专利摘要
一种串联式液压压力脉动衰减器及衰减方法，包括活塞杆、活塞以及衰减器壳体；活塞杆固定在衰减器壳体上，并且活塞杆一端位于衰减器壳体内，另一端穿出衰减器壳体；活塞杆沿轴线方向开有通孔，通孔与后续油路相通；活塞位于衰减器壳体内，活塞与衰减器壳体之间设置有压电陶瓷，并且压电陶瓷与活塞相接触，根据压力脉动的大小，通过改变施加在压电陶瓷两端的电压，改变压电陶瓷的刚度，从而改变活塞位移，实现衰减器壳体容积的高频率变化，实现液压压力脉动衰减。本发明提供的新型串联式液压压力脉动衰减器相较于传统液压压力脉动衰减器造成的油路能量损失小，增大了起抑制效果的压力脉动带宽，可实现高压油路中的压力脉动抑制。
权利要求
1.一种基于串联式液压压力脉动衰减器的衰减方法，其特征在于：串联式液压压力脉动衰减器的结构如下：包括活塞杆（10）、能够在活塞杆（10）上滑动的活塞（6）以及串联于油路中带有出口和进口的衰减器壳体（1），衰减器壳体（1）一端与泵出口油路相连，另一端与后续油路相连；活塞杆（10）固定在衰减器壳体（1）上，并且活塞杆（10）一端位于衰减器壳体（1）内，另一端穿出衰减器壳体（1）；活塞杆（10）沿轴线方向开有通孔，通孔与后续油路相通；活塞（6）位于衰减器壳体（1）内，活塞（6）与衰减器壳体（1）之间设置有压电陶瓷（7），并且压电陶瓷（7）与活塞（6）相接触，根据压力脉动的大小，通过改变施加在压电陶瓷（7）两端的电压，改变压电陶瓷（7）的刚度，从而改变活塞（6）位移，实现衰减器壳体（1）进口端容腔容积的高频率变化，实现液压压力脉动衰减；
所述衰减器壳体（1）进口及出口处均布置一个压力变送器；
所述衰减器壳体（1）通过锥螺纹或带有密封结构的螺纹与泵出口油路相连；所述活塞杆（10）通过锥螺纹或带有密封结构的螺纹与后续油路的管接头相连；
所述活塞（6）与活塞杆（10）为间隙配合；
所述活塞杆（10）位于衰减器壳体（1）内的一端设有用于对衰减器活塞（6）的限位的轴端挡板（3）；
所述轴端挡板（3）通孔进口处设计有用于减小液阻的倒角；
所述活塞杆（10）通过设置在活塞杆（10）上的侧板固定在衰减器壳体（1）内壁上，压电陶瓷（7）设置在侧板与活塞（6）之间，压电陶瓷（7）与活塞杆（10）之间留有空腔，压电陶瓷（7）关于活塞杆（10）对称设置；活塞杆（10）的径向开设有通孔，该通孔与轴线方向的通孔相连通；
所述衰减器壳体（1）通过法兰盘装配于油路中；所述压电陶瓷（7）为堆叠式压电陶瓷；
衰减方法具体过程如下：
分别在衰减器壳体进口处及衰减器出口处设置压力变送器，检测衰减器壳体进口处的压力脉动
2.一种根据权利要求1所述的串联式液压压力脉动衰减器的衰减方法，其特征在于：通过旋转矢量优化控制算法得到最优控制电压的具体过程如下：
采集到的衰减器壳体进口处压力为
衰减器出口处压力为
设定旋转矢量
旋转矢量优化控制算法的目标函数为：
说明书
技术领域
本发明属于液压系统压力脉动控制领域，具体涉及一种串联式液压压力脉动衰减器及衰减方法。
背景技术
轴向柱塞泵输出压力高、可靠性好与其他形式的泵相比较为节能，因而被广泛的应用于诸如航空飞行器、重型特种装备等领域。提高系统集成度，减小设备体积已成为设备制造领域的共识。针对液压系统来讲，若系统工作压力从21Mpa提升至56Mpa，系统的体积将缩小40％，重量降低30％。但压力的提高将造成系统的压力脉动出现明显加大的情况。过大的压力脉动会引起系统振动及噪声的增加以及气蚀等现象的出现，加速系统元件的磨损。当压力脉动频率与管路中某些元件固有频率相近时，产生的共振现象更会加速元件损坏，造成系统失效。因此，必须对高压液压系统的压力脉动进行抑制。
