2024年3月12日发(作者：位书南)
SPECIAL RESEARCH
专题研究
流-固耦合共振式流体滤波器试验研究
高 阳
1
，罗雅云
1
，何志勇
2
（1. 长沙理工大学 汽车与机械工程学院，湖南 长沙 410114；
2. 机械装备高性能智能制造关键技术湖南省重点实验室，湖南 长沙 410114）
［摘要］文章总结了Helmholtz共振式滤波器和多自由度共振滤波器的结构特点和工作原理，分析了
两种滤波器的工况应用和使用不足；设计了一种流-固耦合共振式流体滤波器，理论计算得出了滤波器的
固有振动频率，在试验台上测试了滤波器入口和出口压力时域信号。结果表明，压力脉动衰减幅度最大
可达44.7%，在泵的压力脉动基频与振动体固有振动频率相差50Hz的情况下，压力脉动衰减幅度仍达到了
28.3%，显示该滤波器对压力脉动良好的抑制效果，具备很好的开发应用价值。
［关键词］液压脉动；滤波器；流-固耦合；固有振动频率；带宽
［中图分类号］THl37 ［文献标识码］B ［文章编号］1001-554X（2020）-04-0046-04
Experimental study on fluid
-
solid coupling resonant filter
GAO Yang，LUO Ya-yun，HE Zhi-yong
在液压系统中，由于泵的结构原因产生的脉
动体积流量沿管路传输时，遇到系统阻抗就转变成
为压力脉动
［1］
。为了衰减这种脉动，人们研究开
发了品种繁多的各式液压滤波器
［2］
。通过应用实
践表明，各种流体滤波器的安装对减小泵的负载阻
抗、增加对液压系统脉动压力衰减和抑制均具有明
显的效果
［3］
。其中结构振动式流体滤波器以其结
构简单、系统能量损失小、使用效果显著等优点值
得重点关注
［4］
。结构振动式流体滤波将流体脉动
能量转化为机械振动能量来控制和衰减，能在某一
频段范围内取得良好的使用效果。
似由流体质量-流体弹簧组成的质量-弹簧振动系
统
［5］
。工作时，系统中的压力流体经阻尼管路充
满滤波器的共振腔。此时依据集中参数处理方法，
视阻尼管路中小液柱为质量，容腔为弹簧，阻尼管
路中的阻尼和摩擦为阻尼。在脉动压力作用下，阻
尼管路中小液柱像活塞一样作往复运动，形成了类
似于质量-弹簧-阻尼系统。Helmholtz共振式滤波
器的固有振动频率
［6］
f
HR
cd
4
LV
（1）
1 结构共振式流体滤波器工作原理
结构共振式流体滤波器的原理是将液压系统
中压力脉动等效为机械系统中的质量弹簧系统，然
后通过设置类似于机械振动系统中的共振式动力吸
振器来消减液压系统中的脉动能量。结构共振式流
体滤波器是一种结构简单、滤波能量损失小的装
置，因此在流体脉动抑制中应用广泛。其常见的结
构形式包括Helmholtz共振式滤波器和多自由度共
振滤波器。
如图1所示，Helmholtz共振式滤波器由阻尼
管路和容腔组成，并联在流体管路中，构成了类
式中
c
为声速；
d
为阻尼管路的直径；
=+
w
L
为阻尼管
路的长度；
V
为容腔的体积。
由式（1）可知，Helmholtz共振式滤波器的共
x(t)=x
0
+x
1
cos(
w
t+
j
)
振频率
f
HR
主要取决于阻尼管路的长度
L
和容腔的体
dx
积
V
。因此很多研究者通过改变共振器的结构参数
F
3
=
(
c
p
+
c
k
)
dt
实现了谐振频率的调整，但该滤波器具有频率选择
d
2
x
性，滤波频带窄，在低频噪声滤波时具有较好的使
F
4
=
(
M
+
m
)
2
dt
2
DOI:
10.14189/1981.2020.04.004
dxdx
(
M
+
m
)
2
+
(
c
p
+
c
k
)
+
(
k
P
+
k
k
)
x
=
F
0
cos(
w
t
)
［收稿日期］2020-02-13
dtdt
［基金项目］国家级大学生创新创业训练计划项目（201910
w
A
=
w
0
2
-
2
l
2
536019）；长沙理工大学科研助推计划项目（2019QJCZ029）
［通讯地址］高阳，山东省青岛市李沧区惠水路626号惠水
w
和苑
f
=
A
2
p
46
建筑机械
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2020/04总第530期
用效果。
M
压平衡容腔、阻尼平衡孔等组成。其将质量体和阻
