一种液压系统压力脉动抑制方法
【专利摘要】本发明涉及一种液压系统压力脉动抑制方法，其采用K型滤波器衰减液压系统高频压力脉动；利用弹性薄壁的受迫机械振动来削弱液压系统中高频压力脉动；插入式螺旋异构串联H型滤波器在中低频段对压力脉动具有较好的滤波效果；由此实现了全频谱的压力脉动滤波。滤波器的轴向长度被设计为大于压力脉动波长，且滤波器内的三种滤波结构在轴向长度范围内具有一致的压力脉动衰减效果，使滤波器具备工况自适应能力。三种滤波结构轴向尺寸和滤波器一致，其较大的尺寸也保证了液压滤波器的滤波性能。
【专利说明】一种液压系统压力脉动抑制方法 【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种液压系统的滤波方法，具体涉及一种液压系统压力脉动抑制方 法，属于液压设备技术领域。 【【背景技术】】
[0002] 液压系统具有功率密度大、运行稳定性好等特点，在工程领域得到广泛应用。随着 液压技术向高压、高速和大流量方向发展，液压系统中固有的压力脉动的影响日益突出。相 关研究表明，当压力脉动幅值超过液压系统工作压力的10%时，管路将形成较高的压力而 导致管路系统破坏；当压力脉动幅值超过液压系统工作压力的2~10%时，管路及阀门将产 生磨损，危及整个液压系统的可靠性。
[0003] 压力脉动是由流量脉动通过系统阻抗产生的，而流量脉动起源于液压栗的输出的 流量的脉动，在液压栗处消除压力脉动是液压滤波最直接的方法。国内外学者对此进行了 许多研究，虽然采取了许多改进措施，但因液压栗周期性排油机制的约束，要根除流量脉动 是不可能的。除了从源头考虑如何衰减脉动，还可以从系统负载的角度来考虑，在管路上加 装液压滤波器可以降低系统的输入阻抗（即减小栗的输出阻抗)也能增加对压力脉动的衰 减和吸收。
[0004] 液压滤波器是从负载系统出发来衰减压力脉动，从作用机理上可分为阻性滤波和 抗性滤波两大类。抗性滤波原理是利用阻抗失配，使压力波在阻抗突变的界面处发生反射 达到滤波的目的。但目前的抗性滤波器存在着以下不足：（1)液压管道中的压力脉动是时间 和位置的函数，定位安装的液压滤波器无法适应变工况情况；（2)抗性滤波器只对特定频率 点及狭窄频段才有良好滤波效果，无法实现广谱滤波；（3)液压滤波器对压力脉动的衰减效 果不够理想；（4)对流量脉动没有滤波作用。
[0005] 为解决上述问题，专利文献1 (中国发明专利申请，公开号CN101614231)公开了一 种液压系统减振消声器，其结构是扩张腔式减振器，固定联接共振板簧上装有不同质量的 质量体，质量体上有阻尼孔，这样带有不同质量体的共振板簧与阻尼孔组成"质量+弹簧+阻 尼"集中参数式耦合弹簧振动系统，从而达到广谱滤波效果。该专利的减振消声器的滤波效 果和弹性薄板上每个滤波单元的半径以及厚度密切相关，由于在弹性薄板上设有多个滤波 单元以实现广谱滤波，而每个单元的半径和厚度都受限制，因此对滤波效果造成影响；同时 该专利的减振消声器没有解决压力脉动随位置变化的问题，对变工况情况的适应性欠佳； 对流量脉动没有滤波作用。
[0006] 因此，为解决上述技术问题，确有必要提供一种创新的液压系统压力脉动抑制方 法，以克服现有技术中的所述缺陷。 【
【发明内容】
】
[0007] 为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种液压系统压力脉动抑制方法， 其可衰减液压系统中的高、中、低频段的脉动压力，从而起到全频段工况自适应滤波作用。