目前液压系统压力脉动的抑制主要分为主动压力脉动抑制和被动压力脉动抑制两种方式。被动压力脉动抑制对脉动的衰减频带较窄，另外采用被动的蓄能器或缓冲瓶，引入了额外的容性负载，影响系统的动态响应过程。而主动控制则可较好的避免上述问题，目前主动压力脉动衰减器的设计思路大致相同，均是在主液压油路的旁路设置响应的控制阀或主动蓄能器，利用阀体短时的开启与闭合在主油路上产生反相位的压力脉动，利用波形叠加原理消除回路压力脉动。所用控制阀或主动蓄能器一般都包含压电控制部件，响应速度快，大大提升了系统的响应带宽。但这种通过溢流产生波动进行压力脉动衰减的方式在高压系统中会消耗大量能量。如何设计主动压力脉动衰减器的结构，使其在对系统压力脉动进行衰减的同时既不影响系统的动态响应特性，又不会造成较大的能量浪费，在液压系统压力脉动衰减问题中是一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对以上技术问题，提出了一种串联式液压压力脉动衰减器及衰减方法，借鉴蓄能器的工作原理，引入压电技术，设计可主动调节容积的串联式衰减器，消除液压回路中存在的压力脉动现象，提升系统性能。
为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案予以实现：
一种串联式液压压力脉动衰减器，包括活塞杆、能够在活塞杆上滑动的活塞以及串联于油路中带有出口和进口的衰减器壳体，衰减器壳体一端与泵出口油路相连，另一端与后续油路相连；活塞杆固定在衰减器壳体上，并且活塞杆一端位于衰减器壳体内，另一端穿出衰减器壳体；活塞杆沿轴线方向开有通孔，通孔与后续油路相通；活塞位于衰减器壳体内，活塞与衰减器壳体之间设置有压电陶瓷，并且压电陶瓷与活塞相接触，根据压力脉动的大小，通过改变施加在压电陶瓷两端的电压，改变压电陶瓷的刚度，从而改变活塞位移，实现衰减器壳体进口端容腔容积的高频率变化，实现液压压力脉动衰减。
本发明进一步的改进在于，所述衰减器壳体进口及出口处均布置一个压力变送器。
本发明进一步的改进在于，所述衰减器壳体通过锥螺纹或带有密封结构的螺纹与泵出口油路相连；所述活塞杆通过锥螺纹或带有密封结构的螺纹与后续油路的管接头相连。
本发明进一步的改进在于，所述活塞与活塞杆为间隙配合。
本发明进一步的改进在于，所述活塞杆位于衰减器壳体内的一端设有用于对衰减器活塞的限位的轴端挡板。
本发明进一步的改进在于，所述轴端挡板通孔进口处设计有用于减小液阻的倒角。
本发明进一步的改进在于，所述活塞杆通过设置在活塞杆上的侧板固定在衰减器壳体内壁上，压电陶瓷设置在侧板与活塞之间，压电陶瓷与活塞杆之间留有空腔，压电陶瓷对称布置活塞杆；活塞杆的径向开设有通孔，该通孔与轴线方向的通孔相连通。
本发明进一步的改进在于，所述衰减器壳体通过法兰盘装配于油路中；所述压电陶瓷为堆叠式压电陶瓷。
一种串联式液压压力脉动衰减方法，分别在衰减器壳体进口处及衰减器出口处设置压力变送器，检测衰减器壳体进口处的压力脉动p1和出口处的压力脉动p2，并将其转换为微弱电信号，信号处理电路对产生的微弱电信号进行滤波、整流、放大、转换，送入A/D转换器，A/D转换器将处理后的模拟信号转换为单片机可接收的数字量信号，单片机对接收到的数字量信号进行快速傅里叶变换，得到主频ω1、二次谐波频率ω2＝2ω1以及三次谐波频率ω3＝3ω1；再通过旋转矢量优化控制算法得到最优控制电压，功率放大电路根据旋转矢量优化控制算法计算的最优控制电压值产生实际控制电压作用于压电陶瓷上，改变其刚度，实现对活塞位移的主动调节，改变衰减器壳体进口端容积，实现压力脉动的衰减。
本发明进一步的改进在于，通过旋转矢量优化控制算法得到最优控制电压的具体过程如下：
采集到的衰减器壳体进口处压力为p1(k)，k＝1,2,…N,N为采样点数，p1(k)算术平均值为 均方差为
衰减器出口处压力为p2(k)，k＝1,2,…N,N为采样点数，p2(k)算术平均值为 均方差为
