液压泵的流体压力脉动抑制方法

1.本发明专利属于液压油源系统压力波动控制领域，具体涉及一种液压泵的流体压力脉动抑制方法。

背景技术：

2.周期性的压力波动称为压力脉动，当液压系统中流量有变化时，遇到系统阻抗后就会导致系统中压力出现波动，也就是说流量脉动引起压力脉动。在液压系统中，流量脉动的主要原因有两个方面：一是液压泵的结构特点和工作原理决定了泵源输出的流量有脉动；二是执行机构运动不平稳对流量需求有脉动、控制系统不稳定或负载连续变化引起系统流量的脉动。
3.将系统压力脉动中的低次谐波成分衰减掉，液压系统的压力脉动幅值就会大大降低，用于消除液压系统压力脉动的方法可归纳为两种：主动滤波和被动滤波。
4.目前，被动滤波使用较为广泛，液压被动滤波方法是在泵源出口处安装蓄能器或在液压系统适当的位置安装压力脉动衰减器，其特点是液压系统与外界无液压能量的交换，但是，被动滤波主要用于减少负载变化引起的系统中、低频压力脉动，其滤波效果较为一般。主动滤波通常需要在液压系统中加入一个专门装置，生成可以与液压系统中的压力脉动波相互叠加抵消的二次脉动波。主要用于系统压力脉动频率基频稳定的高频压力脉动的情况，能够适应一定频率范围内的压力脉动，主要用于系统压力脉动频率包含较多随机性的情况，但是，会加剧其他频率的压力脉动结果。

技术实现要素：

5.为了克服现有液压系统常见的压力波动问题，本发明提供一种液压泵的流体压力脉动抑制方法，能够有效抑制液压系统的高、中、低频压力脉动。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
7.针对现有技术存在的各种缺陷，本发明的目的在于提供一种基于主被动相结合的流体压力脉动抑制方法，旨在解决现在被动滤波只能衰减中、低频压力波动，主动滤波只能衰减高频压力波动，且控制稳定性差，压力抑制难度较大的问题。
8.本发明提供了一种液压泵的流体压力脉动抑制方法，其包括如下步骤：
9.s1、根据系统流量要求设置包括多个液压泵的泵组，在每一个液压泵后的高压管路上安装蓄能器、溢流阀及压力传感器；
10.s2、根据液压泵脉动参数确定液压泵流量脉动幅值与频率，液压泵脉动参数包括配流盘闭死角、减振三角槽、泄漏流量、转速以及压力参数；其包括以下子步骤：
11.s21、计算液压泵实际流量，液压泵实际流量通过以下公式计算：
[0012][0013]
其中，qs为实际稳态流量值，d为柱塞直径，r为柱塞分布圆半径，ω为转子旋转角速度，γ为斜盘倾角，为转角，m为高压腔柱塞数，z为柱塞总数，cd为流量系数，ad为减振槽的节流孔面积，ρ为油液密度，p
l
为液压泵排油口压力，l0为柱塞处于上死点时柱塞在虹体内的最小含接长度，i为第i个柱塞，p0为液压泵进油口压力，φ1为柱塞初始角度，k为泄漏系数，取0.6～1，δ1为缸体与柱塞之间的配合间隙，μ为液压油的动力粘度，l为柱塞在缸体孔的内含长度，δ2为滑靴与斜盘之间的油膜厚度，r1、r2分别为滑靴封油带内、外半径，p
t
为柱塞腔压力，αf为缸体腰型孔角，δ3为缸体和配流盘之间的油膜厚度，r3、r4分别为配流盘内侧封油带的内半径和外半径，r5、r6分别为配流盘外侧封油带的内半径和外半径；
[0014]
s22、利用基波频率相同的余弦曲线替代液压泵的实际流量脉动曲线，得到优化后液压泵实时流量计算公式：
[0015][0016]
其中，qs为实际稳态流量值，δq为流量脉动幅值，为流量脉动频率，θ为泵组的流量周期相位差，t为时间，q为液压泵实时流量；
[0017]
s3、实时调节泵组的流量周期相位差，使泵组的实时流量周期相位差与初始流量周期相位差一致，从而抑制液压泵的压力波动，具体包括以下子步骤：
[0018]
s31、在液压泵压力脉动频率和幅值相同的基础上，设置各泵组的初始流量周期相位差，其中，泵组的初始流量周期相位差满足如下关系式：
[0019][0020]
其中：n为泵组中液压泵个数，t为泵组的初始流量周期相位差；
[0021]
