质量室为并联管对称分布的液压消音器性能比较分析①

单长吉

(昭通学院物理与信息工程学院,云南 昭通 657000)

0 引 言

工程机械中由于液压源的存在，工作系统产生噪声振动。液压消音器是液压系统中消振元件，因此成为消振研究的热点。液压消音器是小型化元件，也是参数结构型元件，构成液压消音器的各个组成部分，如质量室、容积室的半径及长度对其消振的效果影响非常大[1]。以往对液压消音器的讨论基本都围绕单孔液压消音器展开，本文针对质量室为并联管对称分布的液压消音器进行数学建模，并对其各种参数变化展开讨论，并将目前多孔液压消音器的理论建模的研究工作进行总结。

并联管质量室，亦可以称为多孔质量室。为了讨论方便，将容积室的个数称为级；质量室的个数与并联管的个数统一在一起表示，以图1为例，称为二级(2-1)型液压消音器。

图1 二级(2-1)型液压消音器结构示意简图

1 数学建模

1.1 并联管对称分布质量室的数学建模

由于质量室的直径与与容积室的直径相比，相差很大，因此在流体管路中将质量室看作节流孔。单孔质量室的传递矩阵为[2～3]：

(1)

(1)两孔质量室的传递矩阵

当质量室是由两根并联管路组成，其传递矩阵为[4]：

(2)

其中：

(2) 三孔质量室的传递矩阵

(3)

其中：

1.2 多孔液压消音器数学传递矩阵

多孔液压消音器模型的传递矩阵是将液压消音器组成的各个质量室和容积室的传递矩阵依次相乘，如下[5]：

C=Bk*An

(4)

其中：

An=

n=2,4,6,…

(5)

2 并联管对称分布质量室的液压消音器的特性分析

2.1 液压流体脉动衰减的评定方法

评价液压脉动衰减性能有以下两种方式[6]：(1)采用透过损失，即TL(dB)评价方法。

(6)

透过损失计算：

(7)

(2)P/Q评价方法。TL(dB)评价方法在理论编程建模中相对容易，但是实际中是通过测量液压消音器入口压力P和入口流量Q，利用P/Q值来表示评价衰减程度。

2.2 并联管对称分布质量室的液压消音器的仿真结果分析

针对一级单孔液压消音器、一级双孔液压消音器、一级三孔液压消音器采用透过损失评价方法；针对二级(2-2)型液压消音器、二级(2-3)型液压消音器；三级(3-2-1)型、三级(3-2-2)型、三级(3-2-3)型液压消音器采用P/Q评价方法。进行MATLAB编程后，利用Origin软件将数据拟合成衰减曲线，并对衰减曲线作相应的比较[6～7]。程序运行后，得图2～图4。

(1)从图2可以看出，一级三孔液压消音器对流体脉动的衰减幅度高于一级双孔液压消音器，一级双孔液压消音器脉动衰减幅度高于一级脉动衰减幅度。在结构尺寸参数相同，随着质量室流量孔的增加，衰减幅度提高25%左右；同时也看出，随着质量室孔的数量增加，液压消音器的吸收频率峰值增加，向高频方向移动。如果让其吸收频率峰值左移，可以在其它结构参数相同的情况下，增大容积室直径，即可实现吸收噪声源频率峰值快速左移。随之容积室长度增大，吸收噪声源频率峰值及脉动衰减幅度变化不大，略向低频移动，容积室长度变化对脉动衰减幅度影响较小[6～7]。

图2 一级单孔/双孔/三孔液压消音器透过损失图

图3 二级双孔/三孔液压消音器图

图4 三级(3-2-1)型/(3-2-2)型/(3-2-3)型液压消音器图

(2)从图3可以看出，二级双孔液压消音器对噪声源脉动衰减幅P/Q线低于二级三孔液压消音器衰减幅度线:这表明，二级三孔液压消音器能够有效的吸收压力与流量脉动，且峰值向高频方向移动。理论模型的建立是为了实际中的应用服务，考虑到液压消音器属于小型化的结构性参数元件，过多的增加质量室孔的数量，会降低其对液压流的冲击能力，系统的刚度和强度也随之降低。从加工工艺来说，孔的增加提高了加工难度。从图3中能够得出:二级三孔液压消音器虽然衰减性能优于二级双孔液压消音器，但衰减的差别并不是很大，因此二级三孔液压消音器对于工程实际的意义并不明显突出。

(3)为了研究增加液压消音器质量室和容积室数量对衰减性能的影响，在前两级结构参数完全相当的情况下，只改变了第三级质量室孔的数目，分别为单孔，双孔，三孔。从图4可以看出，尽管增加了容积室和质量室，但在高频处的衰减幅度非常小，甚至可以忽略。第三级的增加，对第一级、第二级的影响仅仅体现在吸收峰值右移。这说明三级液压消音器的在高频处衰减并不是非常明显。

(4)将图3、图4综合比较，可以看出，二级液压消音器的衰减性能可以替代三级液压消音器。二级液压消音器的衰减范围和幅度，完全能够满足工程实际中的需求。

(5)工作介质的在流体的密度、流体中音速确定的情况下，如果取粘度等级为100等级的液压油，其在40℃运动粘度范围为：90-110mm2/s，由公式(7)可以看出液压油的运动粘度改变对液压消音器的消振影响变化不大。

3 结 语

由于液压消音器应用在液压系统中，连接着液压源和工作系统，因此结构尺寸不宜过大。多孔液压消音器质量室的对称分布，能够预防元件的偏振现象产生。从元件的刚性强度角度出发，质量室的长度应该限制在强度的合理范围之内。

通过对质量室为并联管对称分布的液压消音器性能比较分析，并将文献[1～8]进行综合总结，多孔液压消音器的理论建模为工程实际中设计应用，提供了理论参考。

[1] 单长吉.液压消音器的内部流场的脉动来源分析[J].西安文理学院学报，2014(1)：83-85.

[2] 单长吉.液压管路中两种分析方法的数学建模与比较[J].佳木斯大学学报，2013(6)：936-938.

[3] 张永波.并联内插管双室扩张式消声器的插入损失[J]. 农业机械学报学报，20007(8)：49-52.

[4] 潘国培.不同内插管扩张式消声器声学性能分析[J].噪声与振动孔子，2013(6)：177-179.

[5] 张永波.基于GT-Power的并联内插管双室扩张式消声器插入损失研究[J].噪声与振动控制，2007(2)：87-89.

[6] 单长吉.液压消音器的结构设计及衰减评定方法[J].佳木斯大学学报，2013(5)：749-751.

[7] 单长吉.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，2007(11)：55-57.

[8] 单长吉. 多孔液压消音器的数学建模及衰减特性分析[J].机床与液压，2015(15)：173-175.