一种压力自适应宽频囊式液压消声装置及方法与流程

本发明属于流体振动消声领域，更具体地，涉及一种压力自适应宽频囊式液压消声装置及方法。

背景技术：

液压管路上的流体振动噪声对系统零部件的寿命及外界环境有重大影响，液压消声装置是一种能有效抑制液压管路流体振动噪声的消声设备，其在各种液压管道系统中应用广泛。

目前市场上常见的液压消声装置主要有：阻性消声器、抗性消声器、复合式消声器以及囊式消声器。其中，阻性消声器是指将具有消声性能的阻性材料(如消声棉、碳纤维和泡沫等)内置在消声器内壁面，流体流经消声器时通过阻性材料吸收流体的振动噪声；抗性消声器是通过消声器内部波的反射和干涉现象来抑制振动噪声；复合式消声器是抗性消声器和阻性消声器的组合，具有二者的优点和缺点；囊式消声器内部有一个橡胶隔膜，通过橡胶隔膜和液压油间的相互作用来吸收流体中的振动和噪声。上述几种消声器中，囊式消声器更加适用于抑制液压管路中的流体振动噪声，其原因是：阻性消声器使用一段时间后容易堵塞以及液压油温度的升高会破坏阻性消声结构，且阻性消声器主要是抑制中高频的振动噪声；抗性消声器用于抑制液压管路的振动和噪声时，其结构较大，安装空间往往收到限制，且其消声频带窄；而囊式消声器体积小、消声性能好且消声频带宽。不过，现有的囊式消声器虽然消声性能较好，但是其只能在一定的系统工作压力范围内具有良好的消声性能，当系统工作压力波动范围较大时，并不能在整个工作压力范围内均具有较好的消声性能。

因此，为了使液压消声器能有效抑制液压管道系统中不同工作压力时的流体振动噪声，需研究一种新型的囊式消声器，使其具有消声频带宽、消声性能好、且在整个工作压力范围内都具有良好消声性能的特点。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种压力自适应宽频囊式液压消声装置及方法，其通过关键组件如外壳体、内壳体、支撑轴及端盖的相互配合作用形成一高压气腔和一低压气腔，通过控制低压气腔与高压气腔及大气的连通和关闭状态，使得低压气腔内的气体压力随着液压系统工作压力的变化而变化，达到全压消声的目的，有效抑制液压系统中不同工作压力时的流体振动噪声，具有消声频带宽，消声性能好，体积小，在液压系统整个工作压力范围内都具有良好消声性能的特点。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种压力自适应宽频囊式液压消声装置，该装置包括外壳体、内壳体和支撑轴，其中：

所述外壳体套装在所述内壳体的外部，其内壁面与所述内壳体的外壁面之间形成一腔体作为高压气腔；所述内壳体的两端由端盖密封，所述支撑轴穿过内壳体两端的端盖，并且其与两端盖的内端面及内壳体的内壁面之间形成的空间作为扩张腔，该扩张腔内设置有橡胶隔膜，所述橡胶隔膜与内壳体的内壁面之间形成一腔体作为低压气腔；

所述支撑轴的外部套装有穿孔套筒，并且其一端与外部的待消声的液压系统导通，以此通过所述穿孔套筒将所述液压系统、支撑轴以及所述扩张腔三者导通；工作时，所述低压气腔可根据低压气腔内的气体压力及液压系统的工作压力有选择的与外界大气导通，或与所述高压气腔导通，或与两者均不导通，以此自适应调整其内部的气体压力，使其与液压系统的工作压力保持一致。

作为进一步优选的，所述低压气腔优选通过压力控制组件实现气体压力的调整，该压力控制组件包括高压电-气伺服阀、分别安装在液压系统的液压管路、低压气腔和高压气腔上的压力传感器以及开设在内壳体上的流道组，所述高压电-气伺服阀分别与各压力传感器和流道组相连，用于根据压力传感器测得的压力开启对应的工位以使得对应的流道导通，进而使得低压气腔与外界大气导通，或者与高压气腔导通，或者与外界大气和高压气腔均不导通。

