摘 要：针对液压消音器的内部流场脉动来源进行分析，为液压消音器的结构设计提供了理论基础；对系统的阻抗特性与压力传递特性的关系进行讨论，确定了液压消音器结构设计的重点.
关键词：液压消音器；流场；阻抗特性；分析
在机械设计中，对任何元件的结构设计，首要明确此元件的目的是什么，需要解决那些具体问题.液压消音器是安装在液压动力源与执行元件之间，目的是吸收和消减系统的压力脉动、流量脉动以及速度脉动.因此，液压消音器内部流场的脉动来源在设计液压消音器的结构中，起到很重要的作用[1].只有充分分析和理解脉动的来源及数学机理，才能为液压消音器的结构设计提供可靠的理论基础.
1 液压系统脉动机理分析
液压动力源由于自身结构的不对称性和不均匀性，致使输出的流体频率成分不单一，产生了压力脉动.频率成分不单一的流体进入管路系统中，管路输出会有噪声出现，振动幅度较大，影响液压系统的使用寿命.液压系统一般由以下几个部分组成，包括输入装置、控制装置、驱动装置、检测装置及工作装置.将复杂的系统抽象概括为图1的简图来表达.
图1 液压系统模型简图
流体从液压动力源输出后，在系统中体现为三个参数指标：一定的流量Q，一定的压力P，一定的速度V，并且在整个液压系统中传递能量.流量Q(t)数学表示如下：
(1)
式中：
——液压系统流量的平均值；ΔQ(t)——液压流量的变化量.
对于液压消音器性能的优劣评价，主要衡量液压消音器在系统中对脉动的能量消减幅度或吸收脉动频率的衰减性能的强弱.液压消音器在系统中的主要作用有两个：蓄能及滤波.当供给系统的能量远远超出驱动工作装置所需要的能量时，液压消音器装置发挥蓄能作用；当液压动力源含有的脉动频率成分很多，产生了不规则振动及噪声时，液压消音器装置发挥滤波作用，此时液压消音器装置的主要功能是消振作用[2-4].
流体在液压系统中是处于流动状态，正常状态下，流体是从动力源方向流向工作装置，再由工作装置下的回路，流回到动力源.由于系统中任何元件两端存在流阻，管路的正反方向均有流量变化量ΔQ.流阻是一个广义的概念，液压动力源及工作装置的负载均可看作流阻.当负载保持稳定状态时，液压泵的扰动是产生ΔQ的主要来源；当负载变化的程度较大，液压泵的作用被淡化，负载对ΔQ的产生占主导地位.本文仅讨论流体流量从液压动力源流向负载的情况.
液压泵是整个液压系统的能量来源，也是产生脉动的源头.容积式液压泵由于其自身的优势，在液压系统中被广泛应用.以双绞式轴向柱塞泵为研究对象，瞬时流量Q数学表示如下：
φi
(2)
式中：ω——液压泵的转动角频率(rad/s)
φi——液压泵的转角(rad)
C1——与泵的结构有关的常数
流量随液压泵转角的变化关系如图2所示.液压油具有弹性，系统总是在压力的作用运行.当压力大的时候，液压油被压缩；压力小的时候，液压油膨胀.此时液压容积泵产生了回冲脉动.系统的流量由两种成分组成：回冲脉动流量与同液压泵稳定输出的流量.二者叠加构成容积泵的流量脉动，如图3所示.
图2 柱塞泵固有脉动曲线 图3 柱塞泵回冲及合成脉动曲线
通过以上分析可知，流量脉动频率由系统的固有脉动频率与回冲脉动频率两部分构成.以液压泵的频率作为基准，系统固有脉动频率为泵的频率的两倍，回冲脉动则与液压泵的频率fp相同.液压泵的基准频率表达如下：
式中：
n——液压泵的输出转速(rpm)
z——液压泵的柱塞数(这里为奇数)
系统的流量脉动曲线可以利用傅立叶级数的逼近来表示：
(3)
其傅立叶级数展开式为[5]：
(4)
基波、一次谐波及叠加后的脉动曲线，如图4所示.
图4 基波、一次谐波及叠加后脉动曲线 图5 液压系统输入阻抗特性
从图4可以看出，脉动曲线的组成中，基波幅值最大，一次谐波次之.基波对应于基波频率，一次谐波对应与一次谐波频率.对于液压消音器的设计主要考虑基波频率及一次谐波频率的衰减.
由(1)式可知，液压泵转速的升高必然导致输出流量的增大，输出流量的增大引起系统脉动流量的增大.
流量脉动的增大，增加了液压系统运行的负担.对于管路中任何元件的两端流阻来说，压力脉动的提高引起了输入阻抗的增加，在系统中高频成分较多的时候体现的尤为明显，如图5所示.
2 阻抗特性与系统压力传递特性的讨论
当液压系统存在输入流量脉动时，整个管路中各点的压力脉动是不相同的，幅值差别很大.液压消音器以何处的脉动衰减作为设计的重点，是需要讨论的问题.
首先从液压消音器的结构特点出发，液压消音器具有相对较大的容积腔，流体进入容积腔后，能量得到释放，幅值在容积腔内会大幅度消减，压力强度和有压力脉动会在一定程度上降低.一般情况下，液压系统与液压动力源处的流量脉动、压力脉动及速度脉动的数值最大.许多研究证实，频率特性曲线和幅值特性曲线，最大值出现在系统的入口处，并以此随之降低.
通过对一段刚性的液压管路的实验分析表明：液压消音器针对管路中任意一点进行针对性的设计，都是可以的.因为系统阻抗的降低具有传递性，无论是哪一点的衰减，均会带动整体液压管路中的脉动衰减.为了分析方便及整个液压系统的衰减质量最大化，液压消音器的设计以系统入口的流量脉动Q(t)作为输入，以液压消音器与系统的联接点处的压力脉动P(t)作为输出，并以两者的比值作为设计的参数评价指标[6].
3 小结
通过对液压消音器内部流场的脉动来源进行分析，并对阻抗特性进行讨论，对液压消音器的结构设计起到关键的基础性作用，为液压消音器的设计提供了理论依据.
