（一） 項目簡介
針對液壓系統(tǒng)泵源輸出壓力脈動的沖擊性、周期性及多變性特點，圍繞非線性振動構件的原理設計、“液體-構件”耦合振動建模及求解、自適應共振系統(tǒng)的優(yōu)化設計等關鍵問題，研究“液-固”之間的非線性能量轉移原理及液壓脈動抑制的技術，為高壓液壓系統(tǒng)流體振動廣譜、自適應控制提供全新的技術手段。
（二） 研究目的
液壓技術是國家的基礎技術，廣泛應用于國民經(jīng)濟的各個領域；是衡量國家工業(yè)化水平的一個重要標志，直接影響到裝備制造業(yè)的強弱。隨著液壓系統(tǒng)向高壓大功率方向發(fā)展，液壓振動和噪聲已經(jīng)成為一個迫切需要解決的問題，其不僅影響系統(tǒng)性能，甚至會導致系統(tǒng)失效、設備毀壞。
液壓系統(tǒng)的振動與沖擊來源于液壓系統(tǒng)本身固有特性及工作部件和液壓控制元件的瞬態(tài)擾動。其中，液壓系統(tǒng)壓力脈動引發(fā)的振動和噪聲沿管路傳播，直接導致管道的應力脈動和機械振動。研究表明：流體壓力脈動幅值超過系統(tǒng)工作壓力的2.5%以上時，則可能使管接頭松動或管夾墊子磨損，影響系統(tǒng)工作可靠性，縮短元件使用壽命，嚴重時可引起設備的災難性破壞。
液壓系統(tǒng)流體脈動抑制是亟需解決的技術難題，使用合適的方法衰減壓力脈動對著液壓系統(tǒng)的減振降噪有十分重要的意義。目前，工程上廣泛使用的流體濾波器都是基于聲學消聲原理的抗性濾波模式。受抗性濾波機制影響，這種濾波器具有很強的頻率選擇性，且濾波頻帶窄， 結構體積龐大，因而使用安裝受到空間限制，無法滿足實際使用需求。
我們設想，根據(jù)液壓系統(tǒng)壓力脈動的“時間-頻率-能量譜”物理特性，仿照機械系統(tǒng)動力吸振器工作原理，設計一種特殊結構的兩自由度非線性諧振系統(tǒng)，優(yōu)化其立方剛度、阻尼及質量系統(tǒng)匹配，在液壓流場中自適應實現(xiàn)廣譜頻率范圍內脈動及沖擊能量的耗散，達到完美的液壓振動廣譜濾波消聲效果。
基于這一設想，本項目將從產(chǎn)品結構設計和實驗驗證兩個方面入手，對全新原理的兩自由度非線性諧振式液壓濾波器用于高壓液壓系統(tǒng)壓力脈動抑制進行探索性研究，為液壓系統(tǒng)振動控制提供實用技術手段。
（三） 研究內容
1、基于“液體-非線性振子”耦合諧振的液壓脈動抑制原理研究
通過對液壓柱塞泵結構及運行參數(shù)、流體脈動頻率、流體脈動能量三者之間的相互作用機理研究，建立泵出口液壓脈動的“時間-頻率-能量譜”數(shù)學計算模型、測試驗證并確定參數(shù)識別方法。
在此基礎上，探索諧振構件在流場中的非線性動力學響應，研究諧振構件與流體間的能量交換過程，建立構件與流體脈動耦合諧振的理論模型，并利用小擾動分析方法對構件在液壓脈動流中的振動響應進行研究，探討幾何參數(shù)（如結構尺寸、諧振質量、立方剛度、流體阻尼等）及運行參數(shù)（如壓力、流量等）對構件耦合諧振頻率響應及能量耗散的影響。
同時，考慮液壓系統(tǒng)高壓、大流量的運行工況，結合振動頻率響應及脈動能量耗散要求，保證結構的靈巧性，制造硅樹脂纖維薄膜基體附加集中質量的諧振構件，設計合適的阻尼結構，達到系統(tǒng)對脈動能量傳遞及耗散效果。
2、兩自由度非線性諧振式濾波器研制
兩自由度非線性諧振構件耗散流體脈動能量模型如圖1所示。其原理是在單自由度非線性諧振構件后附加一個二級非線性諧振構件，對系統(tǒng)脈動能量進行串聯(lián)衰減。相關研究表明：二級非線性諧振構件的立方剛度K及阻尼C越小，非線性諧振構件的振動抑制效率下降越慢，非線性諧振構件的振動抑制效率越高。
