的周期較短，因而吸收瞬時(shí)沖擊和流量的過程為絕熱過程[17]，則：

(1)

將氣囊等效成彈簧，則其彈簧剛度為

(2)

其中：Aa為氣囊的橫截面積；k為氣體壓縮系數(shù)，一般取k=1.4。

根據(jù)公式(2)可知，氣囊等效的彈簧剛度，其大小與氣囊橫截面積Aa、氣體壓縮系數(shù)k、氣囊初始?jí)毫0和初始體積V0有關(guān)。

根據(jù)文獻(xiàn)[18]可知，蓄能器氣囊預(yù)充氣壓力計(jì)算公式為

p0=β·p1

(3)

式中：β取值為50%～80%[14]，文中β=65%；p1為系統(tǒng)最小工作壓力，取p1=6 MPa。

根據(jù)文獻(xiàn)[19]可知，蓄能器體積計(jì)算公式為

(4)

式中：Q為閥門關(guān)閉前管內(nèi)流量，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)Q=21 L/min；ρ為工作油液密度，取ρ=900 kg/m3；A為管道通流面積，設(shè)計(jì)參數(shù)A=7.85×10-5m2；L為蓄能器安裝位置管道長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)參數(shù)L=4 m；p0為蓄能器初始充氣壓力；p2為系統(tǒng)的額定工作壓力，取p2=6 MPa；n為氣體壓縮指數(shù)，一般在絕熱過程中取n=1.4。

將上述數(shù)據(jù)代入公式(3)(4)，可得p0=3.9 MPa，V0=2.2 L。假設(shè)2個(gè)氣囊的體積比為2∶1，則大氣囊體積V10=1.5 L，小氣囊體積V20=0.7 L。

2.2 磁流變液阻尼器參數(shù)確定

磁流變液阻尼器與氣囊可以簡(jiǎn)化為典型的減振系統(tǒng)，主要由質(zhì)量元件、彈性元件和磁流變液阻尼元件組成，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 磁流變液阻尼機(jī)構(gòu)等效圖Fig.2 Equivalent diagram of MRFD

根據(jù)文獻(xiàn)[15]可知，此模型下磁流變液阻尼器輸出的阻尼力為

(5)

根據(jù)公式(5)可知，阻尼系數(shù)的計(jì)算公式為

(6)

其中：A為活塞有效面積，m2；η為磁流變液黏度系數(shù)，Pa·s；l為活塞有效長(zhǎng)度，m；D1為活塞導(dǎo)磁筒直徑，m；h為阻尼器流道間隙，m；N為勵(lì)磁線圈匝數(shù)；I為控制電流，A；μ為鐵芯磁導(dǎo)率，H/m；C0、C1、C2、C3為磁流變液剪切應(yīng)力系數(shù)，取C0=-1.2×103，C1=0.39，C2=-8.4×10-7，C3=2.9×10-13。

消振裝置設(shè)計(jì)用來抑制液壓系統(tǒng)壓力沖擊和流量脈動(dòng)，液壓系統(tǒng)穩(wěn)定工作壓力ps=6 MPa，壓力沖擊幅值Δps=2 MPa。經(jīng)過強(qiáng)度分析后，暫定磁流變液阻尼器大徑D′=100 mm，小徑d′=30 mm。

經(jīng)過分析可知，磁流變液阻尼器所受的沖擊力為Fdamper=1.4×104N。小氣囊在軸向的壓縮量即為磁流變液阻尼器的沖程。因此，磁流變液阻尼器沖程計(jì)算公式為

lstroke=(V20-V2)/Aa

(7)

小氣囊體積計(jì)算公式為

(8)

將數(shù)據(jù)代入公式(7)(8)可得lstroke=57.4 mm。

經(jīng)過上述分析可知，磁流變液阻尼器設(shè)計(jì)選擇標(biāo)準(zhǔn)為

(1)磁流變液阻尼器產(chǎn)生的阻尼力fdamper≥Fdamper；

(2)磁流變液阻尼器的沖程Lstroke≥lstroke。

此次磁流變液阻尼器的設(shè)計(jì)采用Lord公司生產(chǎn)的MRD-8040系列磁流變液阻尼器，并結(jié)合實(shí)際需求進(jìn)行合理改裝。結(jié)合MRD-8040系列磁流變液阻尼器的尺寸結(jié)構(gòu)確定其磁流變液阻尼器參數(shù)如表1所示。

表1 磁流變液阻尼器參數(shù)Tab.1 The parameters of the MRFD

2.3 阻尼孔參數(shù)選定

阻尼孔對(duì)于液壓沖擊和流量脈動(dòng)均有抑制作用，其消振裝置中的阻尼孔數(shù)量、直徑和長(zhǎng)度參數(shù)的確定需要經(jīng)過仿真確定。圖3所示為基于AMESim搭建的阻尼孔仿真模型。中間直徑可調(diào)的阻尼孔模擬消振裝置大齒輪因電機(jī)驅(qū)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而產(chǎn)生的阻尼孔截面積的改變。

圖3 阻尼孔仿真模型Fig.3 The simulation model of the damping holes

目前對(duì)于液壓消振裝置的評(píng)價(jià)有很多方法指標(biāo)[20]，主要的評(píng)價(jià)指標(biāo)有：插入損失(LT)、衰減特性(Kp)、脈動(dòng)衰減率(Ka)和傳遞損失(Ki)。其中插入損失LT計(jì)算公式為

(9)