设定旋转矢量 其中元素A1、 分别为电压分量 中正弦部分的幅值及相位，A2、 分别为电压分量 中正弦部分的幅值及相位，A3、 分别为电压分量 中正弦部分的幅值及相位；
旋转矢量优化控制算法的目标函数为： 优化时，首先随机产生两个目标函数值不等的矢量v1、v2，作二者矢量差，以差矢量两端点中目标值较小的点为圆心，旋转目标值较大的点形成新的差矢量；计算新端点的目标值并与圆心的目标值比较，直至其目标值小于圆心的目标值后绕新端点重新旋转；若新端点旋转一周后的目标值仍大于圆心的目标值，则以圆心为固定点，将差矢量缩小0.618，重新比较差矢量两个端点的目标值，重复该过程直至新端点的目标值大于圆心的目标值；重复旋转和缩小操作，直至达到终止标准；最后得到最优控制电压如下：
相对于现有技术，本发明具有如下的有益效果：
本发明所提供的新型串联式液压压力脉动衰减器，采用主动压力脉动衰减策略，相较于传统被动式压力脉动抑制设备，调节的频带范围更宽，响应速度更快；采用串联式的安装方式，相比通过旁路节流控制产生反相位压力脉动进行压力脉动的方式，减少了系统的能量损失，同时也避免因反相位压力脉动波形的偏差导致压力脉动加剧的问题。本发明所设计的压力脉动衰减器，与蓄能器工作原理类似，当油路出现压力脉动时，衰减器活塞在壳体内的移动会改变衰减器的容积，消除油路的流量波动及由此导致的压力脉动。本发明提供的新型串联式液压压力脉动衰减器相较于传统液压压力脉动衰减器造成的油路能量损失小，增大了起抑制效果的压力脉动带宽，可实现高压油路中的压力脉动抑制。
进一步，通过在衰减器壳体及衰减器活塞之间设置叠堆式压电陶瓷，实现对高频压力脉动的抑制。
进一步，通过在衰减器内的活塞杆部分，沿径向开设通孔，用于形成液阻，同时减小衰减器两端的压力差，降低对叠堆式压电陶瓷的刚度要求。
进一步的，衰减器壳体通过锥螺纹或带有密封结构的螺纹与泵出口油路相连，能够避免油液泄露。
进一步的，活塞杆的径向开设有通孔，用于形成液阻，同时减小衰减器两端的压力差，降低对叠堆式压电陶瓷的刚度要求；该通孔与轴线方向的通孔相连通，压电陶瓷与活塞杆之间留有空腔，将进油路高压油通过通孔引入衰减器活塞另一侧，减小衰减器活塞两侧压力差，降低对叠堆式压电陶瓷刚度大小的要求，另外该径向通孔会形成节流口，利用液体阻抗能消除一定压力脉动。
进一步的，活塞杆沿轴线方向按管路内径标准规格开有通孔，通孔与后续油路相通，该通孔能够减小内径变化造成的液阻。
进一步的，衰减器内的轴端挡板通孔进口处设计有倒角，能够减小液阻。
进一步的，本发明的衰减器壳体的中部通过法兰盘连接，方便生产和实际安装。
本发明通过检测衰减器壳体进口处的压力脉动p1和出口处的压力脉动p2，并将其转换为微弱电信号，信号处理电路对产生的微弱电信号进行滤波、整流、放大、转换，送入A/D转换器，A/D转换器将处理后的模拟信号转换为单片机可接收的数字量信号，单片机对接收到的数字量信号进行快速傅里叶变换，得到主频ω1、二次谐波频率ω2＝2ω1以及三次谐波频率ω3＝3ω1；在所得到的三个频率基础上，通过旋转矢量优化控制算法得到最优控制电压，功率放大电路根据旋转矢量优化控制算法计算的最优控制电压值产生实际控制电压作用于压电陶瓷上，改变其刚度，实现对活塞位移的主动调节，改变衰减器壳体进口端容积，实现压力脉动的衰减，该方法既不影响系统的动态响应特性，又不会造成较大的能量浪费，消除液压回路中存在的压力脉动现象，提升系统性能，并且易于实现。
附图说明
图1是本发明串联式液压压力脉动衰减器的工作原理图；
图2是本发明控制系统原理图。
图3是本发明控制策略原理图。
