入流式流體脈動主動控制支路的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種入流式流體脈動主動控制支路，壓電式節(jié)流閥(4)作為流體脈動主動控制的執(zhí)行部件連接在液壓管路的消振點(diǎn)處，其出口連接主管路，其入口與補(bǔ)油泵(2)的出口相連接；安裝在主泵(1)出口附近的參考壓力傳感器(4)采集壓力信號，通過A/D轉(zhuǎn)換模塊(7)后輸入控制器(9)；控制器處理后輸出信號通過D/A轉(zhuǎn)換模塊(8)和放大電路后控制壓電式節(jié)流閥(4)的開口；補(bǔ)油泵(2)通過壓電式節(jié)流閥(4)向主管路中注入小部分油液，消除壓力脈動波的谷值。本實(shí)用新型通過主動調(diào)節(jié)節(jié)流閥開口大小，入流一定的流量來降低系統(tǒng)的壓力脈動，結(jié)構(gòu)簡單且具有良好的效果。
【專利說明】
入流式流體脈動主動控制支路
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型屬于液壓管路流體脈動主動控制領(lǐng)域，涉及的是入流式流體脈動主動 控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著液壓系統(tǒng)向著高精度、低噪聲的趨勢發(fā)展，流體脈動已成為制約液壓系統(tǒng)發(fā) 展的一個關(guān)鍵因素。液壓管路系統(tǒng)中流體脈動的根源是栗瞬時流量的周期性脈動，并在管 路和負(fù)載的阻抗作用下形成壓力脈動。壓力脈動不僅會帶來流體噪聲，而且會引起流體與 液壓管路之間的耦合振動，最終導(dǎo)致機(jī)械結(jié)構(gòu)的疲勞破壞。此外，對于高精度系統(tǒng)，流體脈 動會大大降低控制系統(tǒng)的性能。傳統(tǒng)的脈動控制方式是被動式的，即采用結(jié)構(gòu)參數(shù)固定的 消振器，不具有自適應(yīng)能力，消減效果不理想。近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對液壓管路系統(tǒng)進(jìn)行 了主動消振研究，其原理都是采用主動消振器產(chǎn)生與初始壓力脈動等幅值、反相位的次級 壓力脈動，相互疊加以衰減脈動。現(xiàn)有的主動脈動控制方法根據(jù)產(chǎn)生次級脈動的原理又可 以分為三大類。
[0003] 第一類是通過安裝在管路中的伺服作動筒往復(fù)運(yùn)動來改變管路容積，產(chǎn)生次級壓 力脈動波，與管路中的原始壓力脈動波相互疊加以抵消脈動。有如下學(xué)者對此類流體脈動 控制方式進(jìn)行了研究：日本的小鳥英一等，利用安裝在管路中的伺服作動器往復(fù)運(yùn)動產(chǎn)生 次級脈動源，與管路中的初始壓力相疊加來衰減脈動，（Eiichi K0JIMA等于1991年在《The Japan Society of Mechanical Engineer》第34卷第4期466-473頁上發(fā)表的論文 《Development of an Active Attenuator for Pressure Pulsation in Liquid Piping Systems》）；日本的橫田真一等，提出了一種雙壓電陶瓷驅(qū)動活塞的主動液壓蓄能器來進(jìn)行 液壓流體脈動主動控制，其基本原理還是通過活塞往復(fù)運(yùn)動改變管路容積產(chǎn)生次級壓力脈 動，（Υ0Κ0ΤΑ等于 1996年在《JSME International Journal》第39卷第1 期119-124頁上發(fā)表 的文章〈〈Study on an active accumulator-(Active control of high-frequency pulsation of flow rate in hydraulic systems)))) 〇