作为进一步优选的，所述高压电-气伺服阀优选为三位三通伺服阀，包括左位、中位和右位，所述流道组优选包括第一流道、第二流道和第三流道，当所述高压电-气伺服阀左位工作时，所述第一流道和第二流道导通，以使得低压气腔与外界大气导通；当所述高压电-气伺服阀中位工作时，所述第一流道、第二流道和第三流道三者互不导通，使得低压气腔与外界大气和高压气腔均不导通；当所述高压电-气伺服阀右位工作时，所述第二流道和第三流道导通，使得低压气腔与高压气腔导通。

作为进一步优选的，当低压气腔内的气体压力大于液压系统的工作压力时，高压电-气伺服阀左位工作，低压气腔内的气体排向大气进而实现放气；当低压气腔内的气体压力小于液压系统的工作压力时，高压电-气伺服阀右位工作，高压气腔内的气体进入低压气腔内使其压力上升进而实现充气；当低压气腔内的气体压力等于液压系统的工作压力时，高压电-气伺服阀中位工作，低压气腔内的气体压力保持不变，即既不充气也不放气。

作为进一步优选的，所述高压气腔内的气体压力为液压系统最高工作压力的1.5～2倍，该高压气腔的体积为液压系统稳定工作时低压气腔体积的3～5倍，且其体积在工作过程中固定不变。

作为进一步优选的，所述穿孔套筒的穿孔率设置为15％～25％，优选设置为20％。

作为进一步优选的，工作时低压气腔的体积与扩张腔的体积之比控制在0.7～0.9。

按照本发明的另一方面，提供了一种压力自适应宽频囊式液压消声方法，其采用所述的装置实现，包括如下步骤：

1)液压系统的液压油依次经支撑轴和穿孔套筒进入扩张腔以压缩橡胶隔膜使其靠近内壳体的内壁，同时利用高压气腔向低压气腔充气，以使得低压气腔的体积达到预设体积，并使其内部的气体压力与液压系统的工作压力相等；

2)保持低压气腔的体积不变，测量低压气腔内的气体压力及液压系统的工作压力，通过比较两个压力的大小有选择的使低压气腔与外界大气导通，或与高压气腔导通，或与两者均不导通，以自适应调整低压气腔内部的气体压力，使得该气体压力与液压系统的工作压力保持一致。

作为进一步优选的，通过测量高压气腔内的气体压力判断低压气腔的体积是否达到预设体积。

作为进一步优选的，步骤2)中，当低压气腔内的气体压力大于液压系统的工作压力时，低压气腔与外界大气导通，低压气腔内的气体排向大气使其压力下降；当低压气腔内的气体压力小于液压系统的工作压力时，低压气腔与高压气腔导通，高压气腔内的气体进入低压气腔内使其压力上升；当低压气腔内的气体压力等于液压系统的工作压力时，低压气腔与外界大气和高压气腔均不导通。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明的消声装置具有一个高压气腔和一个低压气腔，通过控制低压气腔与高压气腔及大气的连通和关闭状态，使得低压气腔内的气体压力随着液压系统工作压力的变化而变化，进而达到全压消声的目的，具有消声频率范围宽，消声性能好，在液压系统的整个工作压力范围内都具有良好的消声性能。

2.本发明还研究设计了压力控制组件，通过压力控制组件中的高压电-气伺服阀、压力传感器和流道组的配合作用，可实现低压气腔选择与外界大气导通，或者与高压气腔导通，或者与外界大气和高压气腔均不导通三种工作状态，进而实现放气、充气或维持不变，以自适应调整低压气腔内部气体压力，保证内部气体压力与液压系统的工作压力保持一致。

3.本发明还对高压电-气伺服阀的具体类型及流道组的具体结构进行了研究与设计，优选具有左位、中位和右位的三位三通伺服阀作为本发明的伺服阀，优选将流道组设计为包括第一流道、第二流道和第三流道，通过开启三位三通伺服阀的对应工位可使得对应流道导通，进而使得低压气腔处于相应的工作状态，具有结构简单，操作方便的优点。