s32、调节泵组中液压泵实时流量q，使泵组的流量周期相位差θ与泵组的初始流量周期相位差t一致，抑制液压泵的压力波动；
[0022]
s4、采集压力传感器的压力信号；
[0023]
s5、构建与压力信号频率一致且相位相反的正弦信号，根据压力波动控制溢流阀开度，抑制液压泵后的压力波动；具体步骤为：
[0024]
s51、根据压力传感器采集的压力信号，进行快速傅里叶变换，得到压力脉动幅值a0和频率f0，建立压力信号频率一致且相位相反的正弦信号：
[0025]
x(n)＝ω0a0cos(2πf0n)+ω1a0sin(2πf0n)
[0026]
其中，n为压力信号，ω0、ω1为信号发生器参数，用于控制输出信号的相位差，x(n)
为正弦信号；
[0027]
s52、将正弦信号转化为激励信号控制溢流阀的开度，抑制液压泵后的压力波动。
[0028]
优选地，利用泵组代替单液压泵满足液压系统流量需求并生成能够与液压系统中的压力脉动波相互叠加抵消的脉动波。
[0029]
优选地，液压泵的瞬时流量实际脉动频率f的计算公式为：
[0030][0031]
其中，其中，n
p
为液压泵柱塞数，n
p
为液压泵转速。
[0032]
优选地，通过控制电机转速改变液压泵实时流量从而对泵组各液压泵之间的的实时流量周期相位差进行调整，使泵组产生的压力波动相互抵消。
[0033]
优选地，泵组包括两个或两个以上的液压泵。
[0034]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0035]
(1)本发明在蓄能器被动滤波的基础上增加多液压泵主动滤波，实现全频段滤波，并利用压力信号进一步提高溢流阀压力波动抑制效果。通过调节泵组中液压泵实时流量q，使泵组的流量周期相位差θ与泵组的初始流量周期相位差t一致，一方面，能够抑制柱塞单元流量脉动引起的高频压力脉动；另一方面，能够减少负载变化引起的系统中、低频压力脉动，同时，本发明基于压力脉动信号优化溢流阀溢流开度，进一步消除压力脉动，并提高泵组主动滤波的稳定性。
[0036]
(2)本发明将泵源进行液压泵组配置，易于操作，系统简单且便于控制。本发明进行泵组配置方法在合理的选型基础上有利于减小泵源总体积，可以同时满足系统的体积要求。溢流阀采用了主动抑制方式，利用压力传感器采集的压力信号进行溢流消峰，提高了溢流阀压力抑制效果。
附图说明
[0037]
图1为本发明的整体流程示意图；
[0038]
图2为本发明实施例的方法流程图；
[0039]
图3为本发明的液压系统的液压原理图；
[0040]
图4为本发明的压力抑制原理图。
[0041]
附图中的部分附图说明如下：
[0042]
1、3、5为液压泵，2、4、6为高速电机，7为过滤器，8为高压蓄能器，9和16为快换接头，10为高压压力传感器，11和13为测压接头，12为溢流阀，14为低压压力传感器，15为散热器，17为安全活门，18为单向活门，19为低压蓄能器，20为控制器，21为电机驱动器。
具体实施方式
[0043]
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
[0044]
本发明提供了一种液压泵的流体压力脉动抑制方法，如图1所示，其包括如下步骤：
[0045]
s1、根据系统流量要求设置多个泵组，每一个泵组包括多个液压泵，在每一个液压泵后的高压管路上安装蓄能器、溢流阀及压力传感器。
[0046]
s2、根据液压泵脉动参数确定液压泵流量脉动幅值与频率，并计算实时液压泵流量。其中，液压泵脉动参数包括配流盘闭死角、减振三角槽、泄漏流量、转速以及压力参数。其包括以下子步骤：
[0047]
s21、计算液压泵实际流量，液压泵实际流量通过以下公式计算：
[0048][0049]
其中，qs为实际稳态流量值，d为柱塞直径，r为柱塞分布圆半径，ω为转子旋转角速度，γ为斜盘倾角，为转角，m为高压腔柱塞数，z为柱塞总数，cd为流量系数，ad为减振槽的节流孔面积，ρ为油液密度，p
