液壓消音器試驗臺設計及分析方法

單長吉，徐楠

(昭通學院物理系，云南昭通657000)

隨著液壓技術的蓬勃發展，高壓化成為發展趨勢。實際中，由于泵本身結構的原因，如剛性問題、搭配不合理等會產生噪聲[1]。因此，如何最大程度衰減流體噪聲成為一個研究課題。液壓消音器是一種讓流體通過液壓系統時，使流體噪聲衰減的裝置。目前對液壓消音器的研究，主要體現在兩個方面:數學建模[2－3]和流體解析[4－5]。數學建模主要從理論上解決液壓消音器的結構問題;CFD 流體解析主要解決觀測液壓消音器流場問題。

作者針對液壓消音器的結構特點，結合實驗室的實際情況，提出液壓消音器的實驗方案，并探討出實驗的分析方法。

1 液壓消音器的實驗方案

迄今為止，針對液壓消音器結構性能及其參與系統工作情況的分析，已經做了大量的實驗，所用的方法各不相同，但目的都是為了測量噪聲的衰減程度并以此來評定消音器的有效性。

為了更好地測量液壓系統的動態性能，輸入信號的選擇非常重要。通過綜合分析，選擇沖擊信號作為輸入信號。沖擊信號具有相當豐富的頻率分量與足夠的能量，在實驗中，運用頻譜分析技術，結果比較理想。

在圖1所示的實驗系統原理圖中，4 臺蓄能器根據系統的實際壓力來調節預充壓力值，釋放能量，形成瞬時沖擊。

圖1 實驗臺設計圖

當電磁換向閥位于圖示位置時，油缸或脈動衰減器內不通壓力油。泵輸出的流量供給蓄能器，將液壓能量儲存起來。溢流閥所調定的壓力即為蓄能器調整的最高壓力，當方向閥閥芯突然換向右移的時候，油缸立即與壓力油接通，蓄能器在瞬間釋放大量能量，在液壓消音器的聯接處形成足夠大的沖擊壓力，這樣可以在液壓消音器中形成豐富的脈沖，里面包含豐富的頻率。

在設計液壓實驗臺時，首先要在理論上準確計算液壓消音器的結構，否則將大大影響實驗的最終效果。利用壓力傳感器測得液壓消音器入口處的壓力信號，通過頻譜分析儀將壓力和流量變化的波形記錄下來。如果液壓消音器的容量與管路系統匹配得當，可以達到實驗所要求的衰減效果，也可以從實驗分析中得出液壓消音器的容積與泵的輸入頻率之間的關系。

在具體實驗中，對液壓系統作如下假設:(1)忽略電磁換向閥開啟滯后的影響或者盡量減小電磁換向閥開啟滯后的影響;(2)在沖擊過程結束后，馬上切斷泵源與液壓消音器的油路，目的是為了能夠相對準確測量沖擊的瞬時壓力與流量。

2 測試及分析方法

2.1 阻抗特性的測試

用4個蓄能器突然釋放壓力來沖擊活塞，因為蓄能器的預充壓力已知，因此可準確測量沖擊流量，這為阻抗特性的準確測量提供了保證。利用壓力傳感器測得系統各測試點在此沖擊流量下的壓力響應，則可得系統各點的阻抗特性[6]。

由頻譜分析的理論，設某一線性系統的輸入、輸出的自譜和互譜分別為SXX(ω)、SYY(ω)及SXY(ω)，則

其中:RX(τ)、RY(τ)及RXY(τ)分別為輸入、輸出信號的自相關及互相關函數。

理論上評價液壓消音器的衰減性能指標是透過損失。實驗結果與理論數值相比較的是p/Q的數值。因此，實驗中需要測出液壓消音器入口壓力與流量的比值。由于理論建模的p/Q值是在頻域中，就需要把時域中實驗結果轉變成為頻域數值，然后將兩者數值進行比較。若取流量輸入作為系統的輸入信號，設為X(t)，取任意點的壓力響應為輸出信號，設為Y(t)，只要測試過程是相對穩定的，則自相關與互相關函數分別定義為X(t)·X(t+τ)及X(t)·Y(t+τ)的均值，即

由此可得系統的阻抗特性和相干函數為

為了提高測試的精度，將測試結果在頻域做多次平均，設第i次記錄的自譜、互譜分別為SiXX(ω)、則各自的平均值為

阻抗特性與相干函數的均值分別為

對于沖擊信號，由于系統受到的激勵信號X(t)的不同FFT分析段所服從的概率分布是基本相同的，則相干分析中各譜估計的統計誤差可表達為

只要蓄能器的輸入流量所含的頻率成分足夠豐富，上述測試方法是可行的，能夠對阻抗特性進行相對精確的測量。

2.2 壓力傳遞函數的測試

以沖擊信號作為輸入來測試系統的壓力傳遞函數。用泵的輸出壓力作為系統的輸入信號。由于泵的輸出流量并非單一頻率，而多表現為基波及各次諧波的疊加。在某一固定轉速下，這種頻率成分是不變的。測得的實驗數據不夠多，不能說明液壓消音器的衰減性能。為了獲得較為理想的實驗數據，利用掃頻技術對系統的壓力進行測試，實驗中將泵的轉速從低速慢慢提高，再慢慢降低不斷重復，從而獲得較為滿意的測試精度。

由于對壓力傳遞函數的實測采用掃頻技術[7]，設沖擊信號X(t)的第i個FFT分析段自譜為SXX，i(f)，對某一頻率f0，隨著i的變化，SXX，i(f)的取值分別為A1或A2，并記為SA1XX，i(f0)，與之對應的響應譜、互譜在f0的值分別記為:設點的平均次數為nd，對特定頻率i 激勵時的平均次數為n1;以i 激勵時平均次數為n2，n1+n2=nd，并定義壓力傳遞函數為

且

設

則可得掃頻的標準差為

因此在掃頻實驗中，只要選擇好參量(例如n1、n2等)，將相干函數誤差估計式做適當的修正，壓力傳遞函數的誤差估計式精度不變，誤差能夠滿足實驗要求。

3 結束語

提出了測量液壓消音器衰減特性的實驗臺及測量中數據處理方法，為后續的實驗工作做了鋪墊，同時也為相關實驗提供了互相參考的一個平臺。

【1】周新祥.噪聲控制技術及其新進展[M].北京:冶金工業出版社，2007:61－65.

【2】單長吉，王維，姜偉，等.基于MATLAB 對液壓消音器建立數學模型及特性分析[J].西南大學學報:自然科學版，2007，29(11):52－56.

【3】喬鋼.擴張室式消聲器的聲學模型及設計[J].哈爾濱師范大學自然科學學報，2004，20(3):41－44.

【4】單長吉，吳文良，傅在琦.基于CFD方法對液壓消音器兩種輸入信號的流體解析[J].云南師范大學學報:自然科學版，2009，29(5):58－61.

【5】任國志，曹樹平.共振消聲器吸收壓力脈動的動態分析及仿真計算[J].機床與液壓，2006(2):54－57.

【6】劉小平.用方波信號進行流體動態阻抗特性的測試[J].宇航計測技術，1988(2):34－36.

【7】陳美珠.掃頻儀及其使用[J].泰州職業技術學院學報，2004(4):23－25.