入流式流体脉动主动控制支路的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种入流式流体脉动主动控制支路，压电式节流阀(4)作为流体脉动主动控制的执行部件连接在液压管路的消振点处，其出口连接主管路，其入口与补油泵(2)的出口相连接；安装在主泵(1)出口附近的参考压力传感器(4)采集压力信号，通过A/D转换模块(7)后输入控制器(9)；控制器处理后输出信号通过D/A转换模块(8)和放大电路后控制压电式节流阀(4)的开口；补油泵(2)通过压电式节流阀(4)向主管路中注入小部分油液，消除压力脉动波的谷值。本实用新型通过主动调节节流阀开口大小，入流一定的流量来降低系统的压力脉动，结构简单且具有良好的效果。
【专利说明】
入流式流体脉动主动控制支路
技术领域
[0001] 本实用新型属于液压管路流体脉动主动控制领域，涉及的是入流式流体脉动主动 控制系统。
【背景技术】
[0002] 随着液压系统向着高精度、低噪声的趋势发展，流体脉动已成为制约液压系统发 展的一个关键因素。液压管路系统中流体脉动的根源是栗瞬时流量的周期性脉动，并在管 路和负载的阻抗作用下形成压力脉动。压力脉动不仅会带来流体噪声，而且会引起流体与 液压管路之间的耦合振动，最终导致机械结构的疲劳破坏。此外，对于高精度系统，流体脉 动会大大降低控制系统的性能。传统的脉动控制方式是被动式的，即采用结构参数固定的 消振器，不具有自适应能力，消减效果不理想。近年来，国内外学者针对液压管路系统进行 了主动消振研究，其原理都是采用主动消振器产生与初始压力脉动等幅值、反相位的次级 压力脉动，相互叠加以衰减脉动。现有的主动脉动控制方法根据产生次级脉动的原理又可 以分为三大类。
[0003] 第一类是通过安装在管路中的伺服作动筒往复运动来改变管路容积，产生次级压 力脉动波，与管路中的原始压力脉动波相互叠加以抵消脉动。有如下学者对此类流体脉动 控制方式进行了研究：日本的小鸟英一等，利用安装在管路中的伺服作动器往复运动产生 次级脉动源，与管路中的初始压力相叠加来衰减脉动，（Eiichi K0JIMA等于1991年在《The Japan Society of Mechanical Engineer》第34卷第4期466-473页上发表的论文 《Development of an Active Attenuator for Pressure Pulsation in Liquid Piping Systems》）；日本的横田真一等，提出了一种双压电陶瓷驱动活塞的主动液压蓄能器来进行 液压流体脉动主动控制，其基本原理还是通过活塞往复运动改变管路容积产生次级压力脉 动，（Υ0Κ0ΤΑ等于 1996年在《JSME International Journal》第39卷第1 期119-124页上发表 的文章〈〈Study on an active accumulator-(Active control of high-frequency pulsation of flow rate in hydraulic systems)))) 〇
[0004] 第二类是采用智能材料作动器使液压油路中某一段特制的管壁变形，使管道内流 体产生次级压力脉动波，与管道初始压力脉动叠加抵消脉动。有如下学者对此类流体脉动 控制方式进行了研究:英国的Brennan设计了非接触磁致伸缩作动器作用于水管管壁，进行 了主动消振（Brennan等于 1996年在《Smart Materials&Structures》第5卷281-296页上发 表的论文《A non-intrusive fluid-wave actuator and sensor pair for the active control of fluid-borne vibrations in a pipe》）；瑞典的梅拉德等利用圆周对称分布 的压电陶瓷主动作动器，从管路外产生轴对称平面波，来抵消管路中压力脉动波， (Maillard等于 1999年在《Proceedings Of the 17th International Modal Analysis Conference&Exhibit》第2卷 1806-1812页上发表的论文《Fluid wave actuator for the active control of hydraulic pulsations in piping systems))〇