尼集中在一个尺寸紧凑的弹性结构振动体上，减小
了滤波器的尺寸。此外，弹性结构振动体的共振频
率范围较大，使之能适合于流体系统中的不同工
况，适用性更强。
k
入口
阻尼孔
静压平衡容腔
弹性结构振动体
外壳
出口
图1 Helmholtz共振滤波器原理图
静压平衡容腔
如图2所示，多自由度共振滤波器是一个由振
动质量体、弹簧及阻尼构成的“质量+弹簧+阻尼”
集中参数振动系统，并联在流体管路中
［7，8］
。
m
1
，
m
2
，…
m
n
及弹簧刚度
当滤波器的振动体质量
k
1
，
kω
1
，
ω
2
…
2
…
k
n
等参数确定后，其共振频率
p(t)=p
0
+p
1
cos(
w
t)
将使滤波器的振动质量体产
01
ω
n
也将确定。工作时，能引起共振的压力脉动波
p(t)=p+pcos(t)
生同频位移
x(t)=x
0
+x
1
cos(
w
t+φ)
，其中
φ
=-
π
/2，
相邻振动质量体的振动相位差为180°，从而衰减
流体的脉动。
1
k
1
密封
m
1
m
2
c
3
k
2
M
+
m
+
c
+
c
+
k
+
kx
=
F
k
3
dtdt
3
M
+
c
+
c
+
k
+
kx
=
m
F
w
t
t
+
m
Q
（ ）
dtdt
t
）=
p
（ ）
t
An
F
（
w
A
=
w
0
2
-
2
l
2
w
A
=
w
0
2
-
2
l
2
图2 多自由度共振滤波器的原理图
w
w
A
2
p
f
=
多自由度共振滤波器不仅对流体脉动基频有
2
p
效，还能衰减多次脉动谐波。其缺陷是结构体积
大，价格高昂，因而无法达到工程使用需求。
对结构共振式流体滤波器的研究表明，该
类型滤波器都具有频率选择性且滤波范围较窄等
使用缺陷。因此研究一种简单、方便的流固耦合
谐振滤波器，能在较大频率范围衰减流体脉动能
量，抑制系统振，具有重要的理论意义和工程应用
价值。
f
=
A
图3 流-固耦合共振式流体滤波器原理图
p(t)=p
0
+p
1
cos(t)
p(t)=p+pcos(t)
01
对质量为
M
的结构振动体进行自由状态下的
p
x
(
(
t
t
)
)
=cos(
w
t
t)
+
φ)
m
，其力学分析。设振动体耦合振动的附加质量为
1
cos(=
p
x
0
0
+
+
p
x
1
x(t)=x
0
+x
1
cos(
w
t+φ)
受到周期性的脉动力
F
1
=
F
0
cos（
ωt
）、弹性作用力
dx
w
t+φ)
x(t)=x
0
+x
1
cos(
dx
Fcc
=
(
+
)
3
k
p
+
k
pk
F
2
=（
、阻尼力
=
(
+
)
Fcc
和运动惯性
k
）
x
3
pk
dt
dt
dx
2
dx
Fcc
=
(
+
)
3
pk
力
F
4
=
(
M
+
m
)
dt
2
的共同作用。根据波动理论，
dt
2
dx
结构振动体的运动微分方程为
F
4
M
=
(
M
+
m
)
+
m
+
2
c
+
c
M
+
+
m
k
+
k
+
x
c
=
+
F
c
w
t
dt
+
k
+
kx
=
F
dtdt
p(t)=p
0
+p
1
cos(
dt
t)
dt
d
2
xdx
(
M
+
m
)
2
2
+
(
c
+
(
k
P
2
+
k
k
)
x
2
=
F
0
cos(
w
t
)
2
p
+
c
k
)
w
A
=
w
0
dt
-
2
l
dt
w
A
+
=
w
0
w
-
t
2
l
φ)
x(t)=xx
1
cos(+
0
w
ww
f
=-
l
A
p(t)
（
=
2
p
）
w
A
0
+p
1
cos(t)
=
f
=
dx
w
t
2
p
F
3
=
(
c
p
+
c
k
2
)
式中
c
p
为振动体弹性阻尼系数；
p
c
k
为液体环境下
dt
=
w
A
f
k
p
为振动体的固有刚度；为
阻尼孔的阻尼系数；
x(t)=
k
x
k
0
+x
1
cos(
w
t+φ)
2
2
p
dx
F
4
=
(
M
+
m
)
2
F
0
为周期性的
静压平衡容腔中压力油的等效刚度；
dt
dx
脉动力的最大值；
ω
为脉动力的圆周频率。解得共
F
3
=
(
c
p
+
c
k
)
2
dxdx
dt
振圆周频率为
(
+
m
)
2
+
(
c
p
+
c
k
)
+
(
k
P
+
k
k
)
x
=
F
0
cos(
