柱塞泵输出流量脉动的主动控制与创新应用

柱塞泵输出流量脉动的主动控制与创新应用□

徐

2

青1，

*

2.广东海洋大学深圳研究院

摘

1.广东海洋大学机械与动力工程学院

□

李儒松1

□杨

威1

广东深圳

广东湛江

□

张明宇1

518116

524088

□钟

音1

要院由于柱塞泵输出的流量脉动会降低液压系统的工作稳定性袁因此需要对柱塞泵输出的流量

脉动进行主动控制遥分析了流量脉动原理袁介绍了消除流量脉动的方法袁并给出了流量脉动主动控制领域国内外的研究现状遥同时提出了柱塞泵输出流量脉动主动控制的未来研究方向袁并论述了流量脉动的创新应用遥

关键词院柱塞泵

流量脉动控制应用

文献标志码院A

文章编号院员园园园原源怨怨愿渊圆园员9冤03原园园04原园5

中图分类号院TH137

Theprincipleofflowpulsationwasanalyzed袁andthemethodforeliminatingflowpulsationwasintroduced.Thepresentresearchstatusonactivecontrolofflowpulsationathomeandabroadwasgiven.Atthesameproposed袁andtheinnovativeapplicationofflowpulsationwasdiscussed.

KeyWords院PlungerPumpFlowPulsationControl

Application

time袁thefutureresearchdirectionofactivecontrolofflowpulsationoutputfromplungerpumpwas

ofthehydraulicsystem袁itisnecessarytocontroltheflowpulsationoutputfromtheplungerpumpactively.

Abstract院Sincetheflowpulsationoutputfromtheplungerpumpmayreducetheoperationalstability

1研究背景

柱塞泵是重要的液压传动机械袁在工程与控制领域中得到了广泛的应用遥随着社会的发展袁节能与环保越来越得到重视袁降噪已经成为一个重要的研究方向遥在液压传动过程中袁柱塞泵由于自身结构特性袁在工作在整个液压传动系统中表现为持续的振动和较大的噪声袁持续的振动会损坏液压系统的设备和管道尧降低系过程中输出流量脉动袁进而引起压力脉动咱1暂遥压力脉动统工作性能等袁较大的噪声则会产生严重的环境污染咱2暂遥因此袁在工程实践中袁为了达到节能环保的要求袁避免振动和降低噪声是设计人员必须考虑的要素遥目前袁工程上通常采用被动式脉动衰减器对流体进行稳压袁达到消除脉动的效果遥但是袁被动式脉动衰减器工作时适应性差袁不能对液压系统脉动及时响应袁达不到理想的效果遥对此袁不少国内外研究人员提出了流量脉动的主动控制方法遥流量脉动的主动控制结合了材料科学尧控制科学袁可以提升脉动衰减器的性能和增强消除脉动的效果遥然而袁采取被动式脉动衰减器或主动式脉动消减器消除脉动袁都会消耗一部分脉动能遥若将脉动能利*湛江市科技计划项目渊编号院A14450冤收稿日期院圆园员8年5月

用起来袁则既可对液压系统进行稳压袁又能提高能源利用效率袁达到稳压与节能双重效果遥笔者分析液压系统流量脉动原理和流量脉动主动控制的研究现状袁并介绍流量脉动主动控制的潜在研究方向和创新应用方法遥2流量脉动原理

态流量组成咱3暂遥运动流量的形成由柱塞泵自身决定袁是柱塞泵工作过程中的固有脉动来源遥柱塞泵将液体增压后袁经过配油盘排出高压油液遥柱塞腔吸取低压液体和排出高压液体是在旋转的过程中完成的袁因此单个柱塞输出的流量为周期性变化袁柱塞泵输出的流量也为周期性变化遥动态流量是配油盘在完成吸取低压液体和排出高压液体过程中产生的袁高压液体容易发生倒灌现象袁由此激发出高频的脉动流量袁容易激起系统的持续振动遥除了上述提到的两个主要因素外袁柱塞副尧配油盘尧滑靴副在柱塞泵工作过程中产生的泄漏也会造成柱塞泵输出流量脉动遥柱塞泵输出的高压脉动流体主要由运动流量和动3消除流量脉动方法

