一種全頻段變結構的液壓濾波方法
【專利摘要】本發明涉及一種全頻段變結構的液壓濾波方法，其采用S型面容腔濾波器衰減液壓系統高頻壓力脈動；利用彈性薄壁的受迫機械振動來削弱液壓系統中高頻壓力脈動；串并聯H型濾波器組在中低頻段對壓力脈動具有較好的濾波效果；由此實現了全頻譜的壓力脈動濾波。濾波器的軸向長度被設計為大于壓力脈動波長，且濾波器內的三種濾波結構在軸向長度范圍內具有一致的壓力脈動衰減效果，使濾波器具備工況自適應能力；三種濾波結構軸向尺寸和濾波器一致，其較大的尺寸也保證了液壓濾波器的濾波性能；自動適應壓力波動，濾波器的結構隨壓力變化而改變，可減少濾波壓力損耗，并降低濾波對液壓剛度的影響。
【專利說明】一種全頻段變結構的液壓濾波方法 【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種液壓濾波裝置，具體涉及一種全頻段變結構的液壓濾波方法，屬 于液壓設備技術領域。 【【背景技術】】
[0002] 液壓系統具有功率密度大、運行穩定性好等特點，在工程領域得到廣泛應用。隨著 液壓技術向高壓、高速和大流量方向發展，液壓系統中固有的壓力脈動的影響日益突出。相 關研究表明，當壓力脈動幅值超過液壓系統工作壓力的10%時，管路將形成較高的壓力而 導致管路系統破壞；當壓力脈動幅值超過液壓系統工作壓力的2~10%時，管路及閥門將產 生磨損，危及整個液壓系統的可靠性。
[0003] 壓力脈動是由流量脈動通過系統阻抗產生的，而流量脈動起源于液壓栗的輸出的 流量的脈動，在液壓栗處消除壓力脈動是液壓濾波最直接的方法。國內外學者對此進行了 許多研究，雖然采取了許多改進措施，但因液壓栗周期性排油機制的約束，要根除流量脈動 是不可能的。除了從源頭考慮如何衰減脈動，還可以從系統負載的角度來考慮，在管路上加 裝液壓濾波器可以降低系統的輸入阻抗（即減小栗的輸出阻抗)也能增加對壓力脈動的衰 減和吸收。
[0004] 液壓濾波器是從負載系統出發來衰減壓力脈動，從作用機理上可分為阻性濾波和 抗性濾波兩大類。抗性濾波原理是利用阻抗失配，使壓力波在阻抗突變的界面處發生反射 達到濾波的目的。但目前的抗性濾波器存在著以下不足：（1)液壓管道中的壓力脈動是時間 和位置的函數，定位安裝的液壓濾波器無法適應變工況情況；（2)抗性濾波器只對特定頻率 點及狹窄頻段才有良好濾波效果，無法實現廣譜濾波；（3)液壓濾波器對壓力脈動的衰減效 果不夠理想；（4)對流量脈動沒有濾波作用。
[0005] 為解決上述問題，專利文獻1 (中國發明專利申請，公開號CN101614231)公開了一 種液壓系統減振消聲器，其結構是擴張腔式減振器，固定聯接共振板簧上裝有不同質量的 質量體，質量體上有阻尼孔，這樣帶有不同質量體的共振板簧與阻尼孔組成"質量+彈簧+阻 尼"集中參數式耦合彈簧振動系統，從而達到廣譜濾波效果。該專利的減振消聲器的濾波效 果和彈性薄板上每個濾波單元的半徑以及厚度密切相關，由于在彈性薄板上設有多個濾波 單元以實現廣譜濾波，而每個單元的半徑和厚度都受限制，因此對濾波效果造成影響；同時 該專利的減振消聲器沒有解決壓力脈動隨位置變化的問題，對變工況情況的適應性欠佳。
