液压消音器试验台设计及分析方法

单长吉，徐楠

(昭通学院物理系，云南昭通657000)

随着液压技术的蓬勃发展，高压化成为发展趋势。实际中，由于泵本身结构的原因，如刚性问题、搭配不合理等会产生噪声[1]。因此，如何最大程度衰减流体噪声成为一个研究课题。液压消音器是一种让流体通过液压系统时，使流体噪声衰减的装置。目前对液压消音器的研究，主要体现在两个方面:数学建模[2－3]和流体解析[4－5]。数学建模主要从理论上解决液压消音器的结构问题;CFD 流体解析主要解决观测液压消音器流场问题。

作者针对液压消音器的结构特点，结合实验室的实际情况，提出液压消音器的实验方案，并探讨出实验的分析方法。

1 液压消音器的实验方案

迄今为止，针对液压消音器结构性能及其参与系统工作情况的分析，已经做了大量的实验，所用的方法各不相同，但目的都是为了测量噪声的衰减程度并以此来评定消音器的有效性。

为了更好地测量液压系统的动态性能，输入信号的选择非常重要。通过综合分析，选择冲击信号作为输入信号。冲击信号具有相当丰富的频率分量与足够的能量，在实验中，运用频谱分析技术，结果比较理想。

在图1所示的实验系统原理图中，4 台蓄能器根据系统的实际压力来调节预充压力值，释放能量，形成瞬时冲击。

图1 实验台设计图

当电磁换向阀位于图示位置时，油缸或脉动衰减器内不通压力油。泵输出的流量供给蓄能器，将液压能量储存起来。溢流阀所调定的压力即为蓄能器调整的最高压力，当方向阀阀芯突然换向右移的时候，油缸立即与压力油接通，蓄能器在瞬间释放大量能量，在液压消音器的联接处形成足够大的冲击压力，这样可以在液压消音器中形成丰富的脉冲，里面包含丰富的频率。

在设计液压实验台时，首先要在理论上准确计算液压消音器的结构，否则将大大影响实验的最终效果。利用压力传感器测得液压消音器入口处的压力信号，通过频谱分析仪将压力和流量变化的波形记录下来。如果液压消音器的容量与管路系统匹配得当，可以达到实验所要求的衰减效果，也可以从实验分析中得出液压消音器的容积与泵的输入频率之间的关系。

在具体实验中，对液压系统作如下假设:(1)忽略电磁换向阀开启滞后的影响或者尽量减小电磁换向阀开启滞后的影响;(2)在冲击过程结束后，马上切断泵源与液压消音器的油路，目的是为了能够相对准确测量冲击的瞬时压力与流量。

2 测试及分析方法

2.1 阻抗特性的测试

用4个蓄能器突然释放压力来冲击活塞，因为蓄能器的预充压力已知，因此可准确测量冲击流量，这为阻抗特性的准确测量提供了保证。利用压力传感器测得系统各测试点在此冲击流量下的压力响应，则可得系统各点的阻抗特性[6]。

由频谱分析的理论，设某一线性系统的输入、输出的自谱和互谱分别为SXX(ω)、SYY(ω)及SXY(ω)，则

其中:RX(τ)、RY(τ)及RXY(τ)分别为输入、输出信号的自相关及互相关函数。

理论上评价液压消音器的衰减性能指标是透过损失。实验结果与理论数值相比较的是p/Q的数值。因此，实验中需要测出液压消音器入口压力与流量的比值。由于理论建模的p/Q值是在频域中，就需要把时域中实验结果转变成为频域数值，然后将两者数值进行比较。若取流量输入作为系统的输入信号，设为X(t)，取任意点的压力响应为输出信号，设为Y(t)，只要测试过程是相对稳定的，则自相关与互相关函数分别定义为X(t)·X(t+τ)及X(t)·Y(t+τ)的均值，即

由此可得系统的阻抗特性和相干函数为

为了提高测试的精度，将测试结果在频域做多次平均，设第i次记录的自谱、互谱分别为SiXX(ω)、则各自的平均值为

阻抗特性与相干函数的均值分别为

对于冲击信号，由于系统受到的激励信号X(t)的不同FFT分析段所服从的概率分布是基本相同的，则相干分析中各谱估计的统计误差可表达为

只要蓄能器的输入流量所含的频率成分足够丰富，上述测试方法是可行的，能够对阻抗特性进行相对精确的测量。

2.2 压力传递函数的测试

以冲击信号作为输入来测试系统的压力传递函数。用泵的输出压力作为系统的输入信号。由于泵的输出流量并非单一频率，而多表现为基波及各次谐波的叠加。在某一固定转速下，这种频率成分是不变的。测得的实验数据不够多，不能说明液压消音器的衰减性能。为了获得较为理想的实验数据，利用扫频技术对系统的压力进行测试，实验中将泵的转速从低速慢慢提高，再慢慢降低不断重复，从而获得较为满意的测试精度。

由于对压力传递函数的实测采用扫频技术[7]，设冲击信号X(t)的第i个FFT分析段自谱为SXX，i(f)，对某一频率f0，随着i的变化，SXX，i(f)的取值分别为A1或A2，并记为SA1XX，i(f0)，与之对应的响应谱、互谱在f0的值分别记为:设点的平均次数为nd，对特定频率i 激励时的平均次数为n1;以i 激励时平均次数为n2，n1+n2=nd，并定义压力传递函数为

且

设

则可得扫频的标准差为

因此在扫频实验中，只要选择好参量(例如n1、n2等)，将相干函数误差估计式做适当的修正，压力传递函数的误差估计式精度不变，误差能够满足实验要求。

3 结束语

提出了测量液压消音器衰减特性的实验台及测量中数据处理方法，为后续的实验工作做了铺垫，同时也为相关实验提供了互相参考的一个平台。

【1】周新祥.噪声控制技术及其新进展[M].北京:冶金工业出版社，2007:61－65.

【2】单长吉，王维，姜伟，等.基于MATLAB 对液压消音器建立数学模型及特性分析[J].西南大学学报:自然科学版，2007，29(11):52－56.

【3】乔钢.扩张室式消声器的声学模型及设计[J].哈尔滨师范大学自然科学学报，2004，20(3):41－44.

【4】单长吉，吴文良，傅在琦.基于CFD方法对液压消音器两种输入信号的流体解析[J].云南师范大学学报:自然科学版，2009，29(5):58－61.

【5】任国志，曹树平.共振消声器吸收压力脉动的动态分析及仿真计算[J].机床与液压，2006(2):54－57.

【6】刘小平.用方波信号进行流体动态阻抗特性的测试[J].宇航计测技术，1988(2):34－36.

【7】陈美珠.扫频仪及其使用[J].泰州职业技术学院学报，2004(4):23－25.