泵源液压系统压力脉动抑制方法研究

《起重运输机械》 2010 (10) 泵源液压系统压力脉动抑制方法研究 * 何志勇1，2 何清华2 李自光1 1 长沙理工大学汽车与机械工程学院 长沙 410076 2 中南大学机电工程学院 长沙 410083 摘 要:介绍了泵源液压系统振动与噪声产生的原因，分析了液压系统振动与噪声的危害。制造了一 种基于流体—结构耦合振动的结构共振式液压脉动滤波器，在转运车泵源液压系统压力脉动测试试验平台上进 行了 2 组试验。测试了泵源液压系统实际工况的压力脉动和安装滤波器后系统的压力脉动情况，得出 2 种试验 条件下的液压脉动波动幅度和脉动率。验证了结构共振式液压脉动滤波器的使用效能和不足，为液压系统振动 控制提供了新的技术手段。 关键词:泵源回路;压力脉动;耦合振动;滤波器;试验研究 中图分类号:TH137 文献标识码:A 文章编号:1001 － 0785 (2010)10 － 0024 － 03 Abstract:This paper introduces the causes for the generation of the hydraulic pump system's vibration and noise，and analyzes the hazard of the hydraulic pump system's vibration and noise. Wherein，a kind of structure resonant hydraulic pul- sation wave filter based on fluid-structure coupling vibration is designed and manufactured，and two sets of experiment are performed on the platform for testing the pressure pulsation of the hydraulic pump system of material transfer vehicle. The ex- periment tests the pressure pulsation under the actual working conditions of the hydraulic pump system，and the pressure pulsation conditions after installation of the wave filter，thus to conclude the hydraulic pulsation fluctuation range and pul- sation rate respectively under two testing conditions. The effective utilization and weakness of the structure resonant hydrau- lic pulsation wave filter are then verified，to provide new technical measures for vibration control of the hydraulic system. Keywords:hydraulic pump circuit;pressure pulsation;coupling vibration;wave filter;experimental study 液压系统的振动与噪声主要来自于液压泵源， 液压泵的内部结构特性决定了输出的流量不是恒 定而是变化的，泵的输出流量遇到系统负载阻抗 后形成系统压力，从而使输出流量和压力产生周 期性［1］，引起振动与噪声。除利用振动原理进行 工作的液压设备外，液压系统振动与噪声通常是 非常有害的。机械振动与噪声可以采用目前比较 成熟的措施予以消减和隔离。而流体压力脉动引 发的振动和噪声沿管路传播，直接导致管道的应 力脉动和机械振动，影响系统工作可靠性。抑制 流量和压力脉动的技术包括脉动源、传递特性和 响应特性的研究和改善等内容［2，3］，可以从 2 个方 面来考虑: (1)从改进液压泵本身结构的角度出 发，尽量降低其输出流量的脉动［4，5］; (2)从负载 系统的角度出发，对泵输出的压力脉动进行衰减 和滤波，减小系统的动态输入阻抗［6，7］。本文采用 一种结构共振式［8］滤波器对液压系统压力脉动进 行抑制，取得一定的效果。 1 压力脉动滤波器结构及工作原理 滤波器结构如图 1 所示，包括管接头、滤波 器壳体、上下隔板、固定板、弹性振动体。其中 具有一定质量的弹性振动体通过柔性连接装配在 上下隔板的孔中，中间钻有阻尼孔，因此每个弹 性振动体构成 “质量 +弹簧 +阻尼”集中参数振 动系统。 图 1 压力脉动滤波器结构原理图 1. 管接头 2. 滤波器壳体 3. 上下隔板 4. 固定板 5. 弹性振动体 工作时，当具有一定脉动频率 ω0 的液压油经 —42— * 国家自然科学基金项目 (50875028)、湖南省自然科学基金重点项目 (09JJ3087)、湖南省科技项目 (2009GK3126)、湖南省教 育厅项目 (05C242)、湖南省重点学科建设项目、湖南省科技计划项目 (2010FJ3003) 《起重运输机械》 2010 (10) 管接头 P口进入容腔时，如果 ω0 接近某一集中参 数振动系统的共振频率 ω，将会引起该集中参数振 动系统形成共振，从而通过流体—结构的耦合振 动将液体振动转换成结构的振动，消除液压系统 中流量和压力的周期性波动，吸收压力冲击，降 低因液压振动造成的机械振动，经减振后的液压 油从 T口流出，以此达到液压系统的减振降噪效 果，提高液压系统工作可靠性。 