图中：1为衰减器壳体，2为固定螺钉，3为轴端挡板，4为连接螺栓，5为第一密封圈，6为活塞，7为压电陶瓷，8为密封垫，9为第二密封圈，10为活塞杆，11为压力变送器，12为控制电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明新型串联式液压压力脉动衰减器，其结构如图1所示，包括衰减器壳体1、固定螺钉2、轴端挡板3、连接螺栓4、第一密封圈5、衰减器活塞6、叠堆式压电陶瓷7、密封垫8、第二密封圈9、活塞杆10以及控制部分，控制部分包括压力变送器11、信号处理电路、A/D转换器、单片机、D/A转换器以及功率放大电路。所述新型串联式液压压力脉动衰减器主体由衰减器壳体1、轴端挡板3、衰减器活塞6、叠堆式压电陶瓷7、活塞杆10组成。
本发明中衰减器壳体1带有出口和进口，并且进口及出口处均布置一个压力变送器11，压力变送器11检测压力脉动，为分析压力脉动的频率分布提供依据；衰减器壳体1串联于油路中，并且衰减器壳体1通过锥螺纹或带有密封结构的螺纹与泵出口油路相连；所述活塞杆10通过锥螺纹或带有密封结构的螺纹与后续油路的管接头相连。
活塞杆10一端位于衰减器壳体1内，另一端穿出衰减器壳体1，活塞杆10与衰减器壳体1接触的部位外侧套装有第二密封圈9；活塞杆10沿轴线方向按管路内径标准规格开有通孔，通孔与后续油路相通，该通孔用于减小内径变化造成的液阻；活塞6位于衰减器壳体1内，活塞6与活塞杆10为间隙配合，能够在活塞杆10上滑动，活塞6与衰减器壳体1之间设置有压电陶瓷7，并且压电陶瓷7与活塞6相接触，压电陶瓷7关于活塞杆10对称设置，并且布置在远离进油口的一端；根据压力脉动的大小，通过改变施加在压电陶瓷7上的电压，改变压电陶瓷7的刚度，从而改变活塞6位移，实现衰减器壳体1进口端容腔容积的高频率变化，实现液压压力脉动衰减。
活塞杆10固定在衰减器壳体1上，具体的，活塞杆10通过设置在活塞杆10上的侧板固定在衰减器壳体1内壁上，并且侧板和衰减器壳体1内壁之间设置有密封垫8；压电陶瓷7设置在侧板与活塞6之间，压电陶瓷7与活塞杆10之间留有空腔；活塞杆10的径向开设有通孔，该通孔与轴线方向的通孔相连通。
所述活塞杆10位于衰减器壳体1内的一端设有用于对衰减器活塞6限位的轴端挡板3。所述轴端挡板3通孔进口处设计有用于减小液阻的倒角。
所述衰减器壳体1通过法兰盘装配于油路中，法兰盘通过连接螺栓4固定，并且在连接处设置有第一密封圈5。
本发明中压电陶瓷7为堆叠式压电陶瓷。
具体的，本发明的串联式液压压力脉动衰减器还包括一个核心控制电路12，该控制电路12集成有单片机和信号处理电路。衰减器的进口及出口处均布置一个压力变送器，检测衰减器进口及出口处的压力脉动，送入单片机作快速傅里叶变换，为叠堆式压电陶瓷的控制电压计算提供数据。信号处理电路对压力变送器采集的压力信号进行滤波、放大、信号转换及整流等操作。单片机对采集的压力信号进行快速傅里叶变换。另外单片机内集成旋转矢量优化控制算法，将衰减器进出口两端的压力脉动均方差引入优化目标函数，控制电压由三部分组成，用于对压力脉动的主频、二次谐波、三次谐波进行抑制。旋转矢量由三部分控制电压正弦部分的幅值、相位构成，控制电压正弦部分的频率与压力脉动的主频、二次谐波、三次谐波相同。通过对旋转矢量重复旋转、收缩操作，求解可以最小化衰减器进出口两端压力脉动均方差的实际控制电压，施加于压堆叠式电陶瓷两端。
一种串联式液压压力脉动衰减方法，所述串联式液压压力脉动衰减器在工作时，分别在衰减器壳体进口处及衰减器壳体出口处设置压力变送器，检测进口处的压力脉动p1和出口处的压力脉动p2，并将其转换为微弱电信号，信号处理电路对产生的微弱电信号进行滤波、整流、放大、转换，送入A/D转换器，A/D转换器将处理后的模拟信号转换为单片机可接收的数字量信号，单片机对接收到的数字量信号进行快速傅里叶变换，得到主频ω1、二次谐波频率ω2＝2ω1以及三次谐波频率ω3＝3ω1。
单片机内编写程序，能够实现旋转矢量优化控制算法，通过计算得到最优控制值；
采集到的衰减器壳体进口处压力为p1(k)，k＝1,2,…N,N为采样点数，p1(k)算术平均值为 均方差为
