一种基于压电分流阻尼技术的液压管路流体脉动衰减装置

摘要

本发明公开了一种基于压电分流阻尼技术的液压管路流体脉动衰减装置,衰减器(31)的中部为一长方体密封腔体，腔体的左右两端分别具有流入液压流体的进口圆管(1)和流出液压流体的出口圆管(11)，进口圆管(1)和出口圆管(11)的部分伸入衰减器腔体内；腔体内表面的上部和下部分别设置有PVDF压电薄膜，PVDF压电薄膜上置有将其两面引出密封腔体外与外部形成电连接的引出线。本发明利用主动滤波衰减低频脉动，被动滤波衰减中、高频脉动，将主、被动滤波结合，既可保持液压系统原有的动特性，又可在较宽频带内提高脉动衰减效果。

说明书

技术领域

本发明属于液压管路流体脉动控制领域，具体涉及一种基于压电分流阻尼 技术的液压管路流体脉动衰减装置。

背景技术

由于轴向柱塞泵自身结构特性以及巨大压差导致油液反冲回油缸，使得柱 塞泵同时存在着固有流量脉动和回冲流量脉动，且以回冲流量脉动为主。泵输 出的流量脉动在流经液压管道时，由于管道中节流口、阀口等的存在，会产生 压力脉动。管道内的压力、流量脉动会诱发管路振动、产生噪声，从而降低液 压元件寿命，严重时会导致灾难性的事故。因此，控制和削弱液压管路系统的 流体脉动具有很重要的现实意义。

目前，流体脉动衰减分为被动控制和主动控制两部分。被动控制主要是在 液压系统中设置衰减器，国内外已先后研制成功了多种类型的脉动衰减装置并 在实际应用中取得了不同程度的衰减效果。但随着液压系统向着高压、大流量、 大功率密度方向发展，液压流体脉动被动控制也暴露出了许多缺点，例如：(1) 在实际液压系统中，由于系统的复杂性，如非线性、分布参数以及不确定性等 因素，使得系统很容易受到外界干扰的影响。而传统的脉动衰减器往往属于被 动式，其结构参数不可变，即使可变，也是人工手动调节，不具有自适应削减 脉动波的能力；(2)一般地，脉动能量主要集中在200Hz以下频率范围，衰减 这个频率段内的脉动是很重要的。采用被动控制方法时，衰减器对中、高频脉 动削减比较好，但对低频脉动，由于体积庞大、衰减效果不太理想，其中阻性 衰减器能量损失过大，而抗性衰减器也各有不足。

流体脉动主动控制是利用专门的装置产生一个附加压力波，使它与源压力 脉动波频率相同、幅值相等且相位相差，以此来消减系统中的压力与流量脉 动。目前，主动滤波的方法主要有：(1)在管道中直接加装伺服作动器，通过 其往复运动来增大或减小管路容积，产生压力脉动波抵消原液压系统中的压力 脉动；(2)在管道外壁安装压电陶瓷或磁致伸缩等智能材料作动器，通过作动 器的运动使管壁发生弹性变形，从而在管道内产生压力脉动波；(3)基于旁路 溢流原理，在主管路中引出一分叉管路，在分叉管路上安装由压电陶瓷等智能 材料驱动的主动节流阀、主动消振阀或伺服阀，通过控制阀的运动，达到抑制 主管路脉动的效果。随着液压系统的发展，前人所研究的液压流体脉动主动控 制方法也暴露出了许多缺点，总结如下：(1)当加装伺服作动器时，由于要产 生幅值大小相等、相位相差的次级脉动波，这就使得作动器体积较大；又由 于在高压液压系统中，作动器要承受很大的负载，使得其驱动电压或磁场强度 非常大，会引起作动器过热等一系列问题；(2)因为管路中的高压流体会使管 道刚度变大，因此若要管道发生变形，则要很大的执行力，利用液压系统管壁 的变形来产生压力脉动波的流体脉动主动控制大多应用于低压的液压管路系 统，对于高压液压系统并不适用；(3)主动滤波虽然消除脉动的效果较好，但 主动控制系统复杂、成本昂贵，因此目前只处于实验室水平。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于压电分流阻尼技术的液压管路流体脉动衰 减装置，该装置不仅结构紧凑，还实现了流体脉动的主、被动一体化控制，结 合各自的优点，能够有效削弱宽频带内的脉动和振动、噪声。