减振降噪主要从消除压力脉动的角度考虑遥消除液压系统的流量脉动袁有三种常用的途径院淤对柱塞4圆园19袁57渊3冤

机械制造总第655期泵的结构进行优化设计袁使泵输出流量趋于稳定袁从而降低泵源脉动曰于优化管道和元件的布置方案袁合理调盂整系统在泵源阻抗出口袁避免共振现象的发生元处安尧计算装脉流动体衰减动力器袁降低压力脉动曰咱4-7暂随着有限学等遥技术在柱塞泵结构优化设计上的应用袁柱塞泵已经得到了极大的优化遥通过进一步优化柱塞泵结构来减振降噪袁不仅难度大袁而且成本高尧周期长袁因此这种方式不适用于柱塞泵的减振降噪遥优化管道和元件的布置方案袁可以调整系统阻抗袁避免共振现象发生袁降低压力脉动袁但在泵源尧管道布局被限定的情况下就很难实施遥脉动衰减器安装方便灵活袁可以有效降低压力脉动遥脉动衰减器分为两种院主动式脉动衰减器和被动式脉动衰减器遥在实际的液压系统中袁由于工况复杂袁被动式脉动衰减器很难适应各种工况遥同时袁被动式脉动衰减器体积过大袁对低频脉动的消减效果较差遥近些年来袁国内外专业人士针对被动式脉动衰减器的不足袁进行了主动控制液压管道流量脉动的研究遥此外袁主动式流量脉动控制采用自动控制袁响应速度快袁工作频域宽袁更具应用前景遥主动式脉动衰减器通过引入幅值相等尧相位相反的次级脉动来消除系统管道中的初始脉动遥主动式脉动衰减器分为三种形式院入流式尧分流式尧分流入流式袁通过主动控制流量大小的方法使系统输出平稳的流量遥入流式主动脉动控制在系统中加入补油泵袁泵的补给量由伺服阀控制袁针对管道中流量脉动的波谷进行补充袁使管道流量趋于平稳袁减少系统压力的脉动袁需要提供额外的能源袁设备也较为复杂遥分流式主动脉动控制与溢流阀工作原理类似袁通过分流一部分峰值流量袁达到平稳流量输出尧稳定压力的目的袁仪器和设备比较简单遥分流入流式主动脉动控制即入流式和分流式进行耦合袁通过在流量峰值时分流袁在流量谷值时补充的方式来保持系统流量与压力平稳袁达到消减压力脉动的效果咱8-9暂流量脉动的遥主动控制还有另外两种方法遥第一种为管道容积变化产生次级压力脉动袁以此消除系统中的初始脉动遥第二种为管壁的变形产生次级压力脉动袁以此消除管道中的压力脉动袁脉动消减效果的好坏取决于伸缩变形材料的性能遥这两种主动控制方法都没有通过增减系统中的流量来消减次级脉动遥第一种方法控制管道容积的伺服作动器易受系统压力的影响袁达不到消除原始脉动的理想效果遥而第二种方法只是通过管壁变形产生的压力脉遥动消除管道中的原始脉动袁因此更具研究应用前景咱10暂4国内外研究现状