式中：Δp、Δp1分別為同一位置，系統(tǒng)安裝消振裝置前、后壓力沖擊的幅值；插入損失LT單位為dB。

采用控制變量法，經(jīng)過仿真后將數(shù)據(jù)代入公式(9)可得阻尼孔的直徑、長(zhǎng)度和數(shù)量對(duì)液壓系統(tǒng)流量脈動(dòng)抑制效果，如圖4所示。

圖4 阻尼孔直徑(a)、長(zhǎng)度(b)和數(shù)量(c)對(duì)消振性能影響Fig.4 The influence of the diameter (a)，length (b)and number (c)of the damping holes for the ability of the eliminating vibration

通過仿真得知，阻尼孔的直徑越小抑制壓力沖擊的效果越好，但是直徑過小導(dǎo)致阻力過大，會(huì)導(dǎo)致壓力的升高，而阻尼孔長(zhǎng)度與抑制效果成正比。結(jié)合實(shí)際情況，考慮到控制響應(yīng)速度、裝置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，選擇阻尼孔直徑為6 mm，長(zhǎng)度為60 mm，數(shù)量為8個(gè)。

經(jīng)以上分析，得到裝置參數(shù)如表2所示。

表2 仿真參數(shù)Tab.2 The simulation parameters

3 裝置仿真分析

圖5所示為基于AMESim搭建的消振裝置模型。進(jìn)口容腔由元件設(shè)計(jì)庫中的活塞和限位質(zhì)量塊搭建模擬，大小氣囊等效為彈簧，磁流變液阻尼器由阻尼器和質(zhì)量塊構(gòu)成。

圖5 消振裝置AMESim模型Fig.5 The AMESim model of the vibration-eliminate device

消振裝置設(shè)計(jì)用于抑制、吸收艦船舵液壓系統(tǒng)的壓力沖擊和流量脈動(dòng)。表3所示為舵液壓系統(tǒng)參數(shù)。

表3 舵液壓系統(tǒng)參數(shù)Tab.3 The parameters of the rudder hydraulic system

3.1 壓力沖擊分析

磁流變液阻尼器的設(shè)計(jì)參考了Lord公司生產(chǎn)的MRD-8040系列磁流變液阻尼器，控制電流的調(diào)節(jié)范圍為0～3 A。在0～3 A內(nèi)，裝置對(duì)于液壓沖擊的抑制效果如圖6所示。

圖6 控制電流抑制壓力沖擊效果Fig.6 Control current to suppress pressure impact effect

將0～3 A控制電流的數(shù)據(jù)代入公式(9)，得到裝置的插入損失隨電流變化的曲線，如圖7所示。

圖7 控制電流與裝置插入損失關(guān)系Fig.7 Relation between control current and the insertion loss of the device

由圖7可知：在系統(tǒng)工作壓力為6 MPa、壓力沖擊2 MPa時(shí)，裝置對(duì)于壓力沖擊的抑制效果良好，在磁流變液阻尼器控制電流0～3 A內(nèi)，其插入損失LT>15 dB。隨著電流逐漸增大，插入損失逐漸趨于平緩。

3.2 流量脈動(dòng)分析

艦船舵液壓系統(tǒng)實(shí)際流量脈動(dòng)頻率為0～250 Hz。為了減小系統(tǒng)干擾，裝置流量脈動(dòng)分析采用的AMESim模型如圖8所示。系統(tǒng)的流量脈動(dòng)采用泵控方式。

圖8 裝置流量脈動(dòng)測(cè)試AMESim模型Fig.8 The AMESim model of device flow pulsation test

圖9所示為60 Hz脈動(dòng)頻率下，系統(tǒng)加入消振裝置前、后脈動(dòng)抑制情況。

圖9 60 Hz脈動(dòng)裝置吸收脈動(dòng)效果Fig.9 The effect of the device absorbing the pressure pulsation when the frequency is 60 Hz

通過AMESim批運(yùn)行處理，得到在0～250 Hz內(nèi)裝置的插入損失曲線，如圖10所示。

圖10 0～250 Hz脈動(dòng)裝置插入損失Fig.10 The insertion loss of the device when the frequency is 0～250 Hz

由圖10可知：改進(jìn)后的蓄能器對(duì)于頻率大于100 Hz的脈動(dòng)具有很好的吸收作用，當(dāng)脈動(dòng)頻率f>100 Hz時(shí)，其插入損失LT>10 dB，且流量脈動(dòng)頻率越高，裝置吸收效果越好。另外，阻尼孔的面積越小，對(duì)于流量脈動(dòng)的抑制能力也越好。但是阻尼孔太小后會(huì)使得阻抗作用過大，導(dǎo)致系統(tǒng)壓力升高。

4 結(jié)論

文中針對(duì)傳統(tǒng)蓄能器做出了一些改進(jìn)，根據(jù)裝置實(shí)際需求，做了合理的設(shè)計(jì)。最后根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，基于AMESim對(duì)裝置抑制壓力沖擊的能力和吸收流量脈動(dòng)的能力做了分析。具體結(jié)論如下：

(1)在系統(tǒng)工作壓力為6 MPa、壓力沖擊2 MPa的工況下，裝置對(duì)于壓力沖擊具有很好的抑制效果，在磁流變液阻尼器控制電流0～3 A內(nèi)，其插入損失LT>15 dB。當(dāng)電流逐漸增大時(shí)，插入損失逐漸趨于平緩；

(2)改進(jìn)后的蓄能器對(duì)于高頻脈動(dòng)具有很好的吸收作用，當(dāng)脈動(dòng)頻率f>100 Hz時(shí)，其插入損失LT>10 dB。流量脈動(dòng)頻率越高，裝置吸收效果越好；

(3)阻尼孔截面積越小，裝置吸收流量脈動(dòng)的效果越好。