l
为液压泵排油口压力，l0为柱塞处于上死点时柱塞在虹体内的最小含接长度，i为第i个柱塞，p0为液压泵进油口压力，φ1为柱塞初始角度，k为泄漏系数，取0.6～1，δ1为缸体与柱塞之间的配合间隙，μ为液压油的动力粘度，l为柱塞在缸体孔的内含长度，δ2为滑靴与斜盘之间的油膜厚度，r1、r2分别为滑靴封油带内、外半径，p
t
为柱塞腔压力，αf为缸体腰型孔角，δ3为缸体和配流盘之间的油膜厚度，r3、r4分别为配流盘内侧封油带的内半径和外半径，r5、r6分别为配流盘外侧封油带的内半径和外半径。
[0050]
s22、利用基波频率相同的余弦曲线替代液压泵的实际流量脉动曲线，得到优化后液压泵实时流量计算公式：
[0051][0052]
其中，qs为实际稳态流量值，δq为流量脉动幅值，为流量脉动频率，θ为泵组的流量周期相位差，t为时间，q为液压泵实时流量。
[0053]
s3、实时调节泵组的流量周期相位差，使泵组的实时流量周期相位差与初始流量周期相位差一致，从而抑制液压泵的压力波动，具体包括以下子步骤：
[0054]
s31、在液压泵压力脉动频率和幅值相同的基础上，设置各泵组的初始流量周期相位差，其中，泵组的初始流量周期相位差满足如下关系式：
[0055][0056]
其中：n为泵组中液压泵个数，t为泵组的初始流量周期相位差；
[0057]
s32、调节泵组中液压泵实时流量q，使泵组中各个泵之间的流量周期相位差θ与泵组的初始流量周期相位差t一致，抑制液压泵的压力波动。实际应该中，通过控制电机转速改变液压泵实时流量从而对泵组各液压泵之间的的实时流量周期相位差进行调整，使泵组产生的压力波动相互抵消。
[0058]
s4、采集高压管路上的压力传感器的压力信号，通过设置的压力传感器检测液压
泵的压力信号。
[0059]
s5、构建与压力信号频率一致且相位相反的正弦信号，根据压力波动控制溢流阀开度，抑制液压泵后的压力波动；具体步骤为：
[0060]
s51、根据压力传感器采集的压力信号，进行快速傅里叶变换，得到压力脉动幅值a0和频率f0，建立压力信号频率一致且相位相反的正弦信号：
[0061]
x(n)＝ω0a
0 cos(2πf0n)+ω1a
0 sin(2πf0n)
[0062]
其中，n为压力信号，ω0、ω1为信号发生器参数，用于控制输出信号的相位差，x(n)为正弦信号；
[0063]
s52、将正弦信号转化为激励信号控制溢流阀的开度即溢流阀的开口大小，抑制液压泵后的压力波动。正弦信号转化为激励信号可以利用转换电路或转换模型实现。
[0064]
液压泵的瞬时流量实际脉动频率的计算公式为：
[0065][0066]
其中，其中，n
p
为液压泵柱塞数，n
p
为液压泵转速。
[0067]
优选地，泵组包括两个或两个以上的液压泵。
[0068]
具体实施例
[0069]
本实施例提供了一种液压泵的流体压力脉动抑制方法，其具体方法流程如图2所示，通过下述方式实现：
[0070]
步骤1：获取液压系统压力、流量需求，根据系统实际需求，包括空间、重量、转速范围、柱塞数等要求，确定合适台数电机泵组成液压泵泵组，在泵组出油口处设置合适的蓄能器、压力传感器及溢流阀。
[0071]
步骤2：液压泵的实际输出流量脉动主要受到配流盘闭死角、减振三角槽和泄漏流量三个因素的影响，液压泵实际流量可以表示为：
[0072][0073]
其中，qs为实际稳态流量值，d为柱塞直径，r为柱塞分布圆半径，ω为转子旋转角速度，γ为斜盘倾角，为转角，m为高压腔柱塞数，z为柱塞总数，cd为流量系数，ad为减振槽的节流孔面积，ρ为油液密度，p
l
为液压泵排油口压力，l0为柱塞处于上死点时柱塞在虹体内的最小含接长度，i为第i个柱塞，p0为液压泵进油口压力，φ1为柱塞初始角度，k为泄漏系数，取0.6～1，δ1为缸体与柱塞之间的配合间隙，μ为液压油的动力粘度，l为柱塞在缸体孔
的内含长度，δ2为滑靴与斜盘之间的油膜厚度，r1、r2分别为滑靴封油带内、外半径，p
