柔性膜片式流体滤波器的研究
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摘要
在液压系统中，由于液压泵是利用容积变化、交替地排出液压油来工作的，其输出的瞬时流量是具有周期性的脉动流量。当这一脉动流量遇到系统阻抗后就产生了周期性的压力脉动，并沿管路传播，产生振动和噪声。抑制液压系统的压力脉动对提高系统的可靠性和工作质量，对提高液压元件的寿命，降低系统的噪声都有重要的意义。液压系统的流体脉动控制一直是一个没有得到很好解决的技术难题。在液压系统中安装滤波器对流体脉动的衰减能起到很好的效果。本文提出了一种结构简单、灵巧的机械谐振机构，膜片振动式流体滤波器。具体研究内容包括：
1．提出一种膜片振动式流体滤波器结构。分析了液压系统压力脉动特性；基于动力吸振器的作用机理，设计一种结构简单、灵巧的机械谐振机构。对滤波器的结构进行初步设计。
2．建立了预拉伸柔性膜片振动的数学模型，并求解了柔性膜的固有频率。使用超弹性膜理论求解了预拉伸柔性膜片的固有频率；利用有限元分析软件ADINA，对预拉伸柔性膜片模型进行流固耦合模态分析，研究柔性膜片的流固耦合动态特性，为滤波器的设计提供依据。
3．使用计算流体力学方法对该流体滤波器的衰减特性进行仿真分析。通过对滤波器模型进行简化，并设置相关仿真参数，对模型进行瞬态动力学分析。研究滤波器频率特性和衰减特性。
4．通过实验测试膜片式流体滤波器的衰减特性。建立了液压振动试验台，研制了膜片式滤波器实验样机，对滤波器的衰减特性进行实验。并与仿真结果进行对比分析，说明仿真分析的正确性。
In the hydraulic system，As the hydraulic pump working principle is the use ofvolume change, alternately discharge the hydraulic oil, the output of the instantaneousflow is a periodic pulsating flow. After this pulsating flow encountered systemimpedance the periodic pressure pulsation was produced. And the pressure pulsationresulting in vibration and noise in the hydraulic system, as spread along the pipeline,The inhibition of the hydraulic system pressure pulsation is of great significance toimprove system reliability、quality of work、the life of hydraulic components andreduce system noise. Pulsating flow Inhibition of the hydraulic system has been awell-settled technical problems. The pulsation attenuator has a good effect to attenuatethe pulsating flow in the hydraulic system. The paper presents a simple, smartmechanical resonant structure-the membrane fluid pulsation attenuator. The specificstudies include:
1. A membrane fluid pulsation attenuator structure was proposed in this paper.Based on the mechanism of dynamic vibration absorber, a simple, smart mechanicalresonant structure is designed.
2. The vibration model of the pre-stretching membrane is established, and thenatural frequency of the flexible membrane is solved. Using finite element softwareADINA, the paper analyzed the fluid-structure interaction frequency of the membrane.The dynamic characteristics of fluid-structure interaction of membrane is studied, Theanalysis result provide a basis for the pulsation attenuator design.
3. The fluid-structure interaction simulation model is presented, which is used forthe attenuation characteristics simulation of the pulsation attenuator. The model ofpulsation attenuator is simplified. The setting of the simulation parameters arecompleted. Taking the transient dynamics analysis as the principal means, the paperanalyzes the frequency characteristics and attenuation characteristics of the pulsationattenuator.
4.The test rig of the pressure pulsation attenuator is designed,and the prototype isalso developed. The attenuation characteristics of membrane fluid pulsation attenuatoris tested in the test rig.
1．提出一种膜片振动式流体滤波器结构。分析了液压系统压力脉动特性；基于动力吸振器的作用机理，设计一种结构简单、灵巧的机械谐振机构。对滤波器的结构进行初步设计。
2．建立了预拉伸柔性膜片振动的数学模型，并求解了柔性膜的固有频率。使用超弹性膜理论求解了预拉伸柔性膜片的固有频率；利用有限元分析软件ADINA，对预拉伸柔性膜片模型进行流固耦合模态分析，研究柔性膜片的流固耦合动态特性，为滤波器的设计提供依据。
3．使用计算流体力学方法对该流体滤波器的衰减特性进行仿真分析。通过对滤波器模型进行简化，并设置相关仿真参数，对模型进行瞬态动力学分析。研究滤波器频率特性和衰减特性。
4．通过实验测试膜片式流体滤波器的衰减特性。建立了液压振动试验台，研制了膜片式滤波器实验样机，对滤波器的衰减特性进行实验。并与仿真结果进行对比分析，说明仿真分析的正确性。
In the hydraulic system，As the hydraulic pump working principle is the use ofvolume change, alternately discharge the hydraulic oil, the output of the instantaneousflow is a periodic pulsating flow. After this pulsating flow encountered systemimpedance the periodic pressure pulsation was produced. And the pressure pulsationresulting in vibration and noise in the hydraulic system, as spread along the pipeline,The inhibition of the hydraulic system pressure pulsation is of great significance toimprove system reliability、quality of work、the life of hydraulic components andreduce system noise. Pulsating flow Inhibition of the hydraulic system has been awell-settled technical problems. The pulsation attenuator has a good effect to attenuatethe pulsating flow in the hydraulic system. The paper presents a simple, smartmechanical resonant structure-the membrane fluid pulsation attenuator. The specificstudies include:
1. A membrane fluid pulsation attenuator structure was proposed in this paper.Based on the mechanism of dynamic vibration absorber, a simple, smart mechanicalresonant structure is designed.