[0008] 为实现上述目的，本发明采取的技术方案为:一种液压系统压力脉动抑制方法，其 采用一种压力脉动抑制装置，该装置包括输入管、外壳、输出管、波纹管、弹性薄壁以及胶体 阻尼层;其中，所述输入管连接于外壳的一端;所述输出管连接于外壳的另一端，其延伸入 外壳内；所述输入管、输出管和弹性薄壁共同形成一 K型滤波器;所述弹性薄壁和外壳之间 形成圆柱形的共振容腔;所述弹性薄壁的轴向上均匀开有若干锥形阻尼孔，锥形阻尼孔连 通共振容腔;所述波纹管呈螺旋状绕在共振容腔外，和共振容腔通过多个锥形插入管连通； 所述波纹管各圈之间通过若干支管连通，支管上设有开关;所述波纹管和共振容腔组成插 入式螺旋异构串联Η型滤波器；
[0009] 其包括如下方法：
[0010] 1)，液压流体通过输入管进入Κ型滤波器，扩大的容腔吸收多余液流，完成高频压 力脉动的滤波；
[0011] 2)，通过弹性薄壁受迫振动，消耗流体的压力脉动能量，完成中频压力脉动的滤 波；
[0012] 3)，通过插入式螺旋异构串联Η型滤波器，通过锥形阻尼孔、锥形插入管和流体产 生共振，消耗脉动能量，完成低频压力脉动的滤波。
[0013] 本发明的液压系统压力脉动抑制方法进一步设置为:所述输入管和输出管的轴线 不在同一轴线上。
[0014] 本发明的液压系统压力脉动抑制方法进一步设置为:所述锥形阻尼孔开口较宽处 位于共振容腔内，其锥度角为10°。
[0015] 本发明的液压系统压力脉动抑制方法进一步设置为:所述锥形插入管开口较宽处 位于波纹管内，其锥度角为10° ;所述锥形插入管和锥形阻尼孔的位置相互错开。
[0016] 本发明的液压系统压力脉动抑制方法进一步设置为:所述胶体阻尼层的内层和外 层分别为外层弹性薄壁和内层弹性薄壁，外层弹性薄壁和内层弹性薄壁之间由若干支柱固 定连接;所述外层弹性薄壁和内层弹性薄壁之间的夹层内填充有加防冻剂的纯净水，纯净 水内悬浮有多孔硅胶。
[0017] 本发明的液压系统压力脉动抑制方法还设置为:所述胶体阻尼层靠近输出管的一 端和外壳相连;所述胶体阻尼层靠近输出管的一端设有一活塞。
[0018] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0019] 1.本发明的插入式螺旋异构串联Η型滤波器，带加强环的波纹管缠绕安装且各圈 之间通过若干支管连通，支管上设有开关可打开或关闭支管，弥补了常见串联Η型滤波器频 谱波谷没有滤波能力的缺陷，在中低频压力波动频率范围内形成了平坦的衰减频带;滤波 器的共振容腔横跨整个自适应滤波器，由此可以得到较大的共振容腔体积，加强衰减效果； 锥形阻尼孔和锥形插入管插入到相应的共振容腔内，锥度角均为10°，展宽了滤波频率范围 并使整体结构更紧凑。
[0020] 2、本发明将胶体阻尼层和Κ型滤波器结构相结合，在衰减压力的同时吸收流量脉 动，并具有较好的流量脉动衰减效率，滤波器的输入管和输出管不在同一轴线上，提高了 10%以上的滤波效果。
[0021] 3、本发明的滤波器的轴向长度被设计为大于压力脉动波长，在弹性薄壁的轴向上 均匀开有多个相同参数的锥形阻尼孔，螺旋异构缠绕的波纹管和共振容腔间的锥形插入管 在轴向均匀分布，保证了滤波器内的三种滤波结构在轴向长度范围内具有一致的压力脉动 衰减效果，使滤波器具备工况自适应能力。三种滤波结构轴向尺寸和滤波器一致，其较大的 尺寸也保证了液压滤波器的滤波性能。以上设计未见报道。
[0022] 4、本发明将插入式螺旋异构串联Η型滤波器、K型滤波器、弹性薄壁及胶体阻尼相 互结合成一个整体，使滤波器具备全频段工况自适应压力脉动滤波和流量脉动滤波性能。 【【附图说明】】