本发明的目的是通过如下的手段实现的。

一种基于压电分流阻尼技术的液压管路流体脉动衰减装置,衰减器机械结 构部分31的中部为一长方体密封腔体，腔体的左右两端分别具有流入液压流 体的进口圆管1和流出液压流体的出口圆管11，进口圆管1和出口圆管11的 部分伸入衰减器腔体内；腔体内表面的上部和下部分别设置有PVDF压电薄 膜，PVDF压电薄膜上置有将其两面引出密封腔体外与外部形成电连接的引出 线，即：用于与可控电感型压电分支电路24连接的上引出线(5和8)和用于 与电荷放大电路27连接的下引出线(18和19)；衰减器腔体内的进口圆管1、 出口圆管11的侧壁上布满孔径大小不均匀的微孔；衰减器腔体的内径大于进 口圆管1和出口圆管11的内径，形成内插管单室扩张式结构。

进一步地，作为本发明的一种基于压电分流阻尼技术的液压管路流体脉动 衰减装置：在制作压电传感器时，为了提高灵敏度，将二片或二片以上具有相 同性能的PVDF压电薄膜17并联连接，薄膜两侧的铝电极15和16各是一层 很薄的铝箔，与PVDF压电薄膜的粘结非常牢固，也很柔韧，可以承受很高的 应力和做大幅度的弯曲应变。用环氧树脂14包裹PVDF压电薄膜17及其铝电 极，这样既起到绝缘作用又可以保护薄膜避免与管道中的流体发生接触。

进一步地，可控电感型压电分支电路24由可控电感元件25和可控电阻元 件26串联组成，构成分支电路压电阻尼系统。作为本发明的一种基于压电分 流阻尼技术的液压管路流体脉动衰减装置：当PVDF压电薄膜17采用并联连 接时，前置放大器应配接高增益和高输入阻抗的电荷放大器，因此将下端盖通 孔(20和21)引出的下引出线(18和19)与电荷放大电路27相连。由于压 电传感器等效电路只有在负载为无穷大，内部无漏电时，受力产生的电压U或 电荷q才能长期保持不变；如果负载不是无穷大，则电路就要按指数规律进行 放电(详见李金田于2004年在《传感器技术》上发表的《压电传感器与前置 放大器的配接》)，因此压电传感器的测量电路首先要接入一个高输入阻抗的前 置放大器。

本发明将衰减器上端盖通孔(6和9)引出的引出线(5和8)与可控电感 型压电分支电路24相连，这种分支电路压电阻尼系统由可控电感元件25和可 控电阻元件26串联组成，其中可控电阻元件26的作用是耗散由于流体脉动引 起的压力能，可控电感元件25的功能是储存流体压力能。通过调整分支电路 中电阻和电感的值，可以使压电系统的谐振频率与流体脉动基波频率相一致， 从而达到抑制压力脉动的作用。

本发明衰减器腔体内部的进口圆管和出口圆管的侧壁上布满微孔。所述微 孔(22)和(23)的孔径在0.1-0.3mm之间变化。查阅国内脉动衰减装置专利， 如中国专利公布号CN102226491A，公布日2011.10.26，发明专利的名称为用 于输液管路流体消脉降噪装置，该发明公开了一种用于输液管路流体消脉降噪 装置，装置中的微孔Ⅰ的孔径和微孔Ⅱ的孔径均为1-3mm，同一块微孔板上的 孔直径是相同的。该装置存在的不足：根据马大猷院士的微穿孔板结构理论， 只有当微孔孔径小于1mm时，才容易获得宽频带吸收(详见马大猷院士于1975 年在《中国科学》上发表的《微穿孔板吸声结构的理论和设计》)，因此该发明 装置脉动衰减频带较窄；并且采用的同一孔径微孔板只对单一脉动频率有效。 针对这些缺陷，本发明公开的一种脉动衰减装置中的微孔(22)、(23)孔径均 未超过0.3mm，且孔径在0.1-0.3mm之间变化。通常，微穿孔板的声阻随着孔 径的变小而大大提高，当达到0.3mm或更小时，其吸声带宽就相当可观了(详 见张斌于2007年在《应用声学》上发表的《用传递矩阵法预测单层或多层微 孔板的吸声性能》)。拥有多种不同孔径孔的同一块微孔板吸声性能已有实验研 究及结果，实验表明：不同孔径微孔板具有拓展吸声带宽的能力，比同一孔径 微孔板更具优势，吸收带宽加大，同时不降低吸声系数。

综上所述，本发明的一种基于压电分流阻尼技术的液压管路流体脉动衰 减装置集合主、被动控制来提高其抑制脉动的能力。利用主动滤波衰减低频脉 动，被动滤波衰减中、高频脉动，将主、被动滤波结合，既可保持液压系统原 有的动特性，又可在较宽频带内提高脉动衰减效果。