[0005] 第三类是采用溢流压力脉动波峰值的方式来削减压力脉动，需在旁支路安装高频 响的液压阀，当压力脉动波峰值来临时打开液压阀，通过溢流小部分油液的方式来减小压 力脉动。有如下学者对此类流体脉动控制方式进行了研究:太原理工大学的周文教授采用 常规伺服阀作为产生次级脉动源的主动消振元件，利用分流原理进行脉动主动控制，（周文 等于2003年在《液压气动与密封》第4期24-27页上发表文章《主动振动控制技术的发展与应 用》）；北航的焦宗夏教授利用新型压电陶瓷比例节流阀作为主动消振元件，主动控制节流 口大小来削减系统的峰值流量，（焦宗夏等于2002年在《北京航空航天大学学报》第4期465-469页上发表文章《液压能源管路系统振动主动控制的理论研究》）；西安交通大学的刑科礼 博士采用两个伺服阀，一个作为初级脉动源，另一个作为次级脉动源，利用次级脉动源产生 的压力脉动波来抵消初级脉动源的压力脉动波，（邢科礼等于2001年在《液压气动与密封》 第2期2-4页上发表文章《基于神经网络的有源压力脉动衰减的试验研究》）。北航博士生欧 阳平超等采用在管路上多个点安装消振阀的方式进行脉动主动控制，（欧阳平超等于2007 年在《Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics》第9期 1060-1063页上发表文章 〈〈Study on distributed active control of fluid pulsation in hydraulic piping))) 〇
[0006] 第一类消振策略没有流量的增减，但结构复杂，体积庞大;第二类消振策略同样没 有流量的增减，但不适用于高压系统;第三类消振策略需要溢流一定的高压油，带来一定程 度的能量损失。现有的研究当中未发现有采用往管路中注入小流量油液来消除压力脉动波 谷值的脉动主动控制方法。 【实用新型内容】：
[0007] 鉴于现有技术的以上不足，本实用新型的目的在于设计了一种新的压力脉动主动 控制系统，使之克服现有技术的缺点。
[0008] 本实用新型入流式脉动主动控制系统，采用如下的技术方案：
[0009] -种入流式流体脉动主动控制支路，设置在被控基本液压系统中的管道消振点处 用以提供脉动消除或减小。包括补油栗2、溢流阀3、压电式节流阀4、参考压力传感器5、误差 压力传感器6、A/D转换模块7、D/A转换模块8、控制器9和相应管路;压电式节流阀4作为流体 脉动主动控制的执行部件连接在液压管路的消振点处，其出口连接主管路，其入口与补油 栗2的出口相连接;安装在基本液压系统中的主栗1出口附近的参考压力传感器5采集压力 信号，通过A/D转换模块7后输入控制器9;控制器处理后输出信号通过D/A转换模块8和放大 电路后控制压电式节流阀4的开口；补油栗2通过压电式节流阀4向主管路中注入小部分油 液，消除压力脉动波的谷值。
[0010]这样，安装在节流阀与主栗出口之间的参考压力传感器采集压力信号，通过A/D转 换模块后输入控制器，控制器处理后输出信号，通过D/A转换模块和放大电路后控制压电式 节流阀的开口，补油栗向主管路中注入小部分油液，消除压力脉动波的谷值。安装在消振点 附近的误差传感器检测主管路中的残余脉动，该压力信号通过A/D转换模块后输入控制器， 作为控制器参数调整的参考依据。
[0011]压电式节流阀4的阀芯采用锥阀结构，驱动装置是压电陶瓷执行器，是由环型结构 的压电陶瓷薄片堆叠而成，阀芯的尾端与压电陶瓷固结，并在压电陶瓷的端部用弹簧来施 加一定的预紧力。压电式节流阀在输入电压为0时，压电陶瓷不产生位移，阀开口为0。压电 式节流阀的压电陶瓷伸长量为X时，补油栗经过节流阀注入主管路的油液流量
:d为流量系数;D为节流口直径，m;X为阀芯位移，即压电陶瓷的 伸长量，m;a为锥阀半锥角，％以为补油栗的工作压力，Pa;PL为系统主管路的压力， Pa;p为油 密度，kg/m3。
[0012] 控制器9为神经网络控制器，采用BP神经网络算法，其权值调整依据是误差传感器 采集到的残余脉动值最小。神经网络的权值调整采用最速下降法。
[0013] 采用本实用新型的结构，利用额外的补油栗通过高频响的节流阀为系统进行补 油，当压力脉动波的波谷来临时，通过主动调节节流阀开口大小，入流一定的流量来降低系 统的压力脉动。采用主动消振器产生与初始压力脉动等幅值、反相位的次级压力脉动，相互 叠加以衰减脉动。本实用新型结构简单且具有良好的效果。