[0023] 图1是本发明的液压系统压力脉动抑制装置的结构示意图。
[0024]图2是插入式Η型滤波器示意图。
[0025]图3是单个的Η型滤波器和串联的Η型滤波器频率特性组合图。其中，实线为单个的 Η型滤波器频率特性。
[0026]图4是Κ型滤波器的结构示意图。
[0027]图5是弹性薄壁的横截面示意图。
[0028] 图6是胶体阻尼层的纵截面示意图。 【【具体实施方式】】
[0029] 请参阅说明书附图1至附图6所示，本发明为一种液压系统压力脉动抑制装置，其 由输入管1、外壳9、输出管11、波纹管3、弹性薄壁7以及胶体阻尼层8等几部分组成。
[0030] 其中，所述输入管1连接于外壳9的一端;所述输出管11连接于外壳9的另一端，其 延伸入外壳9内的长度为L2。所述弹性薄壁7沿外壳的径向安装于外壳9内。所述输入管1和 输出管11的轴线不在同一轴线上，这样可以提高10%以上的滤波效果。
[0031] 所述输入管1、输出管11和弹性薄壁7共同形成一 Κ型滤波器，从而衰减液压系统高 频压力脉动。按集总参数法处理后得到的滤波器透射系数为：
[0032]
[0033] a-介质中音速Ρ-流体密度d2-插入式输出管直径Ζ-特性阻抗。
[0034]由上式可见，K型滤波器和电路中的电容作用类似。不同频率的压力脉动波通过该 滤波器时，透射系数随频率而不同。频率越高，则透射系数越小，这表明高频的压力脉动波 在经过滤波器时衰减得越厉害，从而起到了消除高频压力脉动的作用。
[0035]所述K型滤波器的设计原理如下:管道中压力脉动频率较高时，压力波动作用在流 体上对流体产生压缩效应。当变化的流量通过输入管进入K型滤波器容腔时，液流超过平均 流量，扩大的容腔可以吸收多余液流，而在低于平均流量时放出液流，从而吸收压力脉动能 量。
[0036] 所述弹性薄壁7通过受迫机械振动来削弱液压系统中高频压力脉动。按集总参数 法处理后得到的弹性薄壁固有频率为：
[0037]
[0038] k-弹性薄壁结构系数h-弹性薄壁厚度R-弹性薄壁半径
[0039] E-弹性薄壁的杨氏模量P-弹性薄壁的质量密度
[0040] η-弹性薄壁的载流因子μ-弹性薄壁的泊松比。
[0041] 代入实际参数，对上式进行仿真分析可以发现，弹性薄壁7的固有频率通常比Η型 滤波器的固有频率高，而且其衰减频带也比Η型滤波器宽。在相对较宽的频带范围内，弹性 薄壁对压力脉动具有良好的衰减效果。同时，本发明的滤波器结构中的弹性薄壁半径较大 且较薄，其固有频率更靠近中频段，可实现对液压系统中的中高频压力脉动的有效衰减。 [0042]所述弹性薄壁7的设计原理如下:管道中产生中频压力脉动时，双管插入式容腔滤 波器对压力波动的衰减能力较弱，流入双管插入式容腔的周期性脉动压力持续作用在弹性 薄壁的内外壁上，由于内外壁之间有支柱固定连接，内外弹性薄壁同时按脉动压力的频率 做周期性振动，该受迫振动消耗了流体的压力脉动能量，从而实现中频段压力滤波。由虚功 原理可知，弹性薄壁消耗流体脉动压力能量的能力和其受迫振动时的势能和动能之和直接 相关，为了提高中频段滤波性能，弹性薄壁的半径设计为远大于管道半径，且薄壁的厚度较 小，典型值为小于〇· lmm〇
[0043] 进一步的，所述弹性薄壁7和外壳9之间形成圆柱形的共振容腔5。所述弹性薄壁7 的轴向上均匀开有若干锥形阻尼孔6,以保证在整个滤波器的范围内均能实现插入式串并 联滤波。锥形阻尼孔6连通共振容腔5。所述锥形阻尼孔开口较宽处位于共振容腔内，其锥度 角为10°，用于展宽滤波频率范围，按集总参数法处理后得到的滤波器固有角频率为：