t
为柱塞腔压力，αf为缸体腰型孔角，δ3为缸体和配流盘之间的油膜厚度，r3、r4分别为配流盘内侧封油带的内半径和外半径，r5、r6分别为配流盘外侧封油带的内半径和外半径。
[0074]
液压泵的流量脉动可分为常量部分和变量部分，用基波频率相同的余弦曲线替代液压泵的实际流量脉动曲线：
[0075][0076]
其中，qs为实际稳态流量值，δq为流量脉动幅值，为流量脉动频率，θ为流量初始脉动相位，t为时间，q为液压泵实时流量。
[0077]
为了方便分析，通过余弦曲线对实际流量脉动进行替代拟合。液压泵的流量脉动引起的系统压力脉动在不同相位差下会出现不同的压力抑制效果，通过改变液压泵的1/n个流量周期初始相位差实现一致压力波动，相位差示意图参加图4。
[0078]
步骤3：改变液压泵主轴的初始相位，保证泵组之间流量脉动按照预期相位差运行。
[0079]
步骤4：根据压力传感器采集的压力信号，进行快速傅里叶变换，得到压力脉动幅值a0和频率f0，建立压力信号频率一致相位相反的正弦信号：
[0080]
x(n)＝ω0a
0 cos(2πf0n)+ω1a
0 sin(2πf0n)
[0081]
其中，n为压力信号，ω0、ω1为信号发生器参数，用于控制输出信号的相位差，x(n)为正弦信号。
[0082]
之后将正弦信号转化为激励信号控制溢流阀的开度，从而进一步抑制压力波动。一般检测到的压力信号大，则增加溢流阀的开口大小，检测到的压力信号小，则减少溢流阀的开口大小。
[0083]
为了更进一步说明本发明实例提供的一种液压油源压力波动抑制方法，下面结合附图3及具体实例对本发明作进一步的详细说明如下：
[0084]
如图3所示，提供了一种基于本发明所示方法的液压油源系统，采用闭式系统设计，结构紧凑，传动平稳性好。该液压油源系统包括控制器20、电机驱动器21、液压泵1、液压泵3、液压泵5、高速电机2、高速电机4、高速电机6、过滤器7、高压蓄能器8、低压蓄能器19、泄压阀、安全活门17、单向活门18、快换接头9、高压压力传感器10、溢流阀12、测压接头11、测压接头13、低压压力传感器14、散热器15、快换接头16以及油管。
[0085]
工作时，油液由低压蓄能器供至泵组入口，由电机泵组供至p口，经过滤器滤去污染物；依靠小容积高压蓄能器弥补系统的流量峰值或降低流量脉动，稳定液压系统中、低频压力脉动；油液经快换接头进入负载，高压压力传感器检测液压油源出口压力，作为控制信号或检测信号输出，控制液压油源压力或发出压力过高过低的警告；溢流阀在液压油源的负载正常状态下溢流阀不会打开，而压力超过设定值时，油液经过溢流阀进入低压油箱；负载低压油经a5口到液压油源回油路，设置低压压力传感器，检测回油压力；设置安全活门用于液压油源的放油；设置单向活门用于液压油源注油。在其余的实施例中，泵组的搭配不局限于三泵，根据具体体积、空间等实际要求，亦可使用双泵、四泵等多泵泵组。
[0086]
结合上述液压油源阐述本发明的具体过程如下：
[0087]
根据系统负载工况运行情况，推算负载系统对液压系统的压力、流量需求，从而确定合适的电机泵组，根据液压泵样本，获取液压泵的配流盘闭死角、减振三角槽和泄漏流量
参数，根据液压泵数量与流量需求确定转速要求，计算流量脉动幅值，利用流量脉动参数设置控制器，使泵组的实时流量周期相位差与初始流量周期相位差一致，从而抑制液压泵的压力波动，之后进一步根据高压压力传感器10采集的压力信号将正弦信号转化为激励信号控制溢流阀的开度即溢流阀的开口大小，抑制液压泵后的压力波动，动态抑制油路压力脉动。
[0088]
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：