4.本发明还对高压气腔的体积及其气体压力、穿孔板的穿孔率、工作时低压气腔与扩张腔的体积比等参数进行了研究与设计，以进一步提高消声装置的消声性能。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种压力自适应宽频囊式液压消声装置的结构示意图；

图2是图1的a-a向的剖面图；

图3是图1的b-b向的剖面图；

图4是本发明实施例提供的内壳体上的流道示意图；

图5是本发明实施例提供的消声装置开始工作前的初始状态示意图；

图6是本发明实施例提供的消声装置低压气腔被压缩到指定体积及关键尺寸的示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-密封圈，2-压力传感器，3-螺栓，4-端盖，5-支撑轴，6-穿孔套筒，7-外壳体，8-内壳体，9-单向阀，10-传感器信号线，11-高压电-气伺服阀，12-控制器，13-扩张腔，14-o型密封圈，15-橡胶隔膜，16-第一流道，17-第二流道，18-第三流道，19-高压气腔，20-低压气腔，21-液压管路。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1-3所示，本发明实施例提供的一种压力自适应宽频囊式液压消声装置，该装置包括外壳体7、内壳体8和支撑轴5，其中，外壳体7套装在内壳体8的外部，两者之间通过螺栓3连接，并通过o型密封圈14密封。该外壳体7的内壁面与内壳体8的外壁面之间形成的空腔作为高压气腔19，该高压气腔19的作用是当低压气腔20内的压力需要增大时，用于对低压气腔20进行充气，该高压气腔19上设置有用于充气和放气的单向阀9。

内壳体8的两端由端盖4密封，支撑轴5穿过内壳体8两端的端盖，并且其外表面与两端盖的内端面及内壳体8的内壁面之间形成的空间作为扩张腔24，该扩张腔24内设置有橡胶隔膜15，该橡胶隔膜15与内壳体8的内壁面之间形成的空腔作为低压气腔20，出于安全考虑及防止外部杂质进入消声装置内部，端盖4与内壳体8的内壁面之间设置有密封圈1。支撑轴5的外部设置有穿孔套筒6，并且其导通管道和扩张腔内的液压油，具体与液压系统的液压管路21导通，以此通过穿孔套筒6将液压系统、支撑轴5以及扩张腔三者导通。工作时，低压气腔20可根据低压气腔20内的气体压力及外部的液压系统的工作压力有选择的与外界大气导通，或与高压气腔19导通，或与两者均不导通，以此自适应调整低压气腔20内部的气体压力以适应液压系统工作压力的变化，即低压气腔20的气体压力随着液压系统工作压力的变化而变化，也即液压系统液压油工作压力上升时低压气腔20的气体压力上升，液压系统液压油工作压力下降时低压气腔20的气体压力下降，以使得低压气腔20内部的气体压力始终与液压系统的工作压力保持一致。

具体而言，低压气腔20优选通过压力控制组件实现气体压力的调整，该压力控制组件包括高压电-气伺服阀11、压力传感器2以及开设在内壳体8上的流道组，其中压力传感器2设置有3个，一个压力传感器安装在液压系统的液压管路21上，用于测量液压管路内液压油的压力(即液压系统的工作压力)，另一压力传感器安装在低压气腔20上，用于测量低压气腔20内气体的压力，还有一个压力传感器安装在高压气腔19上，用于测量高压气腔19内气体的压力。高压电-气伺服阀11分别与各压力传感器2和流道组相连，用于根据压力传感器2测得的压力开启对应的工位，使得低压气腔20与外界大气导通以进行放气，或者与高压气腔19导通以进行充气，或者与外界大气和高压气腔19均不导通，既不充气也不放气，保持气体压力不变。

