本发明涉及液压管路系统振动控制领域，具体地涉及一种用于液压管路系统的消振装置，尤其是一种用于串联式液压管路系统的消振装置。
背景技术：
近年来，随着液压技术向高速高压化方向发展，液压管路系统中的振动与噪声造成的危害也日趋严重。系统中的流体振动主要来源于液压泵的流量脉动、阀类元件的启闭引起的压力冲击、气穴以及湍流这些复杂的流动状态与液压管路作用后，产生的强烈震动。此外，随着高压化的发展，管路流体振动还会表现为一种双向耦合作用，即对于强度较小的管路，管路变形会反过来作用于流体，使流体的流动状态更为复杂。这种由流固耦合产生的管路振动，易于使管道系统产生疲劳破坏和辐射噪声。
现有技术中，液压流体脉动所引起的管路振动与噪声问题，对于液压管路系统的性能和可靠性产生了严重影响。尤其对于长管路液压系统，当系统阀门启闭时，流体会对阀门和管壁产生一定压力，由于管壁光滑，后续水流在惯性的作用下，压力迅速达到最大，并产生破坏作用，这种现象被称为“水锤效应”。这对液压管路系统的振动与噪声控制，形成了障碍。因此，在液压管路系统设计中，必须采取有效措施以降低流体脉动所引起的管路振动与噪声。通过研究液压管路系统的流体脉动机理，探索有效的流体脉动控制方法对液压管路系统流体脉动进行抑制，对于改善和提高整个液压系统的综合性能具有非常重要的现实意义。
目前，液压管路系统中常见的振动控制方式可分为被动控制和主动控制。其中，被动控制是一种不需要外部能源的振动控制技术，一般是在结构的某个部位附加一个子系统，或对结构自身的某些构件做构造上的处理以成交结构体系的动力特性。例如赫尔姆茨滤波器，又称holmoltz共振液压滤波器，它是由直径为d、长度为l的小孔以及体积为v的容腔组成，其原理为当泵源压力波传到h型液压滤波器时，小孔中的液柱在压力脉动作用下，像活塞一样往复运动，运动的液柱具有一定质量，再加上管道的阻尼作用，削弱了压力脉动所引起的运动速度变化。另外，容腔中的液体具有阻碍来自小孔的压力变化的特性，当外来压力波的脉动频率与h型液压滤波器的固有频率相同时，便发生共振。此时，液柱在小孔中振动的速度最快，摩擦损耗最大，吸收的脉动能量也最多。质量谐振单元由惯性元件(质量块)与容性元件(弹簧)组成，压力脉动使质量块反复振动，使弹簧产生伸缩变化，将脉动能量转化为质量谐振单元的机械能。谐振单元的固有频率只与自身物理参数有关，故可吸收一定频率的压力脉动，其固有频率在压力脉动的谐振频率±30hz范围之内(弹簧预紧力等于流体额定工作压力)。上述两种被动控制单元设计结构简单，但控制效果相对较差，而且吸收不同频率的压力脉动能力相对较差。
主动控制是通过传感器等检测装置实时检测管路振动信号并反馈至控制器，令其输出相反的控制力，与激振力相抵，以达到抑制振动的目的。例如，在船舶管路系统中加装电磁吸振器以实现宽频减振，在泵口管路中加入主动节流阀进行旁路节流以消除压力脉动，以及在化工管路中优化阀门的启闭规律以降低水击振动等。主动控制的减振效果显著，能满足系统对不同振动的减振要求。
此外，智能振动控制器的研究也一直备受关注。例如，专利文献cn103758913a公开了一种混合模式磁流变减振器。该减振器在系统产生振动时，由活塞杆推动组合式电磁活塞压缩或复原，磁流变液通过磁流变液通道产生阻尼力，使振动衰减，通过外加电流改变电磁活塞与缸体之间的磁场强度，以此来改变磁流变液的粘度特性，右端盖压缩气体容腔，使减振器输出阻尼力大小变化，改善系统振动情况。专利文献cn102619924a公开了一种流动模式磁流变减振器。该减振器的磁路结构中的活塞分为上活塞和下活塞，上活塞和下活塞内部均开有两段圆弧形缝隙，将其作为阻尼通道，每个缝隙开口夹角为150°，缝隙接口处选用不导磁材料，通过焊接将两段缝隙联接，磁励线圈固嵌于上活塞和下活塞之间的线圈架上，形成单级激励流动模式磁流变减振器的磁路结构，磁励线圈通过活塞杆、活塞、阻尼通道、工作缸形成闭合磁回路，于阻尼通道处产生磁场。
