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液压系统脉动衰减器的特性分析

杜润  
【摘要】:液压系统向高压、大流量发展,其噪声与压力脉动越来越严重。减小压力脉动是液压系统降低其振动和噪声的有效手段之一。科学家和工程师们自19世纪就开始研究流体动力系统的压力脉动,开发出多种降低压力脉动的装置。然而,随着液压系统的发展,压力脉动衰减器向小型化、宽频化、主动式和集成化方向发展,同时也带来了一些新的问题。衰减器的结构需要改变才能同时满足小型化和宽频化,这时,传统的分析模型已经不能适应现在的发展需求。 随着计算机技术的发展,数值分析已经成为科学研究和工程设计中重要的分析方法之一。CFD (Computational Fluid Dynamics,计算流体动力学)及可视化后处理技术是分析液压元件中流体流动的关键技术,这些技术使研究人员能够看到在实际工作中无法观察的现象:CFD技术已经在泵、阀的性能优化中发挥着重要的作用。将这些技术运用于脉动衰减器的性能分析,必能使衰减器的开发前进一大步。因此,论文主要研究脉动衰减器的频率特性数值分析方法,并将其应用到典型脉动衰减器及异形脉动衰减器的特性分析,主要内容如下: 首先,论文详述了脉动衰减器频率特性的数值计算方法。利用流体动力学基本方程,在开源且面向对象的CFD软件OpenFOAM中对三维的管路和衰减器进行瞬态计算。M序列的压力或流速信号作为输入的脉动信号作用于脉动衰减器系统的入口边界:提出了计算瞬态周期性边界条件问题的稳定判据以判断计算是否收敛及稳定,建立了计算流程。通过傅立叶变换及Shannon采样定理把时域和频域联系起来,并使参数协调以便能够准确地计算脉动衰减器的特性。利用Holmboe和Rouleau所做的水击实验对数值分析的基本模型进行了验证,同时利用经典分布参数模型对管道频率特性的数值计算结果进行了评估。结果说明数值分析方法是有效的和准确的。 其次,讨论了管道频率特性的影响因素:通过数值模拟得出:粘度的变化对管道的共振频率影响甚小;当粘度降低时,共振频率处的幅值则升高。流体中混入气体会大大降低流体中的压力波速,从而降低其共振频率。平均压力对管道的频率特性几乎没有影响,同时M序列压力峰—峰值对管道频率特性影响很小,但是峰—峰值增加会使输出压力和流量波动的峰—峰值增加。平均流速也对管道频率特性的影响甚小,而且M序列流速的峰—峰值对管道的频率特性也几乎没有影响,但也会增加输出压力和流速的峰—峰值。减小管道直径会小幅度降低管道的共振频率 再次,分析了单腔(一级)脉动衰减器的特性。利用集中参数模型讨论了衰减器的结构对其频率特性的影响。通过对不同共振腔截面形状的衰减器进行数值分析,包括正方形、长方形及椭圆形,可得:共振腔截面形状对衰减器的频率特性影响甚小。用阶跃压力信号对不同共振腔直径的衰减器进行了计算,结果表明:共振腔直径过小时,主管路会有过高或过低的压力,加剧了流体脉动;共振腔直径过大,主管路会出现过低的压力;所以,应当避免突变压力冲击。另外,对不同共振腔直径—长度比(其容积相同)的衰减器进行了数值模拟,结果表明:当共振腔直径—长度比减小时,衰减器的共振频率在一定值以下就会逐渐降低。因此,如果使用小的共振腔体积及小的直径—长度比的衰减器,同样可以达到与较大共振腔体积和较大直径—长度比的衰减器的共振频率。通过对两个小型的衰减器进行计算,结果表明小的衰减器也可以达到同样的共振频率,但是衰减的幅度有所下降。对连接部为锥形结构的衰减器进行数值模拟,结果表明锥形颈部结构能提高衰减器的共振频率。对非对称圆形和椭圆形共振腔的衰减器进行数据模拟,结果表明,非对称布置共振腔会小幅度降低衰减器的共振频率。通过实验证明,衰减器对压力脉动的衰减是有效的,同时也能够有效地降低噪声。 第四,对多腔(多级)脉动衰减器进行了理论分析和数值分析。利用集中参数模型推出了两腔(二级)串联脉动衰减器共振频率的计算方法,与分布参数法相比误差很小。通过对非对称及对称圆形共振腔的衰减器进行计算,说明非对称结构也可以降低二级脉动衰减器的固有频率。三腔串联衰减器有三个共振频率,但第三共振频率处的幅值小于O dB,说明在这个频率上几乎没有衰减效果。然而,并联衰减器的总衰减特性是单个衰减器单独作用时衰减特性的线性组合,所以并联衰减器的性能可扩展性强而且在多个频率上的衰减效果明显。 最后,讨论了异形结构脉动衰减器的特性:对异形衰减器的分析说明,CFD分析方法具有很好的结构适应性。对螺旋形结构和之字形结构的分析说明,异形结构非常利于衰减器的小型化、集成化设计。对附加连接管道的之字形结构和多管道并联结构脉动衰减器的分析说明,在衰减器的管道上添加辅助连接管道,可改善衰减器的频率特性、实现衰减器的宽频化。这些分析表明异形结构是脉动衰减器的发展方向之一。


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