如图1所示袁日本学者恒田真一等咱11暂设计了一种机械制造总第655期慧眼聚焦

主动液压滤波器袁用于消除流量脉动遥其工作原理是将光电传感器采集的液压泵转速数据作为参考信号袁将压力传感器采集的系统压力作为误差信号袁微型计算机根据参考信号和误差信号输出合适的电压袁从而驱动压电陶瓷运动器袁使活塞进行往复运动袁达到消除系统压力脉动的效果遥这一滤波器的特点是需要两个蓄能器来维持系统压力遥转速信号模数圆柱形气门转换输输入出/蓄能器光电传感器微型计算机径向108cm柱塞泵蓄能器管道放运大算器压电陶瓷运动器转速信号银图1文献咱11暂主动液压滤波器原理瑞典学者梅拉德咱12暂等采用独特的压电陶瓷脉动发生器袁通过在管道外产生轴对称的次级脉动平面波来消除管道中的压力脉动遥经基于滤波-X最小均方值算法程序仿真得出袁该方法在管道的不同消振点处都有一定的消振效果遥图2所示为该方法的控制原理简图袁X渊s冤为主管道中的初始脉动信号袁N渊s冤为主管道中的压力信号袁作为控制系统的补偿信号袁G1控制系统传递函数袁Y渊s冤为平面波信号遥渊s冤尧G2渊s冤为X渊s冤G1渊s冤G2渊s冤Y渊s冤N渊s冤银图2文献咱12暂方法控制原理简图北京航空航天大学李运华教授等咱13暂对日本学者提出的双蓄能器与压电晶体驱动的主动液压滤波器进行了理论分析袁并进一步优化了滤波性能的控制方法袁其原理如图3所示遥此外袁北京航空航天大学焦宗夏教授等咱14暂将新型压电陶瓷比例节流阀作为管道的主动消振元件袁通过自寻最优控制算法进行阀口大小的主动控制袁从而通过降低系统的峰值流量达到消除脉动的效果遥西安交通大学邢科礼博士咱15暂利用一个伺服阀产生初始脉动袁再利用另一个伺服阀产生次级脉动袁来间接验证引入次级脉动以消除初始脉动的可行性遥该方法圆园19袁57渊3冤

5慧眼聚焦

压力传感器模数转换主控计算机功率放大器电路数模转换压电陶瓷负载主动节流阀银图3文献咱13暂主动液压滤波器原理采11.6用了dBB的样条神脉动衰减经网效络果控制袁其试算验法原袁理成功如图获4得所示了遥8.5耀模数转换主控计算机数模转换隔直放大器电阻变位仪负载伺服放大器银图4文献咱15暂试验原理西南交通大学季晓伟咱16暂在液压泵的主管道旁安装比例溢流阀袁由此制造初级脉动袁同时在主管道上安装另一个比例流量阀袁用反应灵敏尧抗干扰能力强的压电陶瓷阀控制溢流阀产生次级脉动袁通过监测设备实时观察叠加后的压力曲线袁成功验证了利用分流式主动脉动控制方法产生次级脉动来消除初始脉动的可行性袁其试验原理如图5所示遥控制器模数转换数模转换误差传节流阀感溢流阀参考传感器压电式器高速开关阀负载溢流阀柱塞泵补油泵银图5文献咱16暂试验原理吉林大学刘大威咱17暂基于液压泵输出的流量脉动具有周期性的特点袁将两个型号参数相同的液压泵并联袁使输出流量的相位错开180毅袁进而使脉动流量的波峰与波谷叠加袁减小流量脉动袁降低振动噪声遥华中科技大学曹树平等咱18暂针对现有被动式脉动衰6圆园19袁57渊3冤

减器的不足袁进行了自适应型蓄能器回路的研究遥自适应型蓄能器控制系统输出流量峰值的大小袁降低系统的流量脉动袁达到消振降噪的效果遥该自适应型蓄能器入口的大小主要由压力传感器和比例控制阀控制袁比例控制阀通过压力传感器对系统输出主管道压力进行实时监测袁并及时调整阀口大小袁达到控制入口流量的目的袁进而通过控制蓄能器入口流量的方式及时调整蓄能器的工作性能袁达到最佳的脉动消除效果袁其试验原理如图6所示遥蓄能器比例控制阀系统柱塞泵银图6文献咱18暂试验原理5流量脉动主动控制未来研究方向

液压传动与控制技术尧材料科学的不断发展袁促进越来越多的成熟控制算法尧新材料应用于流量脉动主动控制遥流量脉动主动控制发展至今袁有三个方面有待更加深入的研究遥第前流量脉动的主动控制遥第一二尧开方尧法开发主要有发响应更精更四确快种的尧适用频率更宽的新型智能材料咱19暂院控制自动算适应法遥目控制法尧自寻最优控制法尧神经网络控制法尧模糊控制法遥虽然这四种控制方法比较成熟袁但是还不能达到流量脉动准确控制的效果袁因此需要开发出更好的方法袁优化出更好的主动式消振器参数遥第三尧对柱塞泵输出主管道进行分布式流量脉动控制遥这种方法的关键是选取主管道上合适的消振分布点袁在主管道上的各个消振点进行消振遥分布式流量脉动主动控制在管道上进行多处消振袁提高消除脉动的效果袁大大降低管道的脉动能量咱20暂遥6流量脉动创新应用