这些专利文献中的技术在传统的气体式、弹簧式蓄能器的基础上，引入了磁流变液作为减振吸振介质，皮囊蓄能单元，虽然实现了阻尼系数的动态调节，取得了一定的改进与提升，也能满足了液压管路系统对蓄能器的基本要求，但是这些技术均属于液压管路系统的并联结构，在高速高压的液压管路系统中不能及时有效的吸收大量脉动。并且国内针对串联式蓄能器的研究，目前尚属空白。
技术实现要素：
针对至少一些如上所述的技术问题，本发明旨在提出一种用于液压管路系统的消振装置，该消振装置通过多次吸收压力脉动和脉动冲击实现消振功能，且其通过dsp控制，能够对管路工况做出实时响应，自动调节阻尼，实现动态控制。有效增强了消振装置的吸振功能，大大提高了消振装置的消振性能。
根据本发明，提出了一种用于液压管路系统的消振装置，包括：外缸体，外缸体的两端密封式连接有端盖；同心布置在所述外缸体内部且与所述端盖密封式连接的内管，在所述外缸体与所述内管之间形成有密封的环形空间，所述内管设有若干用于吸收压力脉动的质量谐振单元；设置在所述环状空间内的磁流变液阻尼机构，所述磁流变液阻尼机构将所述环形空间分为油液容腔和气体容腔，其包括安装在所述内管上的密封环形活塞和菌形活塞，所述密封环形活塞和菌形活塞构造成能沿所述内管轴向运动；以及隔膜式蓄能器，其包括设置在所述气体容腔内的橡胶隔膜，所述橡胶隔膜与所述菌形活塞接触，并能在所述菌形活塞的作用下压缩所述气体容腔内的气体。
在一个优选的实施例中，所述若干质量谐振单元沿所述内管的周向均匀分布，且尺寸不同。
在一个优选的实施例中，所述质量谐振单元包括弹簧和与所述弹簧相连的能够在压力脉动作用下反复振动的质量块。
在一个优选的实施例中，在所述内管的侧壁上还设有若干连通所述内管与所述油液容腔的油孔。
在一个优选的实施例中，所述磁流变液阻尼机构还包括设置在所述密封环形活塞与所述菌形活塞之间的阻尼孔板。
在一个优选的实施例中，所述阻尼孔板上设有若干周向均布且径向均匀间隔开的阻尼孔。
在一个优选的实施例中，所述磁流变液阻尼机构还包括若干周向均布的菌杆，所述菌杆的两端分别与所述密封环形活塞和菌形活塞紧固连接，且所述菌杆与所述阻尼孔板间隙配合。
在一个优选的实施例中，在所述外缸体上的对应于所述磁流变液阻尼机构的区域设有磁励线圈。
在一个优选的实施例中，在所述气体容腔的侧壁上设有用于控制所述气体容腔内气体含量的电控充气阀和电控排气阀。
在一个优选的实施例中，所述电控充气阀通过高压气体管路外接有高压氮气罐。
附图说明
下面将参照附图对本发明进行说明。
图1显示了根据本发明的用于液压管路系统的消振装置的结构剖视图。
图2显示了图1所示消振装置中的内管的结构。
图3显示了图1所示消振装置中的质量谐振器的结构。
图4显示了图1所示消振装置中的磁流变液阻尼机构的三维结构。
图5显示了图4所示磁流变液阻尼机构中的阻尼孔板的结构。
图6显示了图4所示磁流变液阻尼机构中的菌形活塞的结构。
在本申请中，所有附图均为示意性的附图，仅用于说明本发明的原理，并且未按实际比例绘制。
具体实施方式
下面通过附图来对本发明进行更详细地介绍。需要说明的是，下文中的方位用语如“上游”、“下游”等是相对于流体的流动方向来描述的，并不起任何限制性作用。
图1显示了根据本发明的用于液压管路系统的消振装置100的结构的剖视图。如图1所示，该消振装置100包括外缸体10。外缸体10的两端均设有法兰，外缸体10两端通过法兰分别安装有上端盖1和下端盖30。外缸体10与上端盖1及下端盖30均通过密封螺栓7紧固连接，且在外缸体10的法兰与端盖之间设有密封垫圈8，在端盖与密封螺栓7之间均设有密封垫圈29，从而使得外缸体10与两端盖形成密封连接。由此，在两者之间形成有密封空间。