[0044] (1)
[0045] a-介质中音速L 一阻尼孔长S-阻尼孔横截面积V-并联共振容腔体积。
[0046] 所述波纹管3呈螺旋状绕在共振容腔5外，和共振容腔5通过多个锥形插入管2连 通。所述锥形插入管2开口较宽处位于波纹管3内，其锥度角为10°用于展宽滤波频率范围。 所述锥形插入管2和锥形阻尼孔6的位置相互错开。所述波纹管3各圈之间通过若干支管10 连通，支管10上设有开关4。所述波纹管3和共振容腔5组成插入式螺旋异构串联Η型滤波器。
[0047] 由图3可知，串联Η型滤波器有2个固有角频率，在波峰处滤波效果较好，而在波谷 处则基本没有滤波效果；插入式螺旋异构串联Η型滤波器中采用了螺旋异构的波纹管3结 构，波纹管本身具有弹性，当液压系统的流量和压力脉动经过波纹管时，流体介质导致液 压-弹簧系统振动，抵消波动能量，从而起到滤波作用；同时，各圈波纹管3之间的若干支管 10的连通或断开，引起波的干涉和叠加，从而改变串联Η型滤波器的频率特性;合理安排滤 波器参数以及连通支管的数量和位置，可使串联Η型滤波器的频率特性的波谷抬高，使滤波 器在整个中低频段均有良好的滤波性能，实现中低频段的全频谱滤波。
[0048] 所述弹性薄壁7的内侧设有一胶体阻尼层8。所述胶体阻尼层8的内层和外层分别 为外层弹性薄壁81和内层弹性薄壁82,外层弹性薄壁81和内层弹性薄壁82之间由若干支柱 14固定连接。外层弹性薄壁81和内层弹性薄壁82之间的夹层内填充有加防冻剂的纯净水 16,纯净水16内悬浮有多孔硅胶15。所述胶体阻尼层8靠近输出管11的一端和外壳9相连;所 述胶体阻尼层8靠近输出管11的一端还设有一活塞17。
[0049]由于外层弹性薄壁81和内层弹性薄壁82间距很小且由支柱14固定连接，在压力脉 动垂直作用于薄壁时，内外壁产生近乎一致的形变，胶体阻尼层厚度几乎保持不变，对压力 脉动没有阻尼作用;胶体阻尼层8的活塞17只感应水平方向的流量脉动，流量脉动增强时， 活塞17受压使胶体阻尼层收缩，挤压作用使得胶体阻尼层8中的水由纳米级输送通道进入 微米级中央空隙；流量脉动减弱时，活塞17受反压，此时胶体阻尼层膨胀，胶体阻尼层中的 水从中央空隙经通道排出。在此过程中，由于硅胶15微通道吸附的力学效应、通道表面分子 尺度的粗糙效应及化学非均质效应，活塞跟随胶体阻尼层收缩和膨胀过程中做"气-液-固" 边界的界面功，从而对流量脉动实现衰减，其实质上是一个并行R型滤波器。该滤波器相对 于一般的液体阻尼器的优势在于:它通过"气-液-固"边界的界面功的方式衰减流量脉动， 可以在不产生热量的情况下吸收大量机械能，且能量消耗不依赖于活塞速度，衰减效率有 了显著提高。
[0050]本发明还能实线工况自适应压力脉动衰减。当液压系统工况变化时，既执行元件 突然停止或运行，以及阀的开口变化时，会导致管路系统的特性阻抗发生突变，从而使原管 道压力随时间和位置变化的曲线也随之改变，则压力峰值的位置亦发生变化。由于本发明 的滤波器的轴向长度设计为大于系统主要压力脉动波长，且滤波器的插入式螺旋异构串联 Η型滤波器的容腔长度、K型滤波器的长度和弹性薄壁的长度和滤波器轴线长度相等，保证 了压力峰值位置一直处于滤波器的有效作用范围内；而插入式螺旋异构串联Η型滤波器的 锥形阻尼孔6开在弹性薄壁7上，沿轴线方向均匀分布，螺旋异构缠绕的波纹管3和共振容腔 5间的锥形插入管在轴向均匀分布，使得压力峰值位置变化对滤波器的性能几乎没有影响， 从而实现了工况自适应滤波功能。考虑到三种滤波结构轴向尺寸和滤波器相当，这一较大 的尺寸也保证了液压滤波器具备较强的压力脉动衰减能力。