[0006] 因此，為解決上述技術問題，確有必要提供一種創新的全頻段變結構的液壓濾波 方法，以克服現有技術中的所述缺陷。 【
【發明內容】
】
[0007] 為解決上述技術問題，本發明的目的在于提供一種全頻段變結構的液壓濾波方 法，其可衰減液壓系統中的高、中、低頻段的脈動壓力，從而起到全頻段工況自適應濾波作 用。
[0008] 為實現上述目的，本發明采取的技術方案為:一種全頻段變結構的液壓濾波方法， 其采用一種濾波裝置，該裝置包括輸入管、外殼、輸出管、S型彈性薄壁、Η型濾波器以及串聯 Η型濾波器;其中，所述輸入管連接于外殼的一端;所述輸出管連接于外殼的另一端;所述S 型彈性薄壁沿外殼的徑向安裝于外殼內，其內形成膨脹腔和收縮腔;所述輸入管、輸出管和 S型彈性薄壁共同形成一 S型容腔濾波器;所述S型彈性薄壁的軸向上均勻開有若干錐形變 結構阻尼孔;所述S型彈性薄壁和外殼之間形成串聯共振容腔I以及并聯共振容腔;所述串 聯共振容腔I的外側設一串聯共振容腔II，所述串聯共振容腔I和串聯共振容腔II之間通過 一錐形插入管連通;所述Η型濾波器位于并聯共振容腔內，其和錐形變結構阻尼孔相連通； 所述串聯Η型濾波器位于串聯共振容腔I和串聯共振容腔II內，其亦和錐形變結構阻尼孔相 連通;所述Η型濾波器和串聯Η型濾波器軸向呈對稱設置，并組成串并聯Η型濾波器；
[0009] 其包括如下方法：
[0010] 1)，液壓流體通過輸入管進入S型容腔濾波器，擴大的容腔吸收多余液流，完成高 頻壓力脈動的濾波；
[0011] 2)，通過S型彈性薄壁受迫振動，消耗流體的壓力脈動能量，完成中頻壓力脈動的 濾波；
[0012] 3)，通過串并聯Η型濾波器組，以及錐形變結構阻尼孔、錐形插入管和流體產生共 振，消耗脈動能量，完成低頻壓力脈動的濾波；
[0013] 4)，通過錐形變結構阻尼孔的錐形彈性阻尼孔管的伸縮和縫孔的開關，完成壓力 脈動自適應濾波。
[0014] 本發明的全頻段變結構的液壓濾波方法進一步設置為:所述輸入管和輸出管的軸 線不在同一軸線上。
[0015] 本發明的全頻段變結構的液壓濾波方法進一步設置為:所述錐形變結構阻尼孔開 口較寬處位于串聯共振容腔I和并聯共振容腔內，其錐度角為10° ;所述錐形變結構阻尼孔 錐形彈性阻尼孔管的楊氏模量比彈性薄壁的楊氏模量要大，能隨流體壓力變化拉伸或壓 縮;縫孔的楊氏模量比錐形彈性阻尼孔管的楊氏模量要大，能隨流體壓力開啟或關閉。
[0016] 本發明的全頻段變結構的液壓濾波方法還設置為:所述錐形插入管開口較寬處位 于串聯共振容腔Π 內，其錐度角為10°。
[0017] 與現有技術相比，本發明具有如下有益效果：
[0018] 1、本發明具有不同固有頻率的串并聯Η型濾波器組，在中低頻壓力波動頻率范圍 內形成了平坦的衰減頻帶；串聯Η型濾波器的兩個共振容腔之間由彈性薄壁隔開，拓寬了其 衰減頻帶寬度;濾波器的共振容腔橫跨整個自適應濾波器，由此可以得到較大的共振容腔 體積，加強衰減效果;錐形變結構阻尼孔和錐形共振管的錐度角均為10°，展寬了濾波頻率 范圍。
[0019] 2、本發明的S型容腔濾波器對高頻的壓力脈動波具有良好衰減效果，膨脹腔和收 縮腔之間過渡平滑，降低了腔體直徑突變帶來的系統壓力損失，濾波器的輸入管和輸出管 不在同一軸線上，提高了 10%以上的濾波效果。