随着世界人口与经济的增长袁人们对淡水资源的需求量越来越大遥目前袁地球上可用的淡水资源远远不能满足人类社会生产生活的需要袁而海洋中蕴藏着大量的水资源袁海水淡化技术由此得到飞速发展咱21暂淡化技术发展至今袁反渗透膜法已经逐渐成为市遥海水场的主导遥在反渗透膜法海水淡化过程中袁海水经柱塞泵增压至6MPa袁通入反渗透膜析出一部分淡水和一部分浓盐水咱22暂水袁通常要遥然在而柱塞泵袁柱塞泵出口增处安压海水装稳形压成器进行的是脉稳动压高袁压从而海机械制造总第655期避免对管道和反渗透膜的冲击遥脉动能量高尧冲击大袁在传递过程中极易损坏设备等遥在喷雾干燥中袁脉动的热空气能大幅提高水分蒸发的速率袁中国农业大学刘相东教授等咱23暂利用脉动热气流对溶质分数为10%的氯化钠溶液进行喷雾干燥试2.5验倍袁验证氯化钠溶液在脉动热空气中蒸发速率提高广遥东海洋大学凌长明教授等咱24-26暂结合反渗透膜法海水淡化与喷雾干燥袁首次提出将反渗透膜法海水淡化过程中的高压脉动海水的脉动能传递到喷雾干燥制盐中的热空气中袁从而造成热空气脉动袁进而加快干燥速率袁提高制盐产量遥该方法的关键是既能稳压又能传递脉动的脉动能交换器袁其系统原理如图7所示遥1235141513912108711淡水1.风机7.反2.渗透膜加热器8.3.能脉量动回收装能交换置器9.4.增喷雾干燥压泵10.腔节5.流稳阀压11.器过6.滤器12.水泵13.节流阀14.大海15.柱塞泵银图7脉动能交换器系统原理工程技术上一直都在研究尽量减少或消除液压系统中的脉动袁但另一方面袁这种脉动也是一种能量遥如果把这部分有害脉动利用起来袁不仅能消除液压系统的不利脉动袁而且能提高能源利用效率遥7结束语

目前流量脉动的主动控制停留在实验室研究阶段袁随着材料科学和控制技术的不断发展袁流量脉动主动控制将会在减振降噪尧提高液压伺服系统性能两个方面得到广泛的应用遥脉动作为一种能量袁若仅采取消除脉动的方法减少其带来的危害袁则会损耗部分脉动能遥因此袁探讨更多利用脉动的方法减少脉动带来的危害袁不仅可以保证液压系统平稳工作袁而且能够提高能效袁带来新的研究应用前景遥参考文献

咱咱21暂暂马徐绳武大猷..柱塞声学式和人的生液压泵咱活M暂质.北京量咱J院暂机械.声学技工业术出袁版1999社袁袁1985.

98-102.

21渊3冤院咱3暂ZHUH袁XIAOX袁LIYD.TorqueRippleReductionofthe

机械制造总第655期慧眼聚焦

TorqueSynchronousPredictiveMotors咱ControlJ暂.IEEESchemeTransactionsforPermanentonIndustrial-MagnetElec-咱4暂tronics袁2012袁59控制渊2冤院咱M871-877.2002.

.噪声及其暂.哈尔滨院哈尔滨工程大学出版社袁咱5暂吕玉21渊6恒冤院.14-17.

国内噪声控制近况评述咱J暂.噪声与振动控制袁2001袁咱6暂蔡亦钢1990..流体传输管道动力学咱M暂.杭州院浙江大学出版社袁咱7暂高大锋学.袁飞2013.机液压系统泵-管路振动特性研究咱D暂.杭州院浙江咱8暂曾祥荣.液压噪声控制咱M暂.哈尔滨院哈尔滨工业大学出版咱9暂KELA社袁1988.