如图1所示，上端盖1包括圆盘状的本体部分，在本体部分的中心设有轴向延伸的管状连接部，管状连接部的中心设有贯穿整个端盖的流道。管状连接部设有径向外凸的凸缘，其用于密封连接管接头。上端盖1的管状连接部通过管接头3连接其他的液压管道，在上端盖1与管接头之间可安装密封圈3以保证管路连接的密封性能。下端盖30的结构与上端盖1的结构相似，不同之处在于，下端盖30的管状连接部设置成与管接头2的结构相匹配。由此，可在管路系统中，通过管接头2连续连接多个消振装置100，从而能够进一步增强管路系统的消振性能。同时，上端盖1和下端盖30的这种连接结构使得安装方便，操作简单，且能有效保证端盖与液压管道之间的密封性。
根据本发明，在外缸体10内安装有内管5。如图1所示，内管5与外缸体10同心布置。内管5压紧安装在上端盖1与下端盖30之间，且内管5的两端与两端盖之间设有密封垫圈4，从而使端盖与内管5之间形成密封。同时，在外缸体10与内管5之间形成了密封的环形空间。在本实施例中，内管5的中心管道与端盖的流道相连通，且内管5的中心管道与端盖的流道的直径相同。
如图1和2所示，在内管5的侧壁上设有若干质量谐振单元6。该若干质量谐振单元6在内管5的周向上均匀分布，且设置在相同的轴向位置。例如，在内管5的侧壁上设有四个质量谐振单元6。在一个实施例中，四个质量谐振单元由相同的材料制成，但设置成不同的尺寸。质量谐振单元6的固有频率只与自身质量m和刚度k有关，由此，不同尺寸的质量谐振单元6能够吸收不同频率的液体脉动，这有效地增强了吸收脉动的效率，从而有效提高了消振装置100的消振性能。此外，在内管5的侧壁上还设有若干在内管5的周向上均匀分布的油孔9，若干油孔9也设置成不同的尺寸。油孔9的作用将在下文中详细介绍。
如图3所示，质量谐振单元6包括谐振单元本体，在谐振单元本体内设有质量块62和弹簧64。质量块62在压力脉动的作用下可沿内管5的径向方向反复振动，使弹簧64产生伸缩变化，从而将脉动能量转化为质量谐振单元6的机械能，以降低管路中的压力脉动，达到消振的效果。在一个实施例中，质量谐振单元6的固有频率处于压力脉动的谐振频率的±30hz范围内。
在工作过程中，如图1所示，油液由消振装置100的上端进入内管5。之后，经过周向均匀布置的质量谐振单元6，质量谐振单元6能够振动吸收不同频率的脉动，从而吸收部分脉动压力。之后，油液经油孔9进入密封的环形空间，油孔9中的液柱在脉动压力作用下，像活塞一样反复运动，运动的液柱具有一定质量，再加上管道的阻尼作用，削弱了压力脉动所引起的速度变化。此外，环形腔内的油液也具有阻碍来自油孔压力变化的特性。由此，通过油孔9，进一步吸收了油液的压力脉动，从而提高了消振装置100的消振性能。
根据本发明，如图1和4所示，在外缸体10与内管5所形成的密封的环形空间内设有磁流变液阻尼机构50。磁流变液阻尼机构50将环形空间分成了油液容腔11和气体容腔60，且油液容腔11处于气体容腔60的上方。如图1所示，磁流变液阻尼机构50包括安装在内管5上的密封环形活塞15和菌形活塞20，密封环形活塞15处于菌形活塞20的上方，且在密封环形活塞15与菌形活塞20之间形成有磁流变液容腔51。密封环形活塞15及菌形活塞20与外缸体10及内管5之间均形成动密封，从而使磁流变液容腔51密封。在磁流变液容腔51中设有阻尼孔板17，阻尼孔板17固定安装在外缸体10与内管5之间。磁流变液阻尼机构50还包括若干菌杆18，该若干菌杆18周向均匀布置。在一个优选的实施例中，磁流变液阻尼机构50设有三根菌杆18。在菌杆18的两端均加工有螺纹。菌杆18的上端通过菌形螺母13与密封环形活塞15紧固连接，且下端通过螺纹与菌形活塞20紧固连接，而菌杆18的中间部分与阻尼孔板17形成间隙配合。