圖1 兩自由度非線性諧振構件耗散流體脈動能量模型
兩自由度非線性諧振式濾波器結構模型如圖2所示。一級非線性諧振構件結構包括柔性膜附加大剛性質量塊、阻尼孔、液體容腔及液體阻尼；二級非線性諧振構件結構包括柔性膜附加小剛性質量塊、氣體容腔及氣體阻尼。這樣，二級非線性諧振構件的立方剛度K及阻尼C均比一級非線性諧振構件小。
根據(jù)結構模型，我們需要確定的是各級非線性諧振構件系統(tǒng)中立方剛度K、阻尼C、質量m的合適大小及相互比例關系，最優(yōu)能量傳遞條件及有效工作帶寬等。
圖2 兩自由度非線性諧振式濾波器結構模型
3、兩自由度非線性諧振式濾波器試驗研究
測試試驗系統(tǒng)結構方案如圖3所示：
按照測試試驗系統(tǒng)結構方案，試驗研究的思路是：
1）依據(jù)理論分析得出的濾波器相關設計及性能數(shù)據(jù)，調整電機轉速，改變泵源輸出脈動頻率。
2）在穩(wěn)態(tài)工況下，針對兩自由度非線性諧振式濾波器進行測試，采集濾波器前后的相關數(shù)據(jù)，對壓力信號進行時域和頻域對比分析，并通過流量信號和速度信號的引證，得出壓力脈動衰減程度和衰減率，驗證濾波器的濾波性能，迭代改進樣機設計參數(shù)。
3）在動態(tài)工況下，同理測試兩自由度非線性諧振式濾波器對沖擊載荷的響應和衰減性能。
4）在全帶寬范圍內測試兩自由度非線性諧振式濾波器的濾波特性，驗證理論成果并評價濾波效果。
圖3測試試驗系統(tǒng)結構方案
總之，本項目強調理論研究、產(chǎn)品制作、實驗驗證及工程實踐相結合，注重學科交叉，充分利用其它行業(yè)和領域已取得的先進成果。
（四） 國、內外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)
液壓泵的內部結構特性決定了輸出的流量不是恒定而是變化的，泵的輸出流量遇到系統(tǒng)負載阻抗后形成系統(tǒng)壓力，從而決定了輸出流量和壓力的周期性和動態(tài)性[1]。直接在脈動源處消除流體的振動是降低液壓脈動最自然的方法。如優(yōu)化液壓泵的設計、合理布置管路及元件等。但由于系統(tǒng)負載特性的多樣性，高壓液壓油與液壓元件的耦合作用，使液壓能在液壓系統(tǒng)中的傳遞呈現(xiàn)出復雜多樣的動力學特征。因此，需要研究液壓系統(tǒng)的動力學行為，掌握液壓脈動產(chǎn)生和傳播的機理及特征，從液壓系統(tǒng)負載匹配的視角尋找降低壓力脈動的方法。
流體濾波器就是從負載系統(tǒng)出發(fā)來衰減壓力脈動的被動式濾波器，其原理來源于氣體消聲器，分為阻性濾波和抗性濾波兩大類。阻性濾波雖然濾波頻帶較寬，但低頻性能差，壓力損失大而無法應用。抗性濾波器是在管道上連接截面突變的管段或旁接共振腔，利用阻抗失配，使壓力波在阻抗突變的界面處產(chǎn)生反射達到濾波目的。如蓄能器、擴張室型消音器、旁支共鳴器、赫姆霍茲共鳴器以及多腔共鳴器等，其結構及理論研究已非常成熟[2]。
目前常用擴張室型及干涉型抗性濾波器結構形式相對固定，只對特定頻率點及狹窄頻段才有良好濾波效果，無法自動調節(jié)諧振頻率以適應工況變化，因而限制了其應用范圍。
鑒于常見被動式濾波器的應用不足，國內外學者提出了多種主動消振策略，通過檢測脈動源，自動引入與初級脈動源幅值相等、相位相反、隨初級脈動源變化的次級脈動源進行疊加，實現(xiàn)脈動的主動衰減 [3,4]。主動式脈動衰減器的工作本質是通過對系統(tǒng)施加反向能量來衰減脈動，一旦匹配失當反而會加大原系統(tǒng)的脈動，具有成本高、可靠性差等問題，目前大都還停留在實驗室階段。