[0004] 第二類是采用智能材料作動器使液壓油路中某一段特制的管壁變形，使管道內(nèi)流 體產(chǎn)生次級壓力脈動波，與管道初始壓力脈動疊加抵消脈動。有如下學(xué)者對此類流體脈動 控制方式進(jìn)行了研究:英國的Brennan設(shè)計(jì)了非接觸磁致伸縮作動器作用于水管管壁，進(jìn)行 了主動消振（Brennan等于 1996年在《Smart Materials&Structures》第5卷281-296頁上發(fā) 表的論文《A non-intrusive fluid-wave actuator and sensor pair for the active control of fluid-borne vibrations in a pipe》）；瑞典的梅拉德等利用圓周對稱分布 的壓電陶瓷主動作動器，從管路外產(chǎn)生軸對稱平面波，來抵消管路中壓力脈動波， (Maillard等于 1999年在《Proceedings Of the 17th International Modal Analysis Conference&Exhibit》第2卷 1806-1812頁上發(fā)表的論文《Fluid wave actuator for the active control of hydraulic pulsations in piping systems))〇
[0005] 第三類是采用溢流壓力脈動波峰值的方式來削減壓力脈動，需在旁支路安裝高頻 響的液壓閥，當(dāng)壓力脈動波峰值來臨時打開液壓閥，通過溢流小部分油液的方式來減小壓 力脈動。有如下學(xué)者對此類流體脈動控制方式進(jìn)行了研究:太原理工大學(xué)的周文教授采用 常規(guī)伺服閥作為產(chǎn)生次級脈動源的主動消振元件，利用分流原理進(jìn)行脈動主動控制，（周文 等于2003年在《液壓氣動與密封》第4期24-27頁上發(fā)表文章《主動振動控制技術(shù)的發(fā)展與應(yīng) 用》）；北航的焦宗夏教授利用新型壓電陶瓷比例節(jié)流閥作為主動消振元件，主動控制節(jié)流 口大小來削減系統(tǒng)的峰值流量，（焦宗夏等于2002年在《北京航空航天大學(xué)學(xué)報》第4期465-469頁上發(fā)表文章《液壓能源管路系統(tǒng)振動主動控制的理論研究》）；西安交通大學(xué)的刑科禮 博士采用兩個伺服閥，一個作為初級脈動源，另一個作為次級脈動源，利用次級脈動源產(chǎn)生 的壓力脈動波來抵消初級脈動源的壓力脈動波，（邢科禮等于2001年在《液壓氣動與密封》 第2期2-4頁上發(fā)表文章《基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的有源壓力脈動衰減的試驗(yàn)研究》）。北航博士生歐 陽平超等采用在管路上多個點(diǎn)安裝消振閥的方式進(jìn)行脈動主動控制，（歐陽平超等于2007 年在《Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics》第9期 1060-1063頁上發(fā)表文章 〈〈Study on distributed active control of fluid pulsation in hydraulic piping))) 〇
[0006] 第一類消振策略沒有流量的增減，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大;第二類消振策略同樣沒 有流量的增減，但不適用于高壓系統(tǒng);第三類消振策略需要溢流一定的高壓油，帶來一定程 度的能量損失?，F(xiàn)有的研究當(dāng)中未發(fā)現(xiàn)有采用往管路中注入小流量油液來消除壓力脈動波 谷值的脈動主動控制方法。 【實(shí)用新型內(nèi)容】：
[0007] 鑒于現(xiàn)有技術(shù)的以上不足，本實(shí)用新型的目的在于設(shè)計(jì)了一種新的壓力脈動主動 控制系統(tǒng)，使之克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)。
[0008] 本實(shí)用新型入流式脈動主動控制系統(tǒng)，采用如下的技術(shù)方案：
[0009] -種入流式流體脈動主動控制支路，設(shè)置在被控基本液壓系統(tǒng)中的管道消振點(diǎn)處 用以提供脈動消除或減小。包括補(bǔ)油栗2、溢流閥3、壓電式節(jié)流閥4、參考壓力傳感器5、誤差 壓力傳感器6、A/D轉(zhuǎn)換模塊7、D/A轉(zhuǎn)換模塊8、控制器9和相應(yīng)管路;壓電式節(jié)流閥4作為流體 脈動主動控制的執(zhí)行部件連接在液壓管路的消振點(diǎn)處，其出口連接主管路，其入口與補(bǔ)油 栗2的出口相連接;安裝在基本液壓系統(tǒng)中的主栗1出口附近的參考壓力傳感器5采集壓力 信號，通過A/D轉(zhuǎn)換模塊7后輸入控制器9;控制器處理后輸出信號通過D/A轉(zhuǎn)換模塊8和放大 電路后控制壓電式節(jié)流閥4的開口；補(bǔ)油栗2通過壓電式節(jié)流閥4向主管路中注入小部分油 液，消除壓力脈動波的谷值。