附图说明

图1为本发明的一种基于压电分流阻尼技术的液压管路流体脉动衰减装置 机械部分的纵向剖视图。

图2为电荷放大电路示意图。

图3可控电感型压电分支电路示意图。

图4为本发明实施例液压管路流体脉动主、被动一体化控制系统原理图。

图5为控制器原理图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明基于压电分流阻尼技术的液压管路流体脉动衰减装置，如图1、2、 3所示，进口圆管1、出口圆管11的部分伸入衰减器腔体内，且通过螺纹部分 13与端盖3相连。衰减器左右端盖3与上下端盖7之间通过开槽圆柱头螺钉4 连接；为了增大电荷放大电路27的输出电压，将PVDF压电薄膜17并联连接， 并且在PVDF压电薄膜两侧粘结铝电极(15和16)，从而制作成PVDF压电薄 膜传感器；用环氧树脂14将PVDF压电薄膜17以及铝电极进行包裹，再通过 502粘合剂10将其粘合在上、下端盖的内壁上；在脉动衰减器上、下端盖表面 开通孔(6、9、20和21)，从而将铝电极上的引出线(5、8、18和19)引出。 将上引出线(5和8)引出连接可控电感型压电分支电路24，下引出线(18和 19)引出连接电荷放大电路27；在位于衰减器腔体内的进口圆管1、出口圆管 11的侧壁上布满孔径大小不均匀的微孔(22和23)。

本发明的控制对象是基本的液压管路系统，一个典型的例子如图4所示， 由油箱、油滤、电机、阻塞泵、蓄能器、溢流阀、液压管路和可调节流阀组成。 具体的连接关系为：电机带动柱塞泵从油箱中吸油，产生一定流量的高压流体， 若油液压力达到溢流阀调定压力时，直接溢流回油箱；若油液压力未达到溢流 阀调定压力时，油液进入液压管路中，在液压管路末端安装作为负载的可调节 流阀，高压流体流经可调节流阀回到油箱；其中，皮囊式蓄能器起到吸收脉动 和稳压的作用，油滤过滤掉油液中的杂质，溢流阀调定液压系统中的最高压力， 起到安全保护的作用。

本发明是一种基于压电分流阻尼技术的液压管路流体脉动主、被动一体化 控制方法，包括以下几个步骤：

第一步、如图4所示，利用安装在泵出口处的皮囊式蓄能器对液压管路压 力脉动进行一定程度的被动衰减；

第二步、如图4所示，基于压电分流阻尼技术的液压管路流体脉动主、被 动一体化控制方法采用PVDF(压电薄膜)薄壁筒式液压脉动衰减器作为流体脉 动主、被动一体化控制的执行元件；

第三步、如图4所示，脉动衰减器采用内插管单室扩张式结构，该结构属 于抗性衰减器的结构类型之一，可对液压管路中的流体压力脉动进行再次的被 动衰减。以内插管中轴面为对称面，铺设上、下层PVDF压电层；

第四步、如图4所示，将下层PVDF压电层做成压电薄膜传感器，用于检 测液压管道内部的压力脉动。利用PVDF压电材料的正压电效应，将脉动信号 转化为电信号，由于直接由PVDF压电薄膜输出的电荷或电压信号十分微弱， 所以只有当PVDF压电薄膜传感器与相匹配的前置电路相连接时，才能构成一 个完整的信号输出部分。将PVDF压电薄膜传感器视为电荷源，使其与电荷放 大电路相连，电荷信号经电荷放大电路转化成电压信号。输出的电压信号再通 过A/D卡转化成控制器可处理的数字信号，控制器对采集到的压力脉动数据进 行FFT变换，得到压力振动频谱，选择基频作为要进行脉动衰减的成分。采用 自适应寻优控制算法，将误差压力传感器所测的衰减后的压力脉动量大小作为 控制目标，对分支电路的电路参数进行不断地调整，直到误差压力传感器测量 到的压力脉动最小，从而实现流体脉动的主动控制。

需要对第四步做如下补充说明：(1)由于源脉动流量含有多个正弦分量，一般 情况下高频流量脉动无法测量，但可以通过测量压力脉动来进行分析，并且压 力脉动恰好又是衡量振动强度的直接指标，因此这里通过检测压力脉动作为评 价液压管路振动的指标，而且液压系统中压力脉动的频率与流量脉动的频率是 一致的；(2)如图5所示，自适应寻优控制算法，这种算法就是在系统的振动 控制过程中，按照某种优化准则动态地调整有关控制参数，以使受控系统的输 出处于振动最小状态的一种控制方法。此处以误差压力传感器所测的消振后的 压力脉动量大小作为控制目标，被控对象为泵源系统，对采集到的压力脉动数 据进行FFT变换，得到压力脉动频谱，选择其幅值最大的频率点(即基频)为 要消振的成分。对分支电路中的可调电阻与可调电感值进行不断地调整，使压 电系统的谐振频率与脉动波的某个频率相一致，从而控制液压系统的振动响 应，直到误差压力传感器测量到的压力脉动最小，从而实现流体脉动的主动控 制。