結構耦合振動式氣體消聲原理為液壓系統(tǒng)脈動控制提供了借鑒[5]。濾波器利用構件與流體的耦合共振將流體脈動能量轉化為機械振動能量來控制和衰減，能在某一小頻段范圍內達到良好使用效果[6]。
如圖1所示，奧地利的MIKOTA[7]設計了一種由活塞和液壓彈簧構成的緊湊型液壓脈動衰減器，彈簧起著對中和支撐活塞的作用；活塞與配合孔之間的間隙能平衡腔體內外壓力，以適應各種壓力等級；通過調節(jié)腔體容積可以改變等效液壓彈簧剛度的大小，從而改變衰減器固有振動頻率。
密歇根大學的Sripriya Ranlamoorthy研究結果也表明，液壓系統(tǒng)中若能夠加入結構聲學消聲器，其吸聲頻帶和衰減效果良好[8]。此后，高鋒等設計了一種機械彈簧耦合振動式脈動衰減器，通過改變疊加彈簧個數(shù)調整剛度，并在28 MPa的高壓高速下取得明顯的試驗效果[9]。
圖1結構共振式液壓脈動衰減器
與常規(guī)C型、K型、T型、H型等抗性濾波器相比，結構共振式濾波器同樣存在結構復雜、體積大、工作頻率較窄等不足，沒有明顯使用優(yōu)勢。
為此，賀尚紅、何志勇等提出利用機械諧振式脈動補償器來消減流體壓力脈動。其思路是設計一種結構簡單、靈巧的多自由度的機械諧振機構，在較寬頻率范圍內，使任意頻率成份的流體脈動都可以對應一個與之諧振的吸振系統(tǒng)，將液壓脈動最大限度地轉換成機械振動，再通過內部阻尼消耗振動能量，則可獲得廣譜高效的液壓脈動抑制效果[10]。
隨后，賀尚紅、何志勇及其團隊分別對單薄板[11]、多薄板[12,13]、預張拉膜片[14,15]等機械諧振式流體濾波器進行了理論和試驗研究。試驗結果表明，該種類型的脈動衰減器在50～1000Hz的范圍內，插入損失可達10 dB以上，脈動抑制效果較好。結果同時顯示，與預張拉膜片式濾波器相比，薄板諧振式濾波器對流體脈動頻率響應靈敏度要差，濾波頻帶范圍稍窄，且系統(tǒng)壓力損失大，但脈動抑制效果明顯。
但相關文獻研究也表明，柔性材料式脈動衰減器的衰減特性隨系統(tǒng)壓力變化而變化，而薄板式脈動衰減器也面臨著工作頻帶窄的問題[16]。因此，結構緊湊性好、通用性高、頻帶寬、頻率適應性強是未來液壓脈動衰減器的發(fā)展趨勢。
在機械系統(tǒng)中，振動能量在不同的非線性模態(tài)間傳遞是廣泛存在的現(xiàn)象。非線性耦合關系使得振動能量可以在具有不同頻率的非線性模態(tài)之間傳遞，由于非線性系統(tǒng)中可以發(fā)生主共振、超諧振和次諧振，所以即使當兩個不同非線性模態(tài)間的模態(tài)頻率差別很大時，能量傳遞同樣可以產(chǎn)生[17]，該成果已研制成單自由度非線性動力吸振器（工作原理如圖2所示）應用于結構工程及航空航天領域的減振系統(tǒng)。
圖2 單自由度非線性動力吸振器能量傳遞示意圖
研究表明，非線性諧振構件中引發(fā)最優(yōu)靶能量傳遞的初始能量與立方剛度k大小成反比，即k越小，系統(tǒng)對頻率響應越靈敏，吸振越快[18]；合理設計NES系統(tǒng)中的阻尼比，能使非線性能量阱吸振效果更佳[19]。
非線性動力吸振器的工作原理為液壓系統(tǒng)脈動控制提供了借鑒。但是，與機械系統(tǒng)的減振消聲濾波器不同的是，液壓濾波器結構還必須適應液壓油的高壓、大流量、沖擊載荷、流體介質低壓縮性及腐蝕等工況要求。