2 试验研究及结果分析 为了研究泵源液压回路压力脉动情况及采取 滤波后液压脉动抑制的效果，在转运车泵源液压 系统压力脉动测试试验平台 (如图 2)上设计了 2 组实验。第 1 组不采用滤波器，将图 2 中滤波器更 换为软接管，直接测试泵源液压回路压力脉动的 实际工况。第 2 组采用基于流体—构件耦合共振 式压力脉动滤波器进行压力脉动衰减，检验滤波 器的使用效果。 2. 1 试验平台工作原理 转运车泵源液压系统压力脉动测试试验平台 原理如图 2 所示，包括变频调速器、电机、变量 泵、溢流阀、蓄能器、可调节流阀、传感器等。 试验时，用变频调速电机调整液压泵的流量脉动 频率，用节流加载模拟设备工作负荷，测量液压 泵转速、稳态流量、滤波器 (软接管)前后的动 态压力等参数，可以进行液压泵性能试验、液压 冲击试验、液压脉动试验、管网振动试验等。测 量数据进入数据采集与分析系统，进行在线和离 线分析，得到试验结果。 图 2 液压系统压力脉动测试试验平台原理图 2. 2 试验结果分析 试验中，通过变频调速电机调定液压泵的转 速为 2 320 r /min，通过溢流阀调定系统压力 12. 5 MPa，通过可调节流阀调定稳态流量 76. 6 l /min， 试验测定软接管及滤波器前后的动态压力，结果 如图 3 和图 4 所示。 图 3 系统接软接管前后压力—时间曲线 图 4 系统接滤波器前后压力—时间曲线 图 3 中，P1 表示系统实际动态工作压力，P2 表示经软接管后系统的动态压力。试验数据显示: P1 波动幅度最大值为 13. 431 6 MPa，最小值为 11. 362 9 MPa，振幅为 2. 068 7 MPa，脉动率为 16. 5%;P2 波动幅度最大值为 12. 726 9 MPa，最 小值为 11. 256 1 MPa，振幅为 1. 470 8 MPa，脉动 率为 12. 1%。结果表明，泵源系统实际工作压力 脉动率相当大，对系统工作的稳定性构成了相当 大的威胁。同时所接入的软接管由于直径较大， 具有一般扩张腔式滤波器特点，也有一定的压力 脉动抑制作用，但效果有限。 图 4 中，P1 表示滤波前系统的动态压力，P2 表示经滤波后系统的动态压力。试验数据显示: P1 波动幅度最大值为 13. 433 1 MPa，最小值为 11. 579 2 MPa，振幅为 1. 853 9 MPa，脉动率为 14. 7%;P2 波动幅度最大值为 12. 399 8 MPa，最 小值为 11. 600 9 MPa，振幅为 0. 798 9 MPa，脉动 率为 6. 62%。试验结果表明，在转运车泵源系统 接入滤波器后，压力脉动得到明显改善，该方法 是可行的。 3 结论 (1)基于流体—结构耦合振动的滤波器，将 —52— 《起重运输机械》 2010 (10) 流体振动控制问题变成了结构振动控制问题，为 液压系统振动控制提供实用技术手段。 (2)结构共振式滤波器对液压脉动衰减具有 一定的作用，但具有频率选择性。试验所用滤波 器的集中参数振动系统为同一参数，不能改变共 振频率，使用有很大的局限性。实际施工中，由 于设备负载的不断变化，其压力脉动频率也是动 态变化的。 (3)结构共振式滤波器对系统压力有损失，即 滤波器对液压脉动衰减的同时也消耗了系统能量。 (4)今后工作重点是根据液压系统脉动频率 特征，匹配 “质量 +弹簧 +阻尼”集中参数振动 系统各子系统结构参数，优化产品结构，拓宽频 率选择范围，提高滤波效能。 参考文献 ［1］雷天觉 . 液压工程手册［M］. 北京:机械工业出版社， 1990. ［2］刘忠族，孙玉东，吴有生 . 管道流固耦合振动及声传 播的研究现状及展望［J］. 船舶力学，2000，5 (2) : 82 － 90. ［3］祁仁俊 . 液压系统压力脉动的机理［J］. 同济大学学 报，2001，29 (9) :1017 － 1022. ［4］甘学辉，吴晓铃，侯东海 . 液压齿轮泵的性能研究 ［J］. 机械设什与制造，2001 (3) :69，70. ［5］严根华 . 液压泵振动与噪声的分析和控制研究［J］. 振 动、测试与诊断，1999，19 (4) :350 － 353. ［6］谢坡岸，王强 . 蓄能器对管路流体脉动消减作用的研 究［J］. 噪声与振动控制，2000 (8) :2 － 5. ［7］梁向东 . 液压消声器降噪特性试验研究［J］. 噪声与 振动控制，2000 (6) :28 － 30. ［8］ Huang L. 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The application example proves that the model is easy to use and is flexible to determine the indexes，and due to the adoption of the quantitative analysis method，the weak- ness of too few factors considered and the strong subjectivity in the cost analysis method and the weighted factor analysis method could be avoided. Keywords:mechanical parking equipment;type selection;ideal point method 1 引言 机械式停车库因其占地少、空间利用率高、 安全性好成为当今停车场的发展趋势。美国、德 国、意大利等西方国家对机械式停车设备的研究 —62—