[0010]這樣，安裝在節(jié)流閥與主栗出口之間的參考壓力傳感器采集壓力信號，通過A/D轉(zhuǎn) 換模塊后輸入控制器，控制器處理后輸出信號，通過D/A轉(zhuǎn)換模塊和放大電路后控制壓電式 節(jié)流閥的開口，補(bǔ)油栗向主管路中注入小部分油液，消除壓力脈動波的谷值。安裝在消振點(diǎn) 附近的誤差傳感器檢測主管路中的殘余脈動，該壓力信號通過A/D轉(zhuǎn)換模塊后輸入控制器， 作為控制器參數(shù)調(diào)整的參考依據(jù)。
[0011]壓電式節(jié)流閥4的閥芯采用錐閥結(jié)構(gòu)，驅(qū)動裝置是壓電陶瓷執(zhí)行器，是由環(huán)型結(jié)構(gòu) 的壓電陶瓷薄片堆疊而成，閥芯的尾端與壓電陶瓷固結(jié)，并在壓電陶瓷的端部用彈簧來施 加一定的預(yù)緊力。壓電式節(jié)流閥在輸入電壓為0時，壓電陶瓷不產(chǎn)生位移，閥開口為0。壓電 式節(jié)流閥的壓電陶瓷伸長量為X時，補(bǔ)油栗經(jīng)過節(jié)流閥注入主管路的油液流量
:d為流量系數(shù);D為節(jié)流口直徑，m;X為閥芯位移，即壓電陶瓷的 伸長量，m;a為錐閥半錐角，％以為補(bǔ)油栗的工作壓力，Pa;PL為系統(tǒng)主管路的壓力， Pa;p為油 密度，kg/m3。
[0012] 控制器9為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，其權(quán)值調(diào)整依據(jù)是誤差傳感器 采集到的殘余脈動值最小。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值調(diào)整采用最速下降法。
[0013] 采用本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)，利用額外的補(bǔ)油栗通過高頻響的節(jié)流閥為系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ) 油，當(dāng)壓力脈動波的波谷來臨時，通過主動調(diào)節(jié)節(jié)流閥開口大小，入流一定的流量來降低系 統(tǒng)的壓力脈動。采用主動消振器產(chǎn)生與初始壓力脈動等幅值、反相位的次級壓力脈動，相互 疊加以衰減脈動。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單且具有良好的效果。
【附圖說明】：
[0014] 圖1是本實(shí)用新型入流式脈動主動控制支路原理圖；
[0015] 圖2是本實(shí)用新型壓電式節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)圖；
[0016]圖3是壓電式節(jié)流閥閥芯位移的頻率響應(yīng)特性曲線；
[0017] 圖4是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制框圖；
【具體實(shí)施方式】：
[0018] 下面結(jié)合附圖舉例對本實(shí)用新型做更詳細(xì)的描述：
[0019] 本實(shí)用新型入流式流體脈動主動控制支路，其控制對象是基本的液壓管路系統(tǒng)， 如圖1所示，本實(shí)用新型一種入流式流體脈動主動控制支路設(shè)置在被控基本液壓系統(tǒng)（圖1 以節(jié)流閥10代表負(fù)載）中的管道消振點(diǎn)處用以提供脈動消除或減小。壓電式節(jié)流閥4作為流 體脈動主動控制的執(zhí)行部件連接在液壓管路的消振點(diǎn)處，其出口連接主管路，其入口與補(bǔ) 油栗2的出口相連接;安裝在主栗1出口附近的參考壓力傳感器5采集壓力信號，通過A/D轉(zhuǎn) 換模塊7后輸入控制器9;控制器處理后輸出信號通過D/A轉(zhuǎn)換模塊8和放大電路后控制壓電 式節(jié)流閥4的開口；補(bǔ)油栗2通過壓電式節(jié)流閥4向主管路中注入小部分油液，消除壓力脈動 波的谷值。
[0020] 在安裝時，在管道消振點(diǎn)處引出一旁支路，安裝本實(shí)用新型支路。