t
)
2
dtdt
dx
F
4
=
(
M
+
m
)
2
dt
（3）
w
A
=
w
0
2
-
2
l
2
d
2
xdx
(
+
m
)
2
+
(
c
p
+
c
k
)
w
dtdt
上式表明，滤波器共振圆周频率的值由结构振
=
p
动体的固有振动圆周频率和阻尼因子决定，即受到
=
w
0
2
-
2
l
2
A
弹性结构振动体的结构尺寸、阻尼孔尺寸及静压平
衡容腔尺寸的影响，其共振频率可表达为
f
=
w
A
。
2
p
3 流-固耦合共振式流体滤波器试验验证
试验测试原理如图4所示。试验时首先将研制
好的滤波器安装到试验台架；然后调定系统的工作
压力，用节流加载模拟设备工作负荷；随后通过变
CONSTRUCTION MACHINERY
2 流-固耦合共振式流体滤波器简介
流-固耦合共振式流体滤波器的结构原理如图
3所示，主要由滤波器外壳、弹性结构振动体、静
47
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SPECIAL RESEARCH
专题研究
频调速电机调整液压泵转速，计算出其相应的流体
脉动频率；其次采集滤波器前后的压力时域信号
p
1
及
p
2
并进行噪声信号处理
［9］
；最后将信号经时域
及频域分析，得出滤波器对流体脉动衰减的效果。
p
泵源
液压回路系统
滤波器
1
测试数据，分析压力脉动最大值
p
max
、最小值
p
min
及
平均值
p
av
，并分别计算滤波器入口及出口的压力
脉动率
δ
=（
p
max
-
p
min
）/
p
av
×100%，脉动衰减率
T
=
（
δ
入口
-
δ
出口
）
δ
入口
×100%，对比试验测试数据的频
谱分析结果，就能验证滤波器的使用效能。依照试
验方案，我们设计的流-固耦合共振式流体滤波器
的固有振动频率约为175Hz。在试验台上分别调定
液压泵转速为1200r/min和1500r/min，计算得到泵
的压力脉动基频为180Hz和225Hz。试验采集的时
p
2
负载
变频调速电机
转速控制
系统
信号采集
系统
信号处理
系统
负载控制
系统
域信号经去噪后的结果如图5和图6所示。
图中，1为滤波器入口的压力时域曲线，2为
滤波器出口的压力时域曲线。由图示结果明显看
出，与入口压力时域曲线相比，出口的时域曲线
波动幅度小、平缓，并且压力值有所降低。图5
中，压力脉动波动范围由滤波前的1.32MPa降到
了0.73MPa，压力脉动衰减幅度达到44.7%。图6
中，压力脉动波动范围由滤波前的1.13MPa降到了
图4 流体脉动信号测试原理图
本试验设定系统最大压力为10MPa，稳态流量
15L/min。通过变频调速调定液压泵的转速，使其
脉动频率逐步接近衰减器结构振动体的固有频率，
然后测定滤波器前后的动态压力
p
1
及
p
2
。最后根据
8.60
8.40
8.20
M
P
a
8.00
7.80
7.60
7.40
7.20
00.0300.060
2
0.0900.1200.150
1
时域信号
0.1800.210
时间（s）
0.2400.2700.3000.3300.3600.400
1. 滤波器入口压力
p
1
2. 滤波器出口压力
p
2
图5 泵转速1200r/min时滤波器入口压力
p
1
及出口压力
p
2
时域信号图
8.60
8.40
8.20
M
P
a
8.00
7.80
7.60
7.40
7.20
00.030
2
0.0600.0900.1200.1500.1800.210
时间（s）
0.2400.2700.3000.3300.3600.400
时域信号
1
1. 滤波器入口压力
p
1
2. 滤波器出口压力
p
2
图6 泵转速1440r/min时滤波器入口压力
p
1
及出口压力
p
2
时域信号图
48
建筑机械
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2020/04总第530期
0.81MPa，压力脉动衰减幅度达到28.3%。系统的脉
动压力经过滤波器衰减后得到明显改善。此外，试
验结果还表明，当泵的压力脉动基频与滤波器的固
有振动频率越接近，压力脉动抑制效果越好。
［2］ 鲍海阁，陈国林，刘义成，等. 液压系统消波器的实
验研究［J］. 舰船科学技术，2003，25（5）：81-
82.