我們設想，根據(jù)液壓系統(tǒng)壓力脈動的“時間-頻率-能量譜”物理特性，仿照NES的工作原理，設計一種特殊結構的兩自由度非線性諧振系統(tǒng)，優(yōu)化其立方剛度、阻尼及質量系統(tǒng)匹配，在液壓流場中自適應實現(xiàn)廣譜頻率范圍內脈動及沖擊能量的耗散，達到完美的液壓振動廣譜濾波消聲效果。
這正是申請者提出的立項基本出發(fā)點。
（五） 創(chuàng)新點與項目特色
1、提出在液壓系統(tǒng)中以兩自由度非線性諧振構件與流體脈動耦合共振方式消減液壓脈動的新機制，突破傳統(tǒng)抗性濾波器的濾波消聲局限。
2、設計寬頻“液體脈動能量-結構諧振”的高效頻率響應及振動能量傳遞耗散的流體濾波器，實現(xiàn)液壓脈動及沖擊的自適應濾波衰減效果。
（六） 技術路線、擬解決的問題及預期成果
一、項目的技術路線
液壓系統(tǒng)在各行各業(yè)的應用已相當廣泛，然而，由于容積式泵的結構因素導致的流體脈動為系統(tǒng)的安全工作帶來了隱患。而實現(xiàn)高壓液壓系統(tǒng)流體振動的自適應控制一直是行業(yè)設計人的夢想，國內外研究者為此付出大量的努力，但一直未能獲得有效突破。
因此，要實現(xiàn)項目既定的目標，需要從最新的理論研究，產(chǎn)品研發(fā)中尋找突破。本項目將學習國內外相關研究和產(chǎn)品資料的基礎上，充分了解當前主流技術和相關領域的應用狀況，吸取經(jīng)驗取長補短。發(fā)揮本項目組前期研究基礎優(yōu)勢，充分利用本領域的最新研究成果，完成項目的頂層設計。
本項目將通過理論分析，設計制造兩自由度非線性諧振式濾波器樣機，在現(xiàn)有的專用液壓脈動測試實驗臺（圖4）上進行濾波器特性試驗，以實際測試數(shù)據(jù)來檢測理論分析結果的正確性、有效性和穩(wěn)定性，實驗方案如下：
 圖4 液壓脈動測試實驗臺
1、圖4所示，用流量脈動比較顯著的7柱塞泵作為液壓脈動源，液壓泵由變頻調速電機驅動。通過改變電機轉速調整液壓泵的流量脈動頻率，以獲得盡量寬的脈動頻率范圍。
2、實驗系統(tǒng)采用終端節(jié)流加載、截止沖擊加載等方式模擬系統(tǒng)負載變化，測試液壓濾波器在不同瞬態(tài)負載及穩(wěn)態(tài)負載下的使用工況參數(shù)。
3、試驗主要測量的參數(shù)有：液壓泵轉速、濾波器前后瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)流量與壓力、直鋼管管壁應力等。測量數(shù)據(jù)進入數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，進行在線和離線分析。實驗系統(tǒng)中的流量傳感器和轉速傳感器主要用實驗過程的監(jiān)測和數(shù)據(jù)對比。
4、對于每一個工況點，通過濾波器前后的各兩組壓力測試數(shù)據(jù)，結合各自的動態(tài)阻抗，通過相關數(shù)學處理，可得到待測濾波器的四極子傳遞矩陣。通過設計新的動態(tài)阻抗，則可以對測試的傳遞矩陣模型進行驗證。
5、在獲得各位置點的壓力信號后，在頻域內可得到實驗系統(tǒng)任意兩位置壓力比的幅頻和相頻，與仿真結果比較，驗證理論模型的正確性和精確性。
6、對比測試濾波器前后動態(tài)壓力，獲得濾波器的傳遞損失和插入損失，評價濾波器濾波性能。
7、對比加裝濾波器前后的直鋼管振動模態(tài)分析結果，評價濾波器的工程應用效果。