ResonatorL.inResonantaHydraulicFrequencySystemof咱J暂an.ArchiveAdjustableofAppliedHelmholtz

咱10暂chanicsKOJIMA袁2009袁79渊12冤院1115-1125.Me-anActiveEAttenuator袁SHINADAforMPressure袁YAMAOKAPulsationT.inDevelopmentLiquidPipingof

International

Experiments

Systems院TrialConstructionoftheSystemandFundamentalJournalon

Attenuation

Series

B

Characteristics咱J暂.咱11暂EngineeringYOKOTA袁1993袁36渊Fluids

and

JSMEActiveS袁SOMADA2冤院H袁230-237.

Thermal

YAMAGUCHIH.Studyonan

PulsationAccumulatorofFlow院RateActiveControlofHigh-FrequencyInternational

Engineering袁1996Journal

袁39渊1Series

inHydraulic冤院119-124.B

Fluids

Systemsand

咱J暂Thermal

.JSME咱12暂MAILLARDPiping

ActuatorforJSystemstheP袁ActiveLAGO咱C暂.ProceedingsControlTL袁FULLERofHydraulicCR.FluidWave

ofSPIEPulsationsTheInterinnationalSocietyforOpticalEngineering袁1999.

--咱13暂李析运咱J暂华.北京航袁焦宗夏空航天袁王占大学学林.报一种袁1999主动袁25液压渊2冤院滤波163-166.

器的理论分咱14暂焦宗夏论研究袁咱陈J暂.平北京袁华院清航袁空等航天.液压大能学学源管报路袁系统2002振袁28动主动控制渊4冤院465-469.的理咱15暂邢安科院西礼安.液压交通系统大学压力脉袁1998.

动的衰减理论及方法研究咱D暂.西咱16暂季晓伟学袁2017.

.流体脉动的入流式主动控制咱D暂.成都院西南交通大咱17暂刘吉林大威大.学液压泵袁2013.输出流量脉动控制及其应用研究咱D暂.长春院咱18暂曹树回路平研究袁罗咱小J暂.辉中袁国胡军机械华工袁等程.袁吸2008收压力脉袁19渊6冤院动671-675.的自适应蓄能器咱19暂刘造楚辉袁2005.超袁磁43致渊8伸缩材冤院25-27.

料的工程应用研究现状咱J暂.机械制

渊下转第11页冤圆园19袁57渊3冤

7专题报导

通过组合式基体或者基体附件之间的相互移动袁使磨料层表面的强度破坏袁完成砂轮基体与磨料层的物理分离袁最后实现超硬磨料电镀砂轮的回收遥超硬磨料电镀砂轮拆卸后袁分别得到砂轮基体尧附件和磨料层袁再分别对拆卸后的基体尧附件和磨料层进行回收处理遥对砂轮基体进行重新装配袁由于附件与基体会产生新的配合间隙袁需要对重新装配的基体外圆周面进行微量的车削加工袁再次形成连续完整的基体外圆周面用于电镀遥通过电解加工实现磨料层中的结合剂和超硬磨粒的回收遥通过对电解液的过滤以及超硬磨粒的分选袁获得的超硬磨粒可用于砂轮的再制造遥另外袁对于拆卸后磨料层的电解回收袁电解液的主要成分没有改变袁仅仅是浓度发生了变化袁经过对电解液浓度的调整袁仍然可作为电镀液袁用来制造超硬磨料电镀砂轮遥咱4暂OLSONDW.2008MineralsYearbook院Diamond袁Industrial

咱R暂.Washington院U.S.DepartmentoftheInterior袁U.S.GeologicalSurvey袁2010.

咱5暂SKURYALD袁BOBROVNITCHIIGS袁MONTEIROSN袁

etal.RecoveryofSyntheticDiamondsfromScrapped2004袁35渊3冤院185-190.