如图1和图4所示，伺服阀11优选为三位三通伺服阀，分别为左位、中位和右位，该高压电-气伺服阀11的具体工作状态(中位/左位/右位)由控制器12控制，控制器12首先控制低压气腔20被压缩到指定体积，然后控制低压气腔20内的气体压力随着液压系统工作压力的改变而改变。具体的，控制器12与高压电-气伺服阀11相连，并通过传感器信号线10与三个压力传感器2相连，该控制器12根据压力传感器测得的压力控制高压电-气伺服阀11的工作状态(中位/左位/右位)，实现低压气腔20内部的气体压力的自适应调节。流道组优选包括第一流道16、第二流道17和第三流道18，三个流道均开设在内壳体8上，以作为低压气腔、高压气腔以及外界大气连通的通道。其中，第一流道16与高压电-气伺服阀11和外界导通，第二流道17与伺服阀11和低压气腔20导通，第三流道18与伺服阀11和高压气腔19导通。当高压电-气伺服阀11左位工作时，第一流道16和第二流道17导通，以使得低压气腔20与外界大气导通，进行放气；当高压电-气伺服阀11中位工作时，第一流道16、第二流道17和第三流道18三者互不导通，使得低压气腔20与外界大气和高压气腔19均不导通；当高压电-气伺服阀11右位工作时，第二流道17和第三流道18导通，使得低压气腔20与高压气腔19导通，进行充气。

具体的，当低压气腔20内的压力需要增大时，由高压电-气伺服阀11控制第二流道17和第三流道18导通，高压气腔19内的高压气进入低压气腔20，进而使低压腔20内的气体压力上升，此过程为高压气腔19给低压气腔20充气；低压气腔20的充气过程中，在低压气腔20内气体的压力和液压系统的工作压力相等后，高压电-气伺服阀11回中位，低压气腔20和高压气腔19之间的流道断开，充气过程结束；低压气腔20的压力需要降低时，通过伺服阀使低压气腔20和大气连通，从而低压气腔20内的压力气体排向大气，进而使低压气腔20内的气体压力下降。即高压电-气伺服阀11的工作状态(左位/右位/中位)由低压气腔20、高压气腔19和液压系统的工作压力决定，低压气腔20的压力大于液压系统工作压力时高压电-气伺服阀11左位工作，使低压气腔20与外界大气导通，进行放气，低压气腔20的压力等于液压系统工作压力时高压电-气伺服阀11中位工作，不放气也不充气，低压气腔20的压力小于液压系统工作压力时高压电-气伺服阀11右位工作，使低压气腔20与高压气腔19导通，进行充气。高压电-气伺服阀11的阀口开度由系统工作压力的变化速度决定，系统故障压力变化快，则伺服阀开度变大；若系统工作压力变化慢，则伺服阀开度小。

进一步的，支撑轴5上开设有大孔(直径为10～20mm，优选设置为13mm)，穿孔套筒6上开设有小孔(直径为0.5～2mm，优选设置为0.8mm)，小孔尽可能均匀的分布在穿孔套筒上，穿孔套筒6的穿孔率优选设置为15％～25％，优选设置为20％，此处穿孔套筒的穿孔率为小孔所占面积与穿孔套筒总面积的比值，在该穿孔率下可使得消声器具有消声幅值大的消声特性。