［3］ 何志勇，何清华，贺尚红. 载流薄板式流体滤波器
性能研究［J］. 机械科学与技术，2016，35（3）：
351-357.
［4］Zhi-Yong He，Yun-Qiang Wu1，Xiao-Ping
Performance Study of Current- carrying Plate Fluid At-
tenuator［J］. Journal of Applied Science and Engineer-
ing，2019，22 （3）：481-492.
［5］ 高虹. Helmholtz共振的机理研究及应用［D］. 重
庆：重庆大学，2003，4.
［6］ 卡玛尔. H型液压滤波器的应用研究［D］. 西安：长
安大学，2007，6.
［7］ 欧阳小平，李磊，方旭，等. 共振型液压脉动衰减
器研究现状及展望［J］. 机械工程学报，2015，22
（9）：168-175+182.
［8］ 何志勇，何清华，李自光. 结构共振式滤波器试验研
究［J］. 机床与液压，2011，39（5）：27-28+43.
［9］ 余世明，冯浩，王守觉. 基于小波和最小绝对误差
的去噪抗扰动辨识方法［J］. 电子学报，2003，31
（2）：192-195.
4 结束语
本文设计了一种流-固耦合共振式液压滤波
器，并通过试验对其使用效果进行了验证。结果表
明：当流体系统的脉动激励频率与滤波器弹性结构
振动体振动系统的固有振动频率接近或一致时，结
构振动体振动幅度达到最大，消耗的能量最大，压
力脉动衰减幅度达到44.7%；在泵的压力脉动基频
与振动体固有振动频率相差50Hz的情况下，压力
脉动衰减幅度仍达到了28.3%，显示该滤波器对压
力脉动良好的抑制效果，并且具有较宽的频段适应
性，具备开发应用价值。
［参考文献］
［1］ 何志勇，何清华，贺尚红，等. 基于流体结构耦合
振动的液压脉动滤波器试验研究［J］. 中国造船，
2012，53（1）：137-144.
（上接第45页）
轮轴粘连在一起，从而造成铜套与齿轮轴一起运
动，轴套与锥形铁芯相互摩擦发出异响，同时影响
齿轮轴及齿轮的转动，最终导致防坠器齿轮与施工
升降机的齿条运转过程中发出异响。
2.4 动作开关失效
安全器应设有安全开关（电气安全装置）。
在安全器动作时，安全开关应能直接切断驱动机构
及制动器的控制电路。在安全器动作后，非自动复
位的安全器只有通过人工调整压紧制动加力弹簧的
大螺母，才能使安全开关复位。安全开关应符合
GB/T 26557-2011中5.9.6的要求
全装置的作用下自动停止
有以下原因：
（1）动作开关损坏、缺失，针对此种情况应
更换动作开关。
（2）动作开关接线不正确，针对此种情况应
［2］
［1］
重新正确接线。
（3）动作调节螺栓未调到有效位置或缺失，
针对此种情况应调整或更换动作调节螺栓。
3 结束语
SAJ型防坠安全器异常情况有以下几类：制动
距离过长或过短，防坠安全器动作失效、提前动
作或延迟动作，安全器异响，动作开关失效。因此
当防坠安全器出现异常情况时，应及时进行检查分
析，根据异常情况的特征进行处理，从而保证防坠
器的有效性，确保施工升降机出现意外下坠时，防
坠安全器能够正常工作，防止安全事故发生。
［参考文献］
［1］GB/T34025-2017. 施工升降机用齿轮渐进式防坠安
全器［S］．
［2］GB26557-2011. 吊笼有垂直导向的人货两用施工升
降机［S］．
。一旦超速安
全装置动作，正常控制下的吊笼运动应能在电气安
。
根据防坠安全器的结构，可知动作开关失效
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SPECIAL RESEARCH
专题研究
流-固耦合共振式流体滤波器试验研究
高 阳
1
，罗雅云
1
，何志勇
2
（1. 长沙理工大学 汽车与机械工程学院，湖南 长沙 410114；
2. 机械装备高性能智能制造关键技术湖南省重点实验室，湖南 长沙 410114）
［摘要］文章总结了Helmholtz共振式滤波器和多自由度共振滤波器的结构特点和工作原理，分析了
两种滤波器的工况应用和使用不足；设计了一种流-固耦合共振式流体滤波器，理论计算得出了滤波器的