衰减器出口处压力为p2(k)，k＝1,2,…N,N为采样点数，p2(k)算术平均值为 均方差为
设定旋转矢量 其中元素A1、 分别为电压分量 中正弦部分的幅值及相位，A2、 分别为电压分量 中正弦部分的幅值及相位，A3、 分别为电压分量 中正弦部分的幅值及相位。
旋转矢量优化控制算法的目标函数为： 优化时，首先随机产生两个目标函数值不等的矢量v1、v2，作二者矢量差，以差矢量两端点中目标值较小的点为圆心，旋转目标值较大的点形成新的差矢量；计算新端点的目标值并与圆心的目标值比较，直至其目标值小于圆心的目标值后绕新端点重新旋转；若新端点旋转一周后的目标值仍大于圆心的目标值，则以圆心为固定点，将差矢量缩小0.618，重新比较差矢量两个端点的目标值，重复该过程直至新端点的目标值大于圆心的目标值；重复旋转和收缩操作，直至达到终止标准。实际中，终止标准根据需要设定为L小于给定值。
最后得到最优控制电压如下：
功率放大电路根据旋转矢量优化控制算法计算的最优控制电压值产生实际控制电压作用于叠堆式压电陶瓷7上，改变其刚度，实现对活塞6位移的主动调节，改变衰减器进口端容积，实现压力脉动的衰减。另外，轴端挡板3实现对衰减器活塞6的限位操作。
本发明的串联式液压压力脉动衰减器采用以下主要部件：
(1)衰减器壳体：自行设计图纸加工。
(2)轴端挡板：自行设计图纸加工。
(3)密封圈：根据密封圈标准尺寸规格求取。
(4)衰减器活塞：自行设计图纸加工。
(5)活塞杆：自行设计图纸加工。
(6)叠堆式压电陶瓷：材料及尺寸自行设计。
(7)压力变送器：Kavlico PT250系列，美国CST公司。
(6)功率放大器：采用IRF540和MUR820等器件，ST公司。
(7)A/D转换器：ADC0808，美国National Semiconductor公司。
(8)单片机：ARM9，Silicon Lab公司。
(9)D/A转换器：ADC0809，美国National Semiconductor公司。
本发明中的衰减器主体由壳体、活塞及介于二者之间的叠堆式压电陶瓷组成。通过分布于衰减器进出口两端的压力变送器检测压力脉动，经过信号处理及A/D转换送入单片机作快速傅里叶变换，获得压力脉动主频及二次谐波、三次谐波。以衰减器进出口两端压力脉动的均方差作为优化目标，利用旋转矢量优化控制算法计算控制电压，通过功率放大电路施加于叠堆式压电陶瓷两端，引起衰减器进口处容积的变化，吸收油路中压力脉动。本发明提供的新型串联式液压压力脉动衰减器相较于传统液压压力脉动衰减器造成的油路能量损失小，增大了起抑制效果的压力脉动带宽，可实现高压油路中的压力脉动抑制。
以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
一种串联式液压压力脉动衰减器及衰减方法专利购买费用说明
Q：办理专利转让的流程及所需资料
A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。
1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。
2：按规定缴纳著录项目变更手续费。
3：同时提交相关证明文件原件。
4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。
Q:专利著录项目变更费用如何缴交
A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式
Q：专利转让变更，多久能出结果
A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。
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