[0021] 工作時，電機(jī)帶動柱塞栗(主栗)和補(bǔ)油栗從油箱中吸油，柱塞栗產(chǎn)生較大流量的 高壓油，進(jìn)入液壓管路中，在液壓管路的末端連接節(jié)流閥模擬負(fù)載，油液流經(jīng)負(fù)載后回到油 箱。壓電式節(jié)流閥的入口連接補(bǔ)油栗;在柱塞栗和補(bǔ)油栗的出口都連接有溢流閥，控制管路 的最高工作壓力，起安全保護(hù)作用;在柱塞栗出口附近安裝一個壓力傳感器，作為參考壓力 傳感器，在消振點(diǎn)附近安裝另一個壓力傳感器，作為誤差壓力傳感器。
[0022] 本實(shí)用新型入流式流體脈動主動控制支路，消振閥采用壓電陶瓷直接驅(qū)動的節(jié)流 閥，結(jié)構(gòu)如圖2所示，具有如下特點(diǎn)：（1)壓電式節(jié)流閥的閥芯采用錐閥結(jié)構(gòu)，驅(qū)動裝置是壓 電陶瓷執(zhí)行器，是由環(huán)型結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷PZT薄片堆疊而成，閥芯的尾端與壓電陶瓷固結(jié)， 并在壓電陶瓷的端部用彈簧來施加一定的預(yù)緊力。（2)壓電式節(jié)流閥在輸入電壓為0時，壓 電陶瓷不產(chǎn)生位移，閥開口為0。（3)壓電式節(jié)流閥的壓電陶瓷伸長量為X時，補(bǔ)油栗經(jīng)過節(jié) 流閥注入主管路的油液流量 ，Cd為流量系數(shù);D為節(jié)流口直徑，m; X為閥芯位移，即壓電陶瓷的伸長量，m;a為錐閥半錐角，％ps為補(bǔ)油栗的工作壓力，Pa;pL為 系統(tǒng)主管路的壓力，Pa;p為油密度，1^/!113。（4)此壓電式節(jié)流閥的閥芯位移頻率響應(yīng)超過 1000Hz，如圖 3。
[0023]本實(shí)用新型入流式流體脈動主動控制支路中，控制器采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，來匹 配系統(tǒng)中的非線性，圖4是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制框圖，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是三層單輸入單輸出的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，控制器的目標(biāo)函數(shù)應(yīng)使誤差傳感器處的殘余脈動最小，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值調(diào)整采 用最速下降法。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種入流式流體脈動主動控制支路，設(shè)置在被控基本液壓系統(tǒng)中的管道消振點(diǎn)處用 以提供脈動消除或減小，其特征在于，包括補(bǔ)油栗(2)、溢流閥（3)、壓電式節(jié)流閥（4)、參考 壓力傳感器(5)、誤差壓力傳感器(6)、A/D轉(zhuǎn)換模塊(7)、D/A轉(zhuǎn)換模塊(8)、控制器(9)和相應(yīng) 管路;壓電式節(jié)流閥(4)作為流體脈動主動控制的執(zhí)行部件連接在液壓管路的消振點(diǎn)處，其 出口連接主管路，其入口與補(bǔ)油栗(2)的出口相連接;安裝在主栗（1)出口附近的參考壓力 傳感器(5)采集壓力信號，通過A/D轉(zhuǎn)換模塊(7)后輸入控制器(9);控制器處理后輸出信號 通過D/A轉(zhuǎn)換模塊(8)和放大電路后控制壓電式節(jié)流閥(4)的開口；補(bǔ)油栗(2)通過壓電式節(jié) 流閥(4)向主管路中注入小部分油液，消除壓力脈動波的谷值。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的入流式流體脈動主動控制支路，其特征在于，所述壓電式節(jié)流 閥（4)的閥芯采用錐閥結(jié)構(gòu)，其驅(qū)動裝置為壓電陶瓷執(zhí)行器。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的入流式流體脈動主動控制支路，其特征在于，所述控制器(9) 為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器。
【文檔編號】F15B21/00GK205478676SQ201620173609
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月7日
【發(fā)明人】劉桓龍, 季曉偉, 柯堅(jiān)
【申請人】西南交通大學(xué)