[0051 ]采用本发明的压力脉动抑制装置进行液压脉动滤波的方法如下：
[0052] 1)，液压流体通过输入管进入Κ型滤波器，扩大的容腔吸收多余液流，完成高频压 力脉动的滤波；
[0053] 2)，通过弹性薄壁7受迫振动，消耗流体的压力脉动能量，完成中频压力脉动的滤 波；
[0054] 3)，通过插入式螺旋异构串联Η型滤波器，通过锥形阻尼孔、锥形插入管和流体产 生共振，消耗脉动能量，完成低频压力脉动的滤波；
[0055] 4)，将滤波器的轴向长度设计为大于液压系统主要压力脉动波长，且插入式串并 联Η型滤波器长度、双管插入式滤波器长度和弹性薄壁7长度同滤波器长度相等，使压力峰 值位置一直处于滤波器的有效作用范围，实现系统工况改变时压力脉动的滤波。
[0056] 以上的【具体实施方式】仅为本创作的较佳实施例，并不用以限制本创作，凡在本创 作的精神及原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本创作的保护范围之 内。
【主权项】
1. 一种液压系统压力脉动抑制方法，其特征在于:其采用一种压力脉动抑制装置，该装 置包括输入管、外壳、输出管、波纹管、弹性薄壁以及胶体阻尼层;其中，所述输入管连接于 外壳的一端;所述输出管连接于外壳的另一端，其延伸入外壳内；所述输入管、输出管和弹 性薄壁共同形成一 K型滤波器;所述弹性薄壁和外壳之间形成圆柱形的共振容腔;所述弹性 薄壁的轴向上均匀开有若干锥形阻尼孔，锥形阻尼孔连通共振容腔;所述波纹管呈螺旋状 绕在共振容腔外，和共振容腔通过多个锥形插入管连通;所述波纹管各圈之间通过若干支 管连通，支管上设有开关;所述波纹管和共振容腔组成插入式螺旋异构串联Η型滤波器； 其包括如下方法： 1) ，液压流体通过输入管进入Κ型滤波器，扩大的容腔吸收多余液流，完成高频压力脉 动的滤波； 2) ，通过弹性薄壁受迫振动，消耗流体的压力脉动能量，完成中频压力脉动的滤波； 3) ，通过插入式螺旋异构串联Η型滤波器，通过锥形阻尼孔、锥形插入管和流体产生共 振，消耗脉动能量，完成低频压力脉动的滤波。2. 如权利要求1所述的液压系统压力脉动抑制方法，其特征在于:所述输入管和输管的 轴线不在同一轴线上。3. 如权利要求1所述的液压系统压力脉动抑制方法，其特征在于:所述锥形阻尼孔开口 较宽处位于共振容腔内，其锥度角为10°。4. 如权利要求1所述的液压系统压力脉动抑制方法，其特征在于:所述锥形插入管开口 较宽处位于波纹管内，其锥度角为10° ;所述锥形插入管和锥形阻尼孔的位置相互错开。5. 如权利要求1所述的液压系统压力脉动抑制方法，其特征在于:所述胶体阻尼层的内 层和外层分别为外层弹性薄壁和内层弹性薄壁，外层弹性薄壁和内层弹性薄壁之间由若干 支柱固定连接;所述外层弹性薄壁和内层弹性薄壁之间的夹层内填充有加防冻剂的纯净 水，纯净水内悬浮有多孔硅胶。6. 如权利要求5所述的液压系统压力脉动抑制方法，其特征在于:所述胶体阻尼层靠近 输出管的一端和外壳相连;所述胶体阻尼层靠近输出管的一端设有一活塞。
【文档编号】F15B21/04GK105864209SQ201610315718
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月12日
【发明人】顾巍
【申请人】绍兴文理学院