更为具体的，橡胶隔膜15的材质选用具有良好机械性能、弹性和耐油性能的氢化丁晴橡胶或丁晴橡胶，低压气腔20内的气体通过橡胶隔膜15与液压系统的工作液压油分开，橡胶隔膜15的初始状态是与支撑轴5和穿孔套筒6的外壁面贴合，如图5所示。液压系统开始工作后，液压油进入扩张腔，以挤压橡胶隔膜，使其向内壳体靠近，同时高压气腔向低压气腔充气，通过液压油和充气的共同作用使得低压气腔达到预设体积，如图6所示。更进一步的，高压气腔19的体积是液压系统稳定工作时低压气腔20体积的3～5倍，优选3.5倍，且高压气腔19的体积在工作过程中固定不变，液压系统工作前，预先给高压气腔19内充入一定压力的气体譬如氮气，压力为液压系统最高工作压力的1.5～2倍，例如本实施例中液压系统最高工作压力为10mpa，则给高压气腔19内充入15mpa～20mpa压力的氮气。更具体而言，低压气腔20的体积在工作过程中(即低压气腔被压缩后的体积)和扩张腔体积(即内壳体内壁与两端盖内壁及支撑轴和穿孔套筒的外壁形成的区域的体积)的比值控制在0.7～0.9，从而使消声器具有良好的消声器性能，液压系统停止工作时，低压气腔20内的气体压力随着液压系统逐渐降低为0mpa，低压气腔20内部气体排出，外部的液压油也对橡胶隔膜失去压缩作用，橡胶隔膜逐渐恢复到初始状态，仍然与支撑轴5和穿孔套筒6的外壁面贴合。例如，本实施例中穿孔套筒的外径r1为40mm，扩张腔内径r2为80mm，扩张腔长度l为100mm，则扩张腔体积为1.5l(πr2²l-πr1²l)，则设定低压气腔20被压缩后的体积为1.05l～1.35l。此外，将进口至出口的延伸长度l1与扩张腔的长度l的比值设计为0.15～0.35，优选为0.2，以进一步提高消声特性。

下面对压力自适应宽频囊式液压消声装置的工作原理及工作过程进行说明。本发明的主要原理是采用低压气腔的气体压力自适应系统工作压力的变化，而实现液压系统中流体振动噪声的抑制，低压气腔气体压力自适应是指低压气腔内气体的压力随着液压系统工作压力的变化而变化，同时保持低压气腔被压缩后的体积和扩张腔的体积比值为某一设定值不变。上述压力自适应分为两步，第一步是液压系统开始工作时，橡胶隔膜被压缩到预先设定的位置，即低压气腔的体积达到预设体积；第二步是低压气腔内气体的压力随着液压系统工作压力的改变而改变，此时低压气腔的体积保持不变。

对于第一步而言，其在液压系统开始工作时，液压系统的液压油经支撑轴、穿孔套筒进入扩张腔作用在橡胶隔膜上，以压缩橡胶隔膜，同时高压气腔给低压气腔充气，低压气腔内的压力逐渐升高，直至低压气腔达到预设体积，且此时低压气腔的压力等于液压系统的瞬时工作压力，橡胶隔膜两侧压力达到平衡，低压气腔的体积不再变小。

具体而言：

假设液压系统开始工作时，液压系统某一瞬间的工作压力为ps1，预先设定低压气腔的预设体积和扩张腔的体积比为a，则低压气腔压缩到指定位置时，低压气腔气体的体积和质量分别通过式(1)和式(2)计算：

m1＝ρ1vl1(2)

式中，vl1为低压气腔的预设体积，r2为扩张腔的内径，r1为穿孔套筒的外径，l为扩张腔的长度，ρ1为常温下气体压力为ps1时气体的密度，该密度可通过查表或公式计算得到。

由于通过高压气腔给低压气腔充气，假设高压气腔放气过程为等温过程，则高压气腔某时刻流出气体的质量为：

式中，m2为从高压气腔流出气体的总质量，ph0为高压气腔的初始压力，ph1为液压系统工作压力为ps1时高压气腔的压力，vh为高压气腔的体积，r为气体常数，t为外界环境的温度。

根据从高压气腔流出的气体质量等于流入低压气腔气体的质量，有：

根据上式可得到低压气腔体积达到预设体积vl1且低压气腔压力为液压系统压力ps1时，高压气腔的压力ph1为：

从而，根据上式(5)可以得到液压系统启动后，在液压系统的瞬时工作压力为ps1时，测得高压气腔的压力下降到ph1时，低压气腔的体积即到达预设体积，且此时低压气腔的压力与液压系统的工作压力相等。

对于第二步而言，当低压气腔的体积到达指定体积后，控制低压气腔内气体的压力随着液压系统工作压力的变化而变化，通过控制低压气腔内的气体压力与液压系统的工作压力保持一致，使得低压气腔的体积保持不变，其具体控制方法如下：