固有振动频率，在试验台上测试了滤波器入口和出口压力时域信号。结果表明，压力脉动衰减幅度最大
可达44.7%，在泵的压力脉动基频与振动体固有振动频率相差50Hz的情况下，压力脉动衰减幅度仍达到了
28.3%，显示该滤波器对压力脉动良好的抑制效果，具备很好的开发应用价值。
［关键词］液压脉动；滤波器；流-固耦合；固有振动频率；带宽
［中图分类号］THl37 ［文献标识码］B ［文章编号］1001-554X（2020）-04-0046-04
Experimental study on fluid
-
solid coupling resonant filter
GAO Yang，LUO Ya-yun，HE Zhi-yong
在液压系统中，由于泵的结构原因产生的脉
动体积流量沿管路传输时，遇到系统阻抗就转变成
为压力脉动
［1］
。为了衰减这种脉动，人们研究开
发了品种繁多的各式液压滤波器
［2］
。通过应用实
践表明，各种流体滤波器的安装对减小泵的负载阻
抗、增加对液压系统脉动压力衰减和抑制均具有明
显的效果
［3］
。其中结构振动式流体滤波器以其结
构简单、系统能量损失小、使用效果显著等优点值
得重点关注
［4］
。结构振动式流体滤波将流体脉动
能量转化为机械振动能量来控制和衰减，能在某一
频段范围内取得良好的使用效果。
似由流体质量-流体弹簧组成的质量-弹簧振动系
统
［5］
。工作时，系统中的压力流体经阻尼管路充
满滤波器的共振腔。此时依据集中参数处理方法，
视阻尼管路中小液柱为质量，容腔为弹簧，阻尼管
路中的阻尼和摩擦为阻尼。在脉动压力作用下，阻
尼管路中小液柱像活塞一样作往复运动，形成了类
似于质量-弹簧-阻尼系统。Helmholtz共振式滤波
器的固有振动频率
［6］
f
HR
cd
4
LV
（1）
1 结构共振式流体滤波器工作原理
结构共振式流体滤波器的原理是将液压系统
中压力脉动等效为机械系统中的质量弹簧系统，然
后通过设置类似于机械振动系统中的共振式动力吸
振器来消减液压系统中的脉动能量。结构共振式流
体滤波器是一种结构简单、滤波能量损失小的装
置，因此在流体脉动抑制中应用广泛。其常见的结
构形式包括Helmholtz共振式滤波器和多自由度共
振滤波器。
如图1所示，Helmholtz共振式滤波器由阻尼
管路和容腔组成，并联在流体管路中，构成了类
式中
c
为声速；
d
为阻尼管路的直径；
=+
w
L
为阻尼管
路的长度；
V
为容腔的体积。
由式（1）可知，Helmholtz共振式滤波器的共
x(t)=x
0
+x
1
cos(
w
t+
j
)
振频率
f
HR
主要取决于阻尼管路的长度
L
和容腔的体
dx
积
V
。因此很多研究者通过改变共振器的结构参数
F
3
=
(
c
p
+
c
k
)
dt
实现了谐振频率的调整，但该滤波器具有频率选择
d
2
x
性，滤波频带窄，在低频噪声滤波时具有较好的使
F
4
=
(
M
+
m
)
2
dt
2
DOI:
10.14189/1981.2020.04.004
dxdx
(
M
+
m
)
2
+
(
c
p
+
c
k
)
+
(
k
P
+
k
k
)
x
=
F
0
cos(
w
t
)
［收稿日期］2020-02-13
dtdt
［基金项目］国家级大学生创新创业训练计划项目（201910
w
A
=
w
0
2
-
2
l
2
536019）；长沙理工大学科研助推计划项目（2019QJCZ029）
［通讯地址］高阳，山东省青岛市李沧区惠水路626号惠水
w
和苑
f
=
A
2
p
46
建筑机械
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2020/04总第530期
用效果。
M
压平衡容腔、阻尼平衡孔等组成。其将质量体和阻
尼集中在一个尺寸紧凑的弹性结构振动体上，减小
了滤波器的尺寸。此外，弹性结构振动体的共振频
率范围较大，使之能适合于流体系统中的不同工
况，适用性更强。
k
入口
阻尼孔
静压平衡容腔
弹性结构振动体
外壳
出口
图1 Helmholtz共振滤波器原理图
静压平衡容腔
如图2所示，多自由度共振滤波器是一个由振
动质量体、弹簧及阻尼构成的“质量+弹簧+阻尼