1.一种液压泵的流体压力脉动抑制方法，其特征在于，其包括如下步骤：s1、根据系统流量要求设置包括多个液压泵的泵组，在每一个液压泵后的高压管路上安装蓄能器、溢流阀及压力传感器；s2、根据液压泵脉动参数确定液压泵流量脉动幅值与频率，并计算优化后液压泵实时流量，液压泵脉动参数包括配流盘闭死角、减振三角槽、泄漏流量、转速以及压力参数；其包括以下子步骤：s21、计算液压泵实际流量，液压泵实际流量通过以下公式计算：其中，q
s
为实际稳态流量值，d为柱塞直径，r为柱塞分布圆半径，ω为转子旋转角速度，γ为斜盘倾角，为转角，m为高压腔柱塞数，z为柱塞总数，c
d
为流量系数，a
d
为减振槽的节流孔面积，ρ为油液密度，p
l
为液压泵排油口压力，l0为柱塞处于上死点时柱塞在虹体内的最小含接长度，i为第i个柱塞，p0为液压泵进油口压力，φ1为柱塞初始角度，k为泄漏系数，取0.6～1，δ1为缸体与柱塞之间的配合间隙，μ为液压油的动力粘度，l为柱塞在缸体孔的内含长度，δ2为滑靴与斜盘之间的油膜厚度，r1、r2分别为滑靴封油带内、外半径，p
t
为柱塞腔压力，α
f
为缸体腰型孔角，δ3为缸体和配流盘之间的油膜厚度，r3、r4分别为配流盘内侧封油带的内半径和外半径，r5、r6分别为配流盘外侧封油带的内半径和外半径；s22、利用基波频率相同的余弦曲线替代液压泵的实际流量脉动曲线，得到优化后液压泵实时流量计算公式：其中，q
s
为实际稳态流量值，δq为流量脉动幅值，为流量脉动频率，θ为泵组的流量周期相位差，t为时间，q为液压泵实时流量；s3、实时调节泵组的流量周期相位差，使泵组的实时流量周期相位差与初始流量周期相位差一致，从而抑制液压泵的压力波动，具体包括以下子步骤：s31、在液压泵压力脉动频率和幅值相同的基础上，设置各泵组的初始流量周期相位差，其中，泵组的初始流量周期相位差满足如下关系式：其中：n为泵组中液压泵个数，t为泵组的初始流量周期相位差；s32、调节泵组中液压泵实时流量q，使泵组的流量周期相位差θ与泵组的初始流量周期相位差t一致，抑制液压泵的压力波动；
s4、采集压力传感器的压力信号；s5、构建与压力信号频率一致且相位相反的正弦信号，根据压力波动控制溢流阀开度，抑制液压泵后的压力波动，具体步骤为：s51、根据压力传感器采集的压力信号，进行快速傅里叶变换，得到液压泵的压力脉动幅值a0和脉动频率f0，建立压力信号频率一致且相位相反的正弦信号：x(n)＝ω0a0cos(2πf0n)+ω1a0sin(2πf0n)其中n为压力信号，ω0、ω1为信号发生器参数，用于控制输出信号的相位差，x(n)为正弦信号；s52、将正弦信号转化为激励信号控制溢流阀的开度，抑制液压泵后的压力波动。2.根据权利要求1所述的液压泵的流体压力脉动抑制方法，其特征在于：利用泵组代替单液压泵满足液压系统流量需求并生成能够与液压系统中的压力脉动波相互叠加抵消的脉动波。3.根据权利要求1所述的液压泵的流体压力脉动抑制方法，其特征在于：液压泵的瞬时流量实际脉动频率f的计算公式为：其中，其中，n
p
为液压泵柱塞数，n
p
为液压泵转速。4.根据权利要求1所述的液压泵的流体压力脉动抑制方法，其特征在于：通过控制电机转速改变液压泵实时流量从而对泵组各液压泵之间的的实时流量周期相位差进行调整，使泵组产生的压力波动相互抵消。5.根据权利要求1所述的液压泵的流体压力脉动抑制方法，其特征在于：泵组包括两个或两个以上的液压泵。

技术总结

本发明提出了一种液压泵的流体压力脉动抑制方法，其包括如下步骤：S1、根据系统流量要求设置包括多个液压泵的泵组；S2、根据液压泵脉动参数确定液压泵流量脉动幅值与频率，并计算优化后液压泵实时流量；S3、实时调节泵组的流量周期相位差，使泵组的实时流量周期相位差与初始流量周期相位差一致；S4、采集压力传感器的压力信号；S5、构建与压力信号频率一致且相位相反的正弦信号，根据压力波动控制溢流阀开度，抑制泵后压力波动。本发明在蓄能器被动滤波的基础上增加多液压泵主动滤波，实现全频段滤波，并利用压力信号进一步提高溢流阀压力波动抑制效果，将泵源进行液压泵组配置，易于操作，系统简单且便于控制。系统简单且便于控制。系统简单且便于控制。