并聯式四薄板液壓脈動衰減器工作原理及實驗研究

周知進 戴哲冰 何 星

（湖南科技大學 機電工程學院，湘潭411201）

并聯式四薄板液壓脈動衰減器工作原理及實驗研究

周知進 戴哲冰 何 星

（湖南科技大學 機電工程學院，湘潭411201）

本文設計制造了一種四薄板并聯的液壓脈動衰減器，分析它的工作原理和固有頻率，利用ANSYS Workbench對其進行仿真分析，最后通過實驗測試脈動衰減器的衰減性能。

液壓脈動衰減器 頻率特性 實驗研究

引言

液壓系統的壓力脈動是由流量脈動遇到系統阻抗后產生的[1]。液壓泵是液壓系統中產生流量脈動的最主要根源。因此，針對液壓泵實施有效措施可以衰減脈動。通常，可以在液壓泵的出口安裝液壓脈動衰減器。實踐證明，此措施可以有效衰減和吸收壓力脈動。液壓脈動衰減器的研究與開發主要經歷了三代產品。第一代產品是阻尼式脈動衰減器和并聯蓄能器式，第二代以抗性脈動衰減器為主，第三代則以串聯蓄能器式和主動式為主。第二代和第三代產品目前在市場中可以見到。傳統結構振動式脈動衰減器體積大，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液壓脈動衰減器。首先計算載流薄板的固有頻率，然后通過ANSYS Workbench仿真分析液壓脈動衰減器的衰減特性，最后通過實驗研究分析該衰減器的衰減特性。

1 固有頻率的計算

本文研究的是一種新型的四薄板并聯液壓脈動衰減器，其原理圖、等效模型和在液壓系統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。由于四振動薄板和液壓油相互之間的耦合作用，由此產生在液壓系統中的脈動壓力就會作用在四薄板上，從而引起四薄板的振動產生形變，而四薄板的振動和形變又引起液壓油的流量和壓力脈動的變化。

液壓油在液壓系統中會產生一定的脈動壓力，從而引起四薄板的受迫振動。四周固定彈性薄板對應各個諧振頻率無量綱振動位移函數為：

經過計算，最終得出當載流薄板阻抗最小時：

本文在SolidWorks中建立流體模型，導入FLUNET，對薄板進行三階模態分析，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 液壓脈動衰減器的AN SYS W orkbench仿真模型

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

2.1 邊界條件

本文根據實驗中壓力脈動量設置入口邊界條件P（t）由下式給出：

P(t)=P0+Ptsin(2πfpgt)

其中，P0為穩態壓力幅值，設置為6MPa；Pt為液壓脈動幅值，設置為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 對比求解

建立一個未安裝脈動衰減器的管路模型進行對比求解，如圖4所示。

圖4 對比直管道模型圖

2.3 仿真結果分析

將其他條件設置一樣，仿真模型中的薄板直徑設置為單薄板D=20mm，D=25mm，D=30mm，D=35mm以及四個薄板并聯，得到仿真結果；然后使用插入損失的方法，計算得到脈動衰減的結果，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衰減器的濾波特性的曲線衰減峰值也不同。當液壓油買定的頻率與薄板發生諧振時，就會產生液壓油脈動的能量損失，從而達到衰減此頻率脈動峰值的目的。根據前面對薄板固有頻率的分析，可以發現四條衰減曲線的峰值基本出現在薄板的一階固有頻率附近，也就驗證了該脈動衰減器設計原理的正確性。對比四薄板并聯脈動衰減器頻率特性與每個單薄板，四薄板脈動衰減器的衰減曲線有四個波峰，即四個共振頻率。而單薄板只有一個，單薄板曲線的波峰對應的頻率值在100Hz左右，這與計算薄板固有頻率值相符合。另一方面，四薄板的波峰對應的頻率與前文所計算所得四個頻率值不是很相符。因為系統在同一個共振容腔內，當薄板與管道中的液壓油產生共振時，彼此都產生了影響。這就說明四個薄板的并聯作用不完全是薄板之間簡單的線性組合。

3 結論

本文利用ANSYS Workbench雙向流固耦合對四薄板并聯式液壓脈動衰減器進行雙向流固耦合仿真，分析脈動衰減器的脈動衰減的頻率特性，并制造實驗樣機對其進行相關的實驗研究，得到以下結論：

（1）計算薄板的固有頻率，并利用ANSYS Workbench對衰減器建立仿真模型。結果表明，該脈動衰減器衰減頻率與計算值相符，驗證了仿真的可行性。

（2）選擇多個不同尺寸的薄板進行分析，能夠實現較寬頻率范圍的濾波效果。改變薄板半徑可以實現器衰減特性的改變，厚度和半徑不同的薄板都對應著不同的衰減頻率。

（3）實驗與仿真結果對比分析表明，該脈動衰減器在較寬的頻率范圍內有較好的衰減效果。

[1]馬吉恩.軸向柱塞泵流量脈動及配流盤優化設計研究[D].杭州：浙江大學，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

國家自然科學基金項目“深海采礦機械液壓系統非線性耦合振動機理及可靠性研究”（51179073）。