并聯(lián)式四薄板液壓脈動(dòng)衰減器工作原理及實(shí)驗(yàn)研究

周知進(jìn) 戴哲冰 何 星

（湖南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湘潭411201）

并聯(lián)式四薄板液壓脈動(dòng)衰減器工作原理及實(shí)驗(yàn)研究

周知進(jìn) 戴哲冰 何 星

（湖南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湘潭411201）

本文設(shè)計(jì)制造了一種四薄板并聯(lián)的液壓脈動(dòng)衰減器，分析它的工作原理和固有頻率，利用ANSYS Workbench對(duì)其進(jìn)行仿真分析，最后通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試脈動(dòng)衰減器的衰減性能。

液壓脈動(dòng)衰減器 頻率特性 實(shí)驗(yàn)研究

引言

液壓系統(tǒng)的壓力脈動(dòng)是由流量脈動(dòng)遇到系統(tǒng)阻抗后產(chǎn)生的[1]。液壓泵是液壓系統(tǒng)中產(chǎn)生流量脈動(dòng)的最主要根源。因此，針對(duì)液壓泵實(shí)施有效措施可以衰減脈動(dòng)。通常，可以在液壓泵的出口安裝液壓脈動(dòng)衰減器。實(shí)踐證明，此措施可以有效衰減和吸收壓力脈動(dòng)。液壓脈動(dòng)衰減器的研究與開發(fā)主要經(jīng)歷了三代產(chǎn)品。第一代產(chǎn)品是阻尼式脈動(dòng)衰減器和并聯(lián)蓄能器式，第二代以抗性脈動(dòng)衰減器為主，第三代則以串聯(lián)蓄能器式和主動(dòng)式為主。第二代和第三代產(chǎn)品目前在市場(chǎng)中可以見到。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)式脈動(dòng)衰減器體積大，衰減頻率范圍小，因此存在很大局限性。

本文提出一種四薄板并聯(lián)液壓脈動(dòng)衰減器。首先計(jì)算載流薄板的固有頻率，然后通過ANSYS Workbench仿真分析液壓脈動(dòng)衰減器的衰減特性，最后通過實(shí)驗(yàn)研究分析該衰減器的衰減特性。

1 固有頻率的計(jì)算

本文研究的是一種新型的四薄板并聯(lián)液壓脈動(dòng)衰減器，其原理圖、等效模型和在液壓系統(tǒng)中的安裝示意圖如圖1所示。

圖1 衰減器原理圖

四薄板是本文研究的基礎(chǔ)。由于四振動(dòng)薄板和液壓油相互之間的耦合作用，由此產(chǎn)生在液壓系統(tǒng)中的脈動(dòng)壓力就會(huì)作用在四薄板上，從而引起四薄板的振動(dòng)產(chǎn)生形變，而四薄板的振動(dòng)和形變又引起液壓油的流量和壓力脈動(dòng)的變化。

液壓油在液壓系統(tǒng)中會(huì)產(chǎn)生一定的脈動(dòng)壓力，從而引起四薄板的受迫振動(dòng)。四周固定彈性薄板對(duì)應(yīng)各個(gè)諧振頻率無量綱振動(dòng)位移函數(shù)為：

經(jīng)過計(jì)算，最終得出當(dāng)載流薄板阻抗最小時(shí)：

本文在SolidWorks中建立流體模型，導(dǎo)入FLUNET，對(duì)薄板進(jìn)行三階模態(tài)分析，如圖2所示。最后，求出薄板的固有頻率，從而為寬頻液壓脈動(dòng)衰減器提供理論要求。表1是厚度為0.1mm的彈性薄板的載流頻率。

圖2 薄板前三階流固耦合模態(tài)振型（D=35m m）

表1 厚度為0.1m m的彈性薄板的載流頻率

2 液壓脈動(dòng)衰減器的AN SYS W orkbench仿真模型

本文使用ANSYS Workbench進(jìn)行雙向流固耦合分析。其中，本文液壓脈動(dòng)衰減器的三維模型在SolidWorks軟件中建立，然后倒入ANSYS Workbench進(jìn)行仿真分析。

2.1 邊界條件

本文根據(jù)實(shí)驗(yàn)中壓力脈動(dòng)量設(shè)置入口邊界條件P（t）由下式給出：

P(t)=P0+Ptsin(2πfpgt)