[0020] 3、本發明的錐形變結構阻尼孔對不同脈動頻率和幅度的流體壓力可使濾波器改 變結構，既保證了液壓系統的全頻段全工況濾波，又降低了正常工況下濾波器的壓力損失， 保證了系統的液壓剛度。
[0021] 4、本發明的濾波器的軸向長度被設計為大于壓力脈動波長，在S型彈性薄壁的軸 向上均勻開有多個相同參數的錐形變結構阻尼孔，保證了濾波器內的三種濾波結構在軸向 長度范圍內具有一致的壓力脈動衰減效果，使濾波器具備工況自適應能力。三種濾波結構 軸向尺寸和濾波器一致，其較大的尺寸也保證了液壓濾波器的濾波性能。
[0022] 5、本發明的串并聯Η型濾波器組、S型容腔濾波器、彈性薄壁以及錐形變結構阻尼 孔相互結合成一個整體，使濾波器具備全頻段自適應壓力變結構脈動濾波性能。 【【附圖說明】】
[0023] 圖1是本發明的全頻段變結構的液壓濾波裝置的結構示意圖。
[0024]圖2是圖1中沿Α-Α的剖面圖。
[0025]圖3是圖2中Η型濾波器示意圖。
[0026] 圖4是圖2中串聯Η型濾波器示意圖。
[0027] 圖5是Η型濾波器和串聯Η型濾波器頻率特性組合圖。其中，實線為串聯Η型濾波器 頻率特性。
[0028] 圖6是串并聯Η型濾波器頻率特性圖。
[0029] 圖7是S型容腔濾波器的結構示意圖。
[0030] 圖8是S型彈性薄壁的橫截面示意圖。
[0031 ]圖9是圖2中錐形變結構阻尼孔的示意圖。
[0032] 圖9(a)至圖9(c)是錐形變結構阻尼孔的工作狀態圖。 【【具體實施方式】】
[0033] 請參閱說明書附圖1至附圖9所示，本發明為一種全頻段變結構的液壓濾波裝置， 其由輸入管1、外殼8、輸出管9、S型彈性薄壁7、Η型濾波器12以及串聯Η型濾波器13等幾部分 組成。
[0034] 其中，所述輸入管1連接于外殼8的一端;所述輸出管9連接于外殼8的另一端。所述 S型彈性薄壁7沿外殼的徑向安裝于外殼8內，其內形成膨脹腔71和收縮腔72。所述輸入管1 和輸出管9的軸線不在同一軸線上，這樣可以提高10%以上的濾波效果。
[0035] 所述輸入管1、輸出管9和S型彈性薄壁7共同形成一 S型容腔濾波器，從而衰減液壓 系統高頻壓力脈動。按集總參數法處理后得到的濾波器透射系數為：
[0036]
[0037] a-介質中音速L一收縮腔長度D-膨脹腔直徑Ζ-特性阻抗 [0038] γ-透射系數f一壓力波動頻率cU-輸入管直徑d-收縮腔直徑
[0039] lu-膨脹腔系數k2-收縮腔系數
[0040] 由上式可見，S型容腔濾波器和電路中的電容作用類似。不同頻率的壓力脈動波通 過該濾波器時，透射系數隨頻率而不同。頻率越高，則透射系數越小，這表明高頻的壓力脈 動波在經過濾波器時衰減得越厲害，從而起到了消除高頻壓力脈動的作用。同時，本發明的 S型容腔結構中，膨脹腔和收縮腔之間過渡平滑，有助于降低腔體直徑突變帶來的系統壓力 損失。濾波器的輸入管和輸出管不在同一軸線上，可以提高10%以上的濾波效果。
[0041 ]所述S型容腔濾波器的設計原理如下：當變化的流量通過輸入管進入S型容腔的膨 脹腔時，液流超過平均流量，擴大的膨脹腔可以吸收多余液流，而在低于平均流量時放出液 流，從而吸收壓力脈動能量。多級膨脹腔和收縮腔的組合則提高了濾波器的脈動壓力吸收 能力，也即濾波性能。膨脹腔和收縮腔之間采用曲面光滑過渡，則避免了由流體界面突變帶 來的沿程壓力損失及發熱。