8、對實驗結果進行比對分析并秉承迭代求精的開發(fā)策略，完成濾波器的結構優(yōu)化設計和產(chǎn)品研發(fā)，為流體系統(tǒng)設計、流體管路匹配、流體振動的抑制方法提供技術手段。
二、預期成果
1、設計制造出兩自由度非線性諧振式濾波器樣機1臺；
2、發(fā)表論文1-2篇；
3、申報專利1-2項。
（七） 項目研究進度安排
2019.4-2019.8，通過理論分析，設計制造出1臺兩自由度非線性諧振式濾波器樣機，申報專利1-2項；
2019.9-2019.11，通過初步實驗測試，驗證濾波器性能，完善濾波器結構設計，并進一步實驗測試，得到濾波器性能最佳結果；
2019.12-2020.3，撰寫論文投稿，并準備結題報告。
（八） 已有基礎
1. 與本項目有關的研究積累和已取得的成績
項目團隊成員均來自長沙理工大學汽車與機械工程學院本田節(jié)能車隊。車隊成員在2018賽季—第十二屆全國Honda節(jié)能競技大賽，取得了“EV組全國第九名的成績，燃油組全國第31名的好成績”，其中EV組首次獲得“優(yōu)秀車隊獎”。通過在車隊的學習，項目組成員具有熟練的三維級二維建模能力，對產(chǎn)品結構設計具有深厚的基礎。
目前，項目組大部分成員已加入學院CDIO實驗班，在導師的帶領下，對流體力學、液壓傳動等知識有了深刻的理解；對液壓系統(tǒng)流體脈動產(chǎn)生的機理和常用濾波器性能掌握比較清楚，并在老師指導下初步設計了第一代兩自由度非線性諧振式濾波器樣機。此外，項目組成員熟悉學院液壓脈動測試實驗臺及杭州憶恒數(shù)據(jù)采集與分析儀等實驗設備的工作原理和使用，這些為產(chǎn)品的實驗驗證提供了堅實基礎。
我們相信在指導老師的悉心指導和項目組成員的共同努力下，充分發(fā)揮小組成員的才智和專業(yè)特長，能夠順利地完成兩自由度非線性諧振式液壓濾波器實驗研究項目。
2. 已具備的條件，尚缺少的條件及解決方法
（1）液壓實驗平臺
學院自行設計定制了“液壓系統(tǒng)振動控制實驗系統(tǒng)”，該系統(tǒng)由實驗平臺、加載系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測試系統(tǒng)五大部分組成。通過調整電機轉速、系統(tǒng)加載來測試不同工況下液壓系統(tǒng)壓力脈動及管道振動信號，進行在線和離線分析。
試驗平臺采用固定臥式結構，配有導軌、固定座、活動座等，方便不同長度尺寸濾波器及被測鋼直管的安裝拆卸。
系統(tǒng)最大壓力31.5 Mpa，額定工作壓力28 Mpa，工作環(huán)境溫度：-10～+40℃，工作環(huán)境濕度<85%，工作油溫范圍：-10～+70℃，手動變量柱塞泵額定排量：23ml/rev，變頻電機穩(wěn)定調速范圍：200rpm~3000rpm。
（2）測試及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)
16通道高速數(shù)據(jù)采集與記錄系統(tǒng)、dSPACE實時仿真與控制平臺，動態(tài)分析儀。
（3）軟件平臺
TINKER分子模擬程序包、Labview虛擬儀器系統(tǒng)、Matlab軟件系統(tǒng)、AMEsim液壓仿真系統(tǒng)。
（4）尚缺少的試驗條件
數(shù)據(jù)測試用壓力和流量傳感器、耐高壓和腐蝕的柔性膜片。
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