2. The vibration model of the pre-stretching membrane is established, and thenatural frequency of the flexible membrane is solved. Using finite element softwareADINA, the paper analyzed the fluid-structure interaction frequency of the membrane.The dynamic characteristics of fluid-structure interaction of membrane is studied, Theanalysis result provide a basis for the pulsation attenuator design.
3. The fluid-structure interaction simulation model is presented, which is used forthe attenuation characteristics simulation of the pulsation attenuator. The model ofpulsation attenuator is simplified. The setting of the simulation parameters arecompleted. Taking the transient dynamics analysis as the principal means, the paperanalyzes the frequency characteristics and attenuation characteristics of the pulsationattenuator.
4.The test rig of the pressure pulsation attenuator is designed,and the prototype isalso developed. The attenuation characteristics of membrane fluid pulsation attenuatoris tested in the test rig.
引文
[1]杜润.液压系统脉动衰减器的特性分析：[西南交通大学博士论文].成都：西南交通大学，2010，5-6
[2]苏春.液压系统中噪声的控制.液压与气动，2001，(2):39-40
[3]曹秉刚，史维祥.液压滤波器.机床与液压，1985，(5):1-2
[4]杨小森,沈燕良,蔡军等.飞机泵源回路消减压力脉动的阻抗调整法.空军工程大学学报(自然科学版),2006,7(3):13-15
[5]章寅.液压系统压力脉动衰减器特性研究：[浙江大学硕士学位论文].杭州：浙江大学，2011，4-5
[6]鲍海阁，陈国琳，刘义成等.液压系统消波器的试验研究.舰船科学技术，2003，25(5):81-82
[7]史维祥，曹秉刚.流体滤波消声器.机床与液压，1986，(5)：1-10
[8]周文，陆世鑫，范振江.液压滤波方法.液压与气动，1992，(2):37-41
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[10] Stewart G W. The Theory of the Herschel-Quineke Tube. PhysiealReview，1928，31(4):696-698
[11]董为民，李功宇，尹红.HQ管反声消声器的仿真分析及实验研究.噪声与振动控制，2003，(2):33-37
[12] Igarash. J and Toyca:Report No.339，Aeronautical Research Instat University ofTokyo,,1958,62(1),231-235
[13]福田基一，奥田囊介.噪声控制与消声器设计.北京：国防工业出社，1982，6-65
[14] Josef Mikota. A novel, compact pulsation compensator to reduce pressure pulsations inhydraulic systems. In Proceedings of Icanov-International conference on acoustics, noiseand vibration, Ottawa, Canada,2001,(8):3-5
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[17]郑容.一种齿轮泵用液压滤波器的研制与应用.液压气动与密封，1991，(2)：22-23
[18]李培滋，熊雪.三合一滤波器.液压与气动，1992，(2)：31-33
[19]李爱社，闰祥安.球形液压滤波器滤波机理的研究.机床与液压，1995，(6)：340-344
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[53]杜功焕，朱哲民，龚秀芬.声学基础.南京:南京大学出版社,2001,130-142
[54]岳戈. ADINA流体与流固耦合功能的高级应用.北京:人民交通出版社.2010
[55]马野，袁志丹，曹金凤.ADINA有限元经典实例分析.北京:机械工业出版社，2012
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[57]王伟基于.ADINA的大型渡槽流固耦合动力特性研究：[河海大学硕士学位论文].南京：河海大学，2008,31-36
[58]陈志涛.卵形消化池流-固耦合系统的ADINA有限元分析：[天津大学硕士学位论文].天津：天津大学，2007,35-39
[59]马吉恩.轴向柱塞泵流量脉动及配流盘优化设计研究：[浙江大学博士学位论文].杭州：浙江大学，2009,45-47
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