如图4所示，密封环形活塞15构造成圆盘状，且中心设有第一安装孔90，第一安装孔90的直径设置成等于内管5的直径。阻尼孔板17也构造成圆盘状，在阻尼孔板17的中心设有通孔，该通孔的直径设置成等于内管5的直径。如图5和图6所示，在阻尼孔板17的盘面上周向均匀分布若干小孔，且在径向上依次均布排列。此外，在阻尼孔板17上还设有用于穿过菌杆18的第二安装孔91，第二安装孔91周向均匀分布，且第二安装孔91的直径设置成略大于菌杆18的直径，用以保证菌杆18与阻尼孔板17之间的间隙配合。在工作过程中，密封环形活塞15在压力脉动的作用下能沿内管5的轴向运动，使得磁流变液通过阻尼孔板17上均布的小孔并耗散能量，从而达到吸振消振的作用。同样地，菌形活塞20也构造成圆盘状，其中心设有通孔，通孔直径等于内管5的直径，用以安装到内管5上。同时，菌形活塞20的下端面设置成弧面。另外，在阻尼孔板17与菌形活塞20之间还设有若干菌杆弹簧，菌杆弹簧均沿着菌杆18对应设置。菌杆弹簧能够防止菌形活塞20向上振动而与阻尼孔板17撞击，起到一定的缓冲作用，有效保护了菌形活塞20，同时具有一定的消振效果。
根据本发明，磁流变液阻尼机构50还包括磁励线圈16。如图1所示，磁励线圈16设置在外缸体10上的对应于密封环形活塞15与菌形活塞20之间的区域。在外缸体10上还设有磁流变液注入口，该注入口设置在阻尼孔板17与菌形活塞20之间的外缸体10的侧壁上，且在该注入口安装有密封端盖18。将磁流变液通过注入口充入磁流变液容腔，并在磁励线圈16通入电流时产生磁场，磁流变液在磁场作用下改变阻尼系数。磁流变液在磁场作用下由低粘度的牛顿流体转变为高粘度、低流动性的bingham流体(即宾汉流体)。压力脉动使密封环形活塞15运动，磁流变液通过阻尼孔板17上的阻尼孔并耗散能量。由此，通过磁流变液阻尼机构50进一步吸收压力脉动，有效提高了消振装置100的的消振性能。
根据本发明，消振装置100的控制系统采用dsp控制。磁流变液阻尼机构50在dsp控制下，根据管路检测传感器的输入信号为基础，输出控制信号，以使磁流变液阻尼机构50对管路工况做出实时响应，自动调节阻尼，实现动态控制。
如图1所示，消振装置100还包括隔膜式蓄能器70。隔膜式蓄能器70设置在磁流变液阻尼机构50下游端，且设置在气体容腔60内。隔膜式蓄能器70包括橡胶隔膜22，橡胶隔膜22通过环形卡簧23固定安装在气体容腔60的侧壁上。橡胶隔膜22的上端面构造成弧形面，且与菌形活塞20的弧面接触。在工作过程中，压力脉动及压力冲击通过菌形活塞20传导至橡胶隔膜22，从而通过压缩气体容腔60内的气体而吸收能量，由此，将脉动压力及脉动冲击的动能转化为内能，以实现吸振功能。
如图1所示，在气体容腔60的侧壁上设有电控充气阀27和电控排气阀31，用于通过向气体容腔60内充入或排出气体来控制气体容腔60内的气体压力。如图1所示，在气体容腔60的侧壁上设有进气阀口28，进气阀口28连接有高压气体管路26，且电控充气阀27与进气阀口28相连。在气体容腔60的外部连接有高压氮气罐12，用于在线调节消振装置100的气压，以实现气体刚度在线调整。高压氮气罐12通过管接头25与高压气体管路紧固连接，并通过高压气体管路26与气体容腔60连接。高压氮气罐12设有开关阀24，用于控制高压氮气罐12罐口的启闭。
