流-固耦合共振式流体滤波器试验研究

高 阳，罗雅云，何志勇

（1. 长沙理工大学 汽车与机械工程学院，湖南 长沙 410114； 2. 机械装备高性能智能制造关键技术湖南省重点实验室，湖南 长沙 410114）

在液压系统中，由于泵的结构原因产生的脉动体积流量沿管路传输时，遇到系统阻抗就转变成为压力脉动［1］。为了衰减这种脉动，人们研究开发了品种繁多的各式液压滤波器［2］。通过应用实践表明，各种流体滤波器的安装对减小泵的负载阻抗、增加对液压系统脉动压力衰减和抑制均具有明显的效果［3］。其中结构振动式流体滤波器以其结构简单、系统能量损失小、使用效果显著等优点值得重点关注［4］。结构振动式流体滤波将流体脉动能量转化为机械振动能量来控制和衰减，能在某一频段范围内取得良好的使用效果。

1 结构共振式流体滤波器工作原理

结构共振式流体滤波器的原理是将液压系统中压力脉动等效为机械系统中的质量弹簧系统，然后通过设置类似于机械振动系统中的共振式动力吸振器来消减液压系统中的脉动能量。结构共振式流体滤波器是一种结构简单、滤波能量损失小的装置，因此在流体脉动抑制中应用广泛。其常见的结构形式包括Helmholtz共振式滤波器和多自由度共振滤波器。

如图1所示，Helmholtz共振式滤波器由阻尼管路和容腔组成，并联在流体管路中，构成了类似由流体质量-流体弹簧组成的质量-弹簧振动系 统［5］。工作时，系统中的压力流体经阻尼管路充满滤波器的共振腔。此时依据集中参数处理方法，视阻尼管路中小液柱为质量，容腔为弹簧，阻尼管路中的阻尼和摩擦为阻尼。在脉动压力作用下，阻尼管路中小液柱像活塞一样作往复运动，形成了类似于质量-弹簧-阻尼系统。Helmholtz共振式滤波器的固有振动频率［6］

式中 c为声速；d为阻尼管路的直径；L为阻尼管路的长度；V为容腔的体积。

由式（1）可知，Helmholtz共振式滤波器的共振频率fHR主要取决于阻尼管路的长度L和容腔的体积V。因此很多研究者通过改变共振器的结构参数实现了谐振频率的调整，但该滤波器具有频率选择性，滤波频带窄，在低频噪声滤波时具有较好的使用效果。

图1 Helmholtz共振滤波器原理图

如图2所示，多自由度共振滤波器是一个由振动质量体、弹簧及阻尼构成的“质量+弹簧+阻尼”集中参数振动系统，并联在流体管路中［7，8］。 当滤波器的振动体质量m1，m2，…mn及弹簧刚度k1，k2…kn等参数确定后，其共振频率ω1，ω2…ωn也将确定。工作时，能引起共振的压力脉动波将使滤波器的振动质量体产生同频位移其中φ=-π/2，相邻振动质量体的振动相位差为180°，从而衰减流体的脉动。

图2 多自由度共振滤波器的原理图

多自由度共振滤波器不仅对流体脉动基频有效，还能衰减多次脉动谐波。其缺陷是结构体积大，价格高昂，因而无法达到工程使用需求。

对结构共振式流体滤波器的研究表明，该类型滤波器都具有频率选择性且滤波范围较窄等使用缺陷。因此研究一种简单、方便的流固耦合谐振滤波器，能在较大频率范围衰减流体脉动能量，抑制系统振，具有重要的理论意义和工程应用 价值。

2 流-固耦合共振式流体滤波器简介

流-固耦合共振式流体滤波器的结构原理如图3所示，主要由滤波器外壳、弹性结构振动体、静压平衡容腔、阻尼平衡孔等组成。其将质量体和阻尼集中在一个尺寸紧凑的弹性结构振动体上，减小了滤波器的尺寸。此外，弹性结构振动体的共振频率范围较大，使之能适合于流体系统中的不同工况，适用性更强。

图3 流-固耦合共振式流体滤波器原理图

3 流-固耦合共振式流体滤波器试验验证

试验测试原理如图4所示。试验时首先将研制好的滤波器安装到试验台架；然后调定系统的工作压力，用节流加载模拟设备工作负荷；随后通过变频调速电机调整液压泵转速，计算出其相应的流体脉动频率；其次采集滤波器前后的压力时域信号p1及p2并进行噪声信号处理［9］；最后将信号经时域及频域分析，得出滤波器对流体脉动衰减的效果。

图4 流体脉动信号测试原理图

本试验设定系统最大压力为10MPa，稳态流量15L/min。通过变频调速调定液压泵的转速，使其脉动频率逐步接近衰减器结构振动体的固有频率，然后测定滤波器前后的动态压力p1及p2。最后根据测试数据，分析压力脉动最大值pmax、最小值pmin及平均值pav，并分别计算滤波器入口及出口的压力脉动率δ=（pmax-pmin）/pav×100%，脉动衰减率T=（δ入口-δ出口）δ入口×100%，对比试验测试数据的频谱分析结果，就能验证滤波器的使用效能。依照试验方案，我们设计的流-固耦合共振式流体滤波器的固有振动频率约为175Hz。在试验台上分别调定液压泵转速为1200r/min和1500r/min，计算得到泵的压力脉动基频为180Hz和225Hz。试验采集的时域信号经去噪后的结果如图5和图6所示。

图中，1为滤波器入口的压力时域曲线，2为滤波器出口的压力时域曲线。由图示结果明显看出，与入口压力时域曲线相比，出口的时域曲线波动幅度小、平缓，并且压力值有所降低。图5中，压力脉动波动范围由滤波前的1.32MPa降到了0.73MPa，压力脉动衰减幅度达到44.7%。图6中，压力脉动波动范围由滤波前的1.13MPa降到了0.81MPa，压力脉动衰减幅度达到28.3%。系统的脉动压力经过滤波器衰减后得到明显改善。此外，试验结果还表明，当泵的压力脉动基频与滤波器的固有振动频率越接近，压力脉动抑制效果越好。

图5 泵转速1200r/min时滤波器入口压力p1及出口压力p2时域信号图

图6 泵转速1440r/min时滤波器入口压力p1及出口压力p2时域信号图

4 结束语

本文设计了一种流-固耦合共振式液压滤波器，并通过试验对其使用效果进行了验证。结果表明：当流体系统的脉动激励频率与滤波器弹性结构振动体振动系统的固有振动频率接近或一致时，结构振动体振动幅度达到最大，消耗的能量最大，压力脉动衰减幅度达到44.7%；在泵的压力脉动基频与振动体固有振动频率相差50Hz的情况下，压力脉动衰减幅度仍达到了28.3%，显示该滤波器对压力脉动良好的抑制效果，并且具有较宽的频段适应性，具备开发应用价值。