Sawblades咱J暂.SeparationandPurificationTechnology袁咱6暂MESZAROSM袁VADASDIK.ProcessandEquipmentfor

ElectrochemicalEtchingofDiamond-containingCo-WCToolsandRecoveryofDiamondfromUsedSteelTools咱J暂.InternationalJournalof

咱7暂吕艳艳袁穆保定袁李要正.用碱液分解和水力分级回收树脂咱8暂刘志峰.绿色设计方法尧技术及其应用咱M暂.北京院国防工业咱10暂胡坤.带式输送机绿色设计关键技术与应用研究咱D暂.淮咱11暂卢志伟袁张旭忠袁魏明明.可拆卸式气浮导轨滑架组件的设咱12暂覃奇贤袁刘淑兰.镀层与基体的结合力咱J暂.电镀与精饰袁咱13暂于爱兵袁吴磊.可再制造的电镀金刚石砂轮结构设计咱J暂.兵咱14暂邓训袁赵元勤.材料力学咱M暂.2版.武汉院武汉理工大学出

版社袁2012.

葺工学报袁2013袁34渊5冤院620-626.2010袁32渊1冤院34-36.

计与分析咱J暂.机械制造袁2015袁53渊8冤院12-15.南院安徽理工大学袁2012.

咱9暂许彧青.绿色设计咱M暂.北京院北京理工大学出版社袁2007.

出版社袁2008.

中的金刚石咱J暂.无机盐工业袁2017袁49渊1冤院49-51.Materials袁1996袁14渊4冤院229-234.

Refractory

Metals

and

Hard

用咱J暂.上海机床袁1992渊4冤院17-20.

8结论

笔者提出了组合式超硬磨料电镀砂轮的DFD准则袁设计出一种分体式超硬磨料电镀砂轮的基体结构袁并详细介绍了组合式报废超硬磨料电镀砂轮的回收过程遥分体式组合电镀金刚石砂轮的制备与拆卸实验表明袁在凸台基体尧阶梯孔基体与磨料层三者的交界处的磨料层产生应力集中现象遥当磨料层受到的切应力大于其抗扭矩许用切应力时袁磨料层强度发生破坏并且表面出现裂纹袁通过拆卸工具嵌入裂纹袁剥离磨料层袁使砂轮基体与磨料层实现物理拆卸与分离袁为超硬磨料电镀砂轮的绿色尧高效回收提供了具有实际经济价值的参考遥参考文献

咱1暂罗锡裕袁徐燕军袁刘一波.中国人造金刚石的发展及其关键咱2暂刘明耀袁李克华袁赵兴昊.中国CBN磨具的研发历程与技术咱3暂潘广银.陶瓷结合剂CBN砂轮在高效高精度磨削中的应

发展趋势咱J暂.金刚石与磨料磨具工程袁2017袁37渊1冤院1-6.技术的进步咱J暂.粉末冶金工业袁2016袁26渊1冤院1-13.

作者简介院

陈秋洁（1994—），男，硕士研究生，主要研究方向为可回收及磁场摩擦学；于爱兵（1968—），男，教授，主要研究方向为刀具仿生与再制造。

（编辑雁子）咱20暂李树立袁焦宗夏.液压流体脉动主动控制研究现状与展咱21暂茅龚丹袁肖颖.海水淡化技术现状与发展咱J暂.机械制造袁2013袁咱22暂凌长明袁王逸飞袁郑章靖袁等.潮汐能直接驱动的海水淡化

展年会暨论坛袁广州袁2013.51渊6冤院91-93.

望咱J暂.机床与液压袁2006渊9冤院243-246.

渊上接第7页冤咱24暂凌长明袁雷顺安袁梁炳盛袁等.一种活塞摆动耦合式可变频脉咱25暂凌长明袁雷顺安袁王孔秋袁等.一种双活塞式可变频脉动能交咱26暂凌长明袁雷顺安袁陈明丰袁等.海水淡化和制盐一体化的方

201510934613.7咱P暂.2016-04-20.作者简介院

徐青（1980—），男，副教授，主要研究方向为新能源开发与利用。

（编辑圆园19袁57渊3冤

岚）换器院2015105601.4咱P暂.2015-12-09.动能交换器院201510559336.6咱P暂.2015-12-16.

葺技术研究进展与展望咱C暂.第二届中国海洋可再生能源发

咱23暂刘相东袁ZBICINSKII袁SMUCEROWICZI.脉动气流的喷雾

干燥咱J暂.农业机械学报袁2001袁32渊1冤院56-58.

机械制造总第655期11