[0042] 所述S型彈性薄壁7通過受迫機械振動來削弱液壓系統中高頻壓力脈動。按集總參 數法處理后得到的S型彈性薄壁固有頻率為：
[0043]
[0044] k-S型彈性薄壁結構系數h-S型彈性薄壁厚度R-S型彈性薄壁半徑
[0045] E-S型彈性薄壁的楊氏模量P-S型彈性薄壁的質量密度
[0046] η-S型彈性薄壁的載流因子μ-S型彈性薄壁的泊松比。
[0047] 代入實際參數，對上式進行仿真分析可以發現，S型彈性薄壁7的固有頻率通常比Η 型濾波器的固有頻率高，而且其衰減頻帶也比Η型濾波器寬。在相對較寬的頻帶范圍內，S型 彈性薄壁對壓力脈動具有良好的衰減效果。同時，本發明的濾波器結構中的S型彈性薄壁半 徑較大且較薄，其固有頻率更靠近中頻段，可實現對液壓系統中的中高頻壓力脈動的有效 衰減。
[0048]所述S型彈性薄壁7的設計原理如下:管道中產生中頻壓力脈動時，S型容腔對壓力 波動的衰減能力較弱，流入濾波器S型容腔的周期性脈動壓力持續作用在S型彈性薄壁7的 內外壁上，由于內外壁之間有支柱固定連接，內外彈性薄壁同時按脈動壓力的頻率做周期 性振動，該受迫振動消耗了流體的壓力脈動能量，從而實現中頻段壓力濾波。由虛功原理可 知，彈性薄壁消耗流體脈動壓力能量的能力和其受迫振動時的勢能和動能之和直接相關， 為了提高中頻段濾波性能，彈性薄壁的半徑設計為遠大于管道半徑，且薄壁的厚度較小，典 型值為小于〇.1_。
[0049] 進一步的，所述S型彈性薄壁7和外殼8之間形成串聯共振容腔14以及并聯共振容 腔5。所述串聯共振容腔14的外側設一串聯共振容腔113,所述串聯共振容腔14和串聯共振 容腔113之間通過一錐形插入管2連通，所述錐形插入管2開口較寬處位于串聯共振容腔113 內，其錐度角為10°。所述S型彈性薄壁7的軸向上均勻開有若干錐形變結構阻尼孔6。
[0050] 所述Η型濾波器12位于并聯共振容腔5內，其和錐形變結構阻尼孔6相連通。所述錐 形變結構阻尼孔6開口較寬處位于串聯共振容腔14和并聯共振容腔5內，其錐度角為10°。按 集總參數法處理后得到的濾波器固有角頻率為：
[0051]
[0052] a一一介質中音速U-一阻尼孔長Di-一阻尼孔直徑 [0053] L2一一并聯共振容腔高度D2-一并聯共振容腔直徑。
[0054]所述串聯Η型濾波器13位于串聯共振容腔14和串聯共振容腔113內，其亦和錐形變 結構阻尼孔4相連通。按集總參數法處理后，串聯Η型濾波器13的兩個固有角頻率為：
[0055]
[0057] a-介質中音速h-阻尼孔長cb-阻尼孔直徑13-共振管長
[0058] d3-共振管直徑12-串聯共振容腔1高度山一串聯共振容腔1直徑
[0059] 14 -串聯共振容腔2高度d4-串聯共振容腔2直徑。
[0060] 所述Η型濾波器12和串聯Η型濾波器13軸向呈對稱設置，并組成串并聯Η型濾波器， 用于展寬濾波頻率范圍并使整體結構更緊湊。本發明沿圓周界面分布了多個串并聯Η型濾 波器（圖中只畫出了2個），彼此之間用隔板20隔開，這多個濾波器的共振頻帶各不相同，組 合在一起后可全面覆蓋整個中低頻濾波頻段，實現中低頻段的全頻譜濾波。