其中，P0為穩(wěn)態(tài)壓力幅值，設(shè)置為6MPa；Pt為液壓脈動(dòng)幅值，設(shè)置為0.1MPa。于是，得到仿真模型的邊界圖，如圖3所示。

圖3 衰減器邊界圖

2.2 對(duì)比求解

建立一個(gè)未安裝脈動(dòng)衰減器的管路模型進(jìn)行對(duì)比求解，如圖4所示。

圖4 對(duì)比直管道模型圖

2.3 仿真結(jié)果分析

將其他條件設(shè)置一樣，仿真模型中的薄板直徑設(shè)置為單薄板D=20mm，D=25mm，D=30mm，D=35mm以及四個(gè)薄板并聯(lián)，得到仿真結(jié)果；然后使用插入損失的方法，計(jì)算得到脈動(dòng)衰減的結(jié)果，再擬合成衰減特性曲線。

在外界條件一致情況下，薄板直不同的液壓脈動(dòng)衰減器的濾波特性的曲線衰減峰值也不同。當(dāng)液壓油買定的頻率與薄板發(fā)生諧振時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生液壓油脈動(dòng)的能量損失，從而達(dá)到衰減此頻率脈動(dòng)峰值的目的。根據(jù)前面對(duì)薄板固有頻率的分析，可以發(fā)現(xiàn)四條衰減曲線的峰值基本出現(xiàn)在薄板的一階固有頻率附近，也就驗(yàn)證了該脈動(dòng)衰減器設(shè)計(jì)原理的正確性。對(duì)比四薄板并聯(lián)脈動(dòng)衰減器頻率特性與每個(gè)單薄板，四薄板脈動(dòng)衰減器的衰減曲線有四個(gè)波峰，即四個(gè)共振頻率。而單薄板只有一個(gè)，單薄板曲線的波峰對(duì)應(yīng)的頻率值在100Hz左右，這與計(jì)算薄板固有頻率值相符合。另一方面，四薄板的波峰對(duì)應(yīng)的頻率與前文所計(jì)算所得四個(gè)頻率值不是很相符。因?yàn)橄到y(tǒng)在同一個(gè)共振容腔內(nèi)，當(dāng)薄板與管道中的液壓油產(chǎn)生共振時(shí)，彼此都產(chǎn)生了影響。這就說明四個(gè)薄板的并聯(lián)作用不完全是薄板之間簡單的線性組合。

3 結(jié)論

本文利用ANSYS Workbench雙向流固耦合對(duì)四薄板并聯(lián)式液壓脈動(dòng)衰減器進(jìn)行雙向流固耦合仿真，分析脈動(dòng)衰減器的脈動(dòng)衰減的頻率特性，并制造實(shí)驗(yàn)樣機(jī)對(duì)其進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論：

（1）計(jì)算薄板的固有頻率，并利用ANSYS Workbench對(duì)衰減器建立仿真模型。結(jié)果表明，該脈動(dòng)衰減器衰減頻率與計(jì)算值相符，驗(yàn)證了仿真的可行性。

（2）選擇多個(gè)不同尺寸的薄板進(jìn)行分析，能夠?qū)崿F(xiàn)較寬頻率范圍的濾波效果。改變薄板半徑可以實(shí)現(xiàn)器衰減特性的改變，厚度和半徑不同的薄板都對(duì)應(yīng)著不同的衰減頻率。

（3）實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比分析表明，該脈動(dòng)衰減器在較寬的頻率范圍內(nèi)有較好的衰減效果。

[1]馬吉恩.軸向柱塞泵流量脈動(dòng)及配流盤優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2009.

Working Principle and Experimental Study on the Hydraulic Pulsation Attenuator of Four Parallel Plates

ZHOU Zhijin,DAI Zhebing,HE Xing
(College of mechanical and electrical engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201)

Design and manufacture the a four sheet is connected in parallel with the hydraulic pressure pulsation attenuator, analysis it's principle and the inherent frequency, then use ANSYS Workbench is used to simulate and analyze the, finally through experimental test pulsation attenuator attenuation performance.

hydraulic pulsation attenuator, frequency characteristic, experimental study

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“深海采礦機(jī)械液壓系統(tǒng)非線性耦合振動(dòng)機(jī)理及可靠性研究”（51179073）。