(1)液压系统工作压力上升

此时需要提高低压气腔的压力，使其与液压系统的工作压力保持一致，具体通过高压气腔放气以对低压气腔进行充气实现，假设充放气过程均为绝热过程，则高压气腔放气时的气体压力的微分方程为式(6)，低压气腔充气的微分方程为式(7)：

其中：

qm＝ae·pu·ψ(pu,pd)(8)

式中，dph为高压气腔的压力的瞬时变化量，t为时间，v为气体体积，dmh为高压气腔内气体质量的瞬时变化量，k为压缩气体比热比，qm1为从高压气腔流出气体的流量，dpl为低压气腔的瞬时压力变化量，dml为低压内气体质量的瞬时变化量，v1为低压气腔的体积，qm2为流入低压气腔气体的流量，ae为伺服阀矩形阀口有效通流面积，ae＝4cd·b·xv，cd为伺服阀流量系数，b为阀套矩形窗口宽度，xv为伺服阀阀芯位置；pu为阀口上游气体压力；σcr为临界压力比，将流经阀口气体分为非壅塞流与壅塞流；pd为阀口下游压力；t为外界环境的温度。

由于高压气腔放出的气体质量等于低压气腔充气气体的质量，即qm1＝qm2，从而可得到低压气腔压力和高压气腔压力的微分关系：

在进行控制时，首先根据各压力传感器测得的压力判断伺服阀的工作状态(左位/右位/中位)，当判断为左位工作(低压气腔充气)时，控制器首先控制伺服阀切换到左位工作，然后控制器根据对应的压力传感器得到低压气腔和系统压力的压力差来控制伺服阀的开度xv，进而实现低压气腔的压力迅速等于或无限接近于液压系统工作压力，式(6)～式(10)的作用是从理论上得到不同伺服阀开度时，低压气腔和高压气腔的理论瞬时压力。

(2)系统工作压力下降

系统工作压力下降时，低压气腔内的气体压力需要排出，此时通过伺服阀使低压气腔和大气相通，使低压气腔的压力下降，低压气腔放气微分方程为式(11)：

其中，qm1通过式(8)求得。

在进行控制时，首先根据各压力传感器测得的压力判断伺服阀的工作状态(左位/右位/中位)，当判断为右位工作(低压气腔放气)时，控制器首先控制伺服阀切换到右位工作，然后控制器根据压力传感器测得的压力得到低压气腔和系统压力的压力差来控制伺服阀的开度xv，进而实现低压气腔的压力迅速等于或无限接近于液压系统工作压力，式(11)的作用是从理论上得到不同伺服阀开度时，低压气腔的理论瞬时压力。

即当液压系统的工作压力上升时，利用高压气腔对低压气腔进行充气，使其压力上升，直至与液压系统的工作压力相；当液压系统的工作压力下降时，低压气腔向外界排气，使其压力下降，直至与液压系统的工作压力相等，由此使得低压气腔内部的气体压力始终与液压系统的工作压力保持一致，即橡胶隔膜内外的压力始终保持一致，由此可使得低压气腔压缩至预设体积后体积始终保持不变。

本发明的压力自适应宽频囊式液压消声装置及方法，相比于传统液压消声器，消声频率范围更宽，消声性能更好，在整个工作压力范围内都具有良好的消声性能。本发明的消声装置具有一个高压气腔和一个低压气腔，通过伺服阀控制低压气腔和高压气腔及大气的连通和关闭状态，当液压系统工作压力上升时，伺服阀控制低压气腔和高压气腔连通，通过高压气腔给低压气腔充气；当液压系统工作压力下降时，伺服阀控制低压气腔与大气连通，低压气腔向大气排气。通过上述各状态保证消声器工作时低压气腔内的气体压力随着系统工作压力的变化而变化(气压自动适应系统压力的变化)，最终达到全压消声的目的，由于低压气腔内的气体压力可随着液压系统工作压力的变化而变化，使得本发明的消声装置在液压系统的整个工作压力范围内都具有良好的消声性能。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。