[0061] 由圖5Η型濾波器和串聯Η型濾波器頻率特性及公式均可發現，串聯Η型濾波器有2 個固有角頻率，在波峰處濾波效果較好，而在波谷處則基本沒有濾波效果;Η型濾波器有1個 固有角頻率，同樣在波峰處濾波效果較好，而在波谷處則基本沒有濾波效果;選擇合適的濾 波器參數，使Η型濾波器的固有角頻率剛好落在串聯Η型濾波器的2個固有角頻率之間，如圖 6所示，既在一定的頻率范圍內形成了3個緊鄰的固有共振頻率峰值，在該頻率范圍內，無論 壓力脈動頻率處于波峰處還是波谷處均能保證較好的濾波效果。多個串并聯Η型濾波器構 成的濾波器組既可覆蓋整個中低頻段，實現中低頻段的全頻譜濾波。
[0062] 進一步的，所述錐形變結構阻尼孔6由錐形彈性阻尼孔管16和縫孔15組成，錐形較 窄端開口于彈性薄壁7。其中錐形彈性阻尼孔管16的楊氏模量比彈性薄壁7的楊氏模量要 大，能隨流體壓力變化拉伸或壓縮;縫孔15的楊氏模量比錐形彈性阻尼孔管16的楊氏模量 要大，能隨流體壓力開啟或關閉。故當壓力脈動頻率落在高頻段時，C型容腔濾波器結構起 濾波作用，錐形彈性阻尼孔管16和縫孔15都處于圖9(a)狀態;而當脈動頻率落在中頻段時， 濾波器結構變為C型容腔濾波器結構和彈性薄壁7濾波結構共同起作用，錐形彈性阻尼孔管 16和縫孔15都處于圖9(a)狀態；當脈動頻率落在某些特定的低頻頻率時，濾波器結構變為 插入式串并聯Η型濾波器、C型容腔濾波器結構和彈性薄壁濾波結構共同起作用，錐形彈性 阻尼孔管16和縫孔15都處于圖9(b)狀態，由于插入式串并聯Η型濾波器的固有頻率被設計 為和這些特定低頻脈動頻率一致，對基頻能量大的系統可起到較好的濾波效果；當脈動頻 率落在某些特定頻率以外的低頻段時，錐形彈性阻尼孔管16和縫孔15都處于圖9(c)狀態。 這樣的變結構濾波器設計既保證了液壓系統的全頻段全工況濾波，又降低了正常工況下濾 波器的壓力損失，保證了系統的液壓剛度。
[0063] 本發明還能實線工況自適應壓力脈動衰減。當液壓系統工況變化時，既執行元件 突然停止或運行，以及閥的開口變化時，會導致管路系統的特性阻抗發生突變，從而使原管 道壓力隨時間和位置變化的曲線也隨之改變，則壓力峰值的位置亦發生變化。由于本發明 的濾波器的軸向長度設計為大于系統主要壓力脈動波長，且濾波器的串并聯Η型濾波器組 的容腔長度、S型容腔的類Π 型抗性濾波器的長度和彈性薄壁的長度和濾波器軸線長度相 等，保證了壓力峰值位置一直處于濾波器的有效作用范圍內；而串并聯Η型濾波器的錐形變 結構阻尼孔開在彈性薄壁上，沿軸線方向均勻分布，使得壓力峰值位置變化對濾波器的性 能幾乎沒有影響，從而實現了工況自適應濾波功能。考慮到三種濾波結構軸向尺寸和濾波 器相當，這一較大的尺寸也保證了液壓濾波器具備較強的壓力脈動衰減能力。
[0064] 采用本發明的液壓濾波裝置進行液壓脈動濾波的方法如下：
[0065] 1)，液壓流體通過輸入管進入S型容腔濾波器，擴大的容腔吸收多余液流，完成高 頻壓力脈動的濾波；
[0066] 2)，通過S型彈性薄壁7受迫振動，消耗流體的壓力脈動能量，完成中頻壓力脈動的 濾波；