【附图说明】：
[0014] 图1是本实用新型入流式脉动主动控制支路原理图；
[0015] 图2是本实用新型压电式节流阀的结构图；
[0016]图3是压电式节流阀阀芯位移的频率响应特性曲线；
[0017] 图4是BP神经网络控制框图；
【具体实施方式】：
[0018] 下面结合附图举例对本实用新型做更详细的描述：
[0019] 本实用新型入流式流体脉动主动控制支路，其控制对象是基本的液压管路系统， 如图1所示，本实用新型一种入流式流体脉动主动控制支路设置在被控基本液压系统（图1 以节流阀10代表负载）中的管道消振点处用以提供脉动消除或减小。压电式节流阀4作为流 体脉动主动控制的执行部件连接在液压管路的消振点处，其出口连接主管路，其入口与补 油栗2的出口相连接;安装在主栗1出口附近的参考压力传感器5采集压力信号，通过A/D转 换模块7后输入控制器9;控制器处理后输出信号通过D/A转换模块8和放大电路后控制压电 式节流阀4的开口；补油栗2通过压电式节流阀4向主管路中注入小部分油液，消除压力脉动 波的谷值。
[0020] 在安装时，在管道消振点处引出一旁支路，安装本实用新型支路。
[0021] 工作时，电机带动柱塞栗(主栗)和补油栗从油箱中吸油，柱塞栗产生较大流量的 高压油，进入液压管路中，在液压管路的末端连接节流阀模拟负载，油液流经负载后回到油 箱。压电式节流阀的入口连接补油栗;在柱塞栗和补油栗的出口都连接有溢流阀，控制管路 的最高工作压力，起安全保护作用;在柱塞栗出口附近安装一个压力传感器，作为参考压力 传感器，在消振点附近安装另一个压力传感器，作为误差压力传感器。
[0022] 本实用新型入流式流体脉动主动控制支路，消振阀采用压电陶瓷直接驱动的节流 阀，结构如图2所示，具有如下特点：（1)压电式节流阀的阀芯采用锥阀结构，驱动装置是压 电陶瓷执行器，是由环型结构的压电陶瓷PZT薄片堆叠而成，阀芯的尾端与压电陶瓷固结， 并在压电陶瓷的端部用弹簧来施加一定的预紧力。（2)压电式节流阀在输入电压为0时，压 电陶瓷不产生位移，阀开口为0。（3)压电式节流阀的压电陶瓷伸长量为X时，补油栗经过节 流阀注入主管路的油液流量 ，Cd为流量系数;D为节流口直径，m; X为阀芯位移，即压电陶瓷的伸长量，m;a为锥阀半锥角，％ps为补油栗的工作压力，Pa;pL为 系统主管路的压力，Pa;p为油密度，1^/!113。（4)此压电式节流阀的阀芯位移频率响应超过 1000Hz，如图 3。
[0023]本实用新型入流式流体脉动主动控制支路中，控制器采用BP神经网络算法，来匹 配系统中的非线性，图4是神经网络控制框图，该神经网络的特点是三层单输入单输出的BP 神经网络，控制器的目标函数应使误差传感器处的残余脉动最小，神经网络的权值调整采 用最速下降法。
【主权项】
1. 一种入流式流体脉动主动控制支路，设置在被控基本液压系统中的管道消振点处用 以提供脉动消除或减小，其特征在于，包括补油栗(2)、溢流阀（3)、压电式节流阀（4)、参考 压力传感器(5)、误差压力传感器(6)、A/D转换模块(7)、D/A转换模块(8)、控制器(9)和相应 管路;压电式节流阀(4)作为流体脉动主动控制的执行部件连接在液压管路的消振点处，其 出口连接主管路，其入口与补油栗(2)的出口相连接;安装在主栗（1)出口附近的参考压力 传感器(5)采集压力信号，通过A/D转换模块(7)后输入控制器(9);控制器处理后输出信号 通过D/A转换模块(8)和放大电路后控制压电式节流阀(4)的开口；补油栗(2)通过压电式节 流阀(4)向主管路中注入小部分油液，消除压力脉动波的谷值。2. 根据权利要求1所述的入流式流体脉动主动控制支路，其特征在于，所述压电式节流 阀（4)的阀芯采用锥阀结构，其驱动装置为压电陶瓷执行器。3. 根据权利要求1所述的入流式流体脉动主动控制支路，其特征在于，所述控制器(9) 为神经网络控制器。
【文档编号】F15B21/00GK205478676SQ201620173609
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月7日
【发明人】刘桓龙, 季晓伟, 柯坚
【申请人】西南交通大学