在本实施例中，电控充气阀27和电控排气阀31的启闭也由dsp控制。工作过程中，dsp控制中心接收设置在上游端接口的压力传感器的检测信号，然后输出信号至电控充气阀27，当系统压力降到一定值，电控充气阀27的阀口开启，向气体容腔充入定量氮气，使气体容腔60的压力达到理想值。当系统压力达到一定值，dsp输出信号至电控放气阀31，电控放气阀31的阀口开启，排出定量氮气，使气体容腔60的压力降低到理想值。由此，实现气体刚度在线调节。
根据本发明，隔膜式蓄能器70的气体压力的调节根据不同工况分为工况1、工况2、工况3等三个阶段控制，工况1为液压管路系统处于正常状态，管路中的压力脉动较弱，此时，液压管路系统阀口全部开启，主要通过质量谐振单元6与磁流变液阻尼机构50吸收压力脉动，减少液压管路系统的振动。工况2表现为液压管路系统中的压力脉动较为明显，此时，液压管路系统阀口处于未全部关闭状态，该工况下，质量谐振单元6、油孔9、磁流变液阻尼机构50和隔膜式蓄能器70均处于工作状态，依次吸收管路中的压力脉动，减少液压管路系统的振动。工况3为紧急状态下的特殊工况，此时，液压管路系统阀口处于全部关闭状态，此状态下水锤效应最为明显，该工况下，质量谐振单元6、油孔9、磁流变液阻尼机构50和隔膜式蓄能器70也均处于工作状态，用于快速反应，依次有效地吸收管路中的压力脉动，减少液压管路系统的振动。
下面简述根据本发明的消振装置100的工作工程。油液从消振装置100的上端进入内管5，经过质量谐振单元6时，不同尺寸的质量谐振单元6振动吸收不同频率的脉动，通过振动吸收部分压力。之后，油液流经油孔9进入油液容腔11，该油孔9中的液柱在脉动压力作用下反复运动，由于运动的液柱具有一定质量，且管道的阻尼作用削弱了脉动压力所引起的速度变化，同时，油液容腔11内的油液也具有阻碍来自小孔压力变化的特性，这样进一步吸收脉动达到消振功能。之后，压力脉动和压力冲击经过磁流变液阻尼机构50。压力脉动及冲击作用在密封环形活塞15的上端面而使其产生轴向运动。将磁流变液充入磁流变液容腔51中，并在磁励线圈16通电时产生磁场，磁流变液在磁场作用下改变阻尼系数，磁流变液通过阻尼孔板17上的阻尼孔并耗散能量。同时，通过菌杆18作用到菌形活塞20上，进而传导至橡胶隔膜22，从而通过压缩气体容腔60中的气体体积而吸收能量。由此，通过多次吸收压力脉动和脉动冲击实现消振装置100的消振吸振功能。在工作过程中，消振装置100通过dsp控制磁流变液阻尼机构50，对管路工况做出实时响应，自动调节阻尼，实现动态控制。
根据本发明的消振装置100，其通过质量谐振单元6在压力脉动作用下能够将脉动能量转化为质量谐振单元6的机械能，且通过油孔9及油液消耗部分压力脉动，使得消振装置100能够有效吸收不同频率的压力脉动，降低了液压管路系统中的振动。同时，在系统运行过程中，通过dsp控制中心接收信号自动调节磁流变液阻尼机构50，实现自动的、动态的调整其阻尼系数，并通过密封环形活塞15产生轴向运动，使磁流变液流过阻尼孔板17上的孔而耗散能量，从而实现吸振功能，同时满足系统吸收压力冲击和压力脉动的快速性、稳定性要求。消振装置100还能通过隔膜式蓄能器70压缩气体体积吸收能量，将压力脉动及压力冲击转化为气体内能，从而吸收脉动能量，实现吸振功能。消振装置100综合了隔膜式蓄能器响应快、气密性好及活塞式蓄能器拆装方便的优点，同时还具有高适应性、高集成度、体积小、质量轻等优点。有效增强了消振装置100的吸振功能，大大提高了消振装置100的消振性能。
最后应说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施方案而已，并不构成对本发明的任何限制。尽管参照前述实施方案对本发明进行了详细的说明，但是对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。