[0067] 3)，通過串并聯Η型濾波器組，以及錐形變結構阻尼孔、錐形插入管和流體產生共 振，消耗脈動能量，完成低頻壓力脈動的濾波；
[0068] 4)，將濾波器的軸向長度設計為大于液壓系統主要壓力脈動波長，且串并聯Η型濾 波器長度、S型容腔濾波器長度和S型彈性薄壁7長度同濾波器長度相等，使壓力峰值位置一 直處于濾波器的有效作用范圍，實現系統工況改變時壓力脈動的濾波；
[0069] 5)，通過錐形變結構阻尼孔的錐形彈性阻尼孔管的伸縮和縫孔的開關，完成壓力 脈動自適應濾波。
[0070] 以上的【具體實施方式】僅為本創作的較佳實施例，并不用以限制本創作，凡在本創 作的精神及原則之內所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本創作的保護范圍之 內。
【主權項】
1. 一種全頻段變結構的液壓濾波方法，其特征在于:其采用一種濾波裝置，該裝置包括 輸入管、外殼、輸出管、S型彈性薄壁、Η型濾波器以及串聯Η型濾波器;其中，所述輸入管連接 于外殼的一端;所述輸出管連接于外殼的另一端;所述S型彈性薄壁沿外殼的徑向安裝于外 殼內，其內形成膨脹腔和收縮腔;所述輸入管、輸出管和S型彈性薄壁共同形成一 S型容腔濾 波器;所述S型彈性薄壁的軸向上均勻開有若干錐形變結構阻尼孔;所述錐形變結構阻尼孔 由錐形彈性阻尼孔管和縫孔組成;所述S型彈性薄壁和外殼之間形成串聯共振容腔I以及并 聯共振容腔;所述串聯共振容腔I的外側設一串聯共振容腔II，所述串聯共振容腔I和串聯 共振容腔II之間通過一錐形插入管連通;所述Η型濾波器位于并聯共振容腔內，其和錐形變 結構阻尼孔相連通;所述串聯Η型濾波器位于串聯共振容腔I和串聯共振容腔II內，其亦和 錐形變結構阻尼孔相連通;所述Η型濾波器和串聯Η型濾波器軸向呈對稱設置，并組成串并 聯Η型濾波器； 其包括如下方法： 1) ，液壓流體通過輸入管進入S型容腔濾波器，擴大的容腔吸收多余液流，完成高頻壓 力脈動的濾波； 2) ，通過S型彈性薄壁受迫振動，消耗流體的壓力脈動能量，完成中頻壓力脈動的濾波； 3) ，通過串并聯Η型濾波器組，以及錐形變結構阻尼孔、錐形插入管和流體產生共振，消 耗脈動能量，完成低頻壓力脈動的濾波； 3)，通過錐形變結構阻尼孔的錐形彈性阻尼孔管的伸縮和縫孔的開關，完成壓力脈動 自適應濾波。2. 如權利要求1所述的全頻段變結構的液壓濾波方法，其特征在于:所述輸入管和輸出 管的軸線不在同一軸線上。3. 如權利要求1所述的全頻段變結構的液壓濾波方法，其特征在于:所述錐形變結構阻 尼孔開口較寬處位于串聯共振容腔I和并聯共振容腔內，其錐度角為10° ;所述錐形變結構 阻尼孔錐形彈性阻尼孔管的楊氏模量比彈性薄壁的楊氏模量要大，能隨流體壓力變化拉伸 或壓縮;縫孔的楊氏模量比錐形彈性阻尼孔管的楊氏模量要大，能隨流體壓力開啟或關閉。4. 如權利要求1所述的全頻段變結構的液壓濾波方法，其特征在于:所述錐形插入管開 口較寬處位于串聯共振容腔Π 內，其錐度角為10°。
【文檔編號】F15B21/04GK105864189SQ201610311918
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月12日
【發明人】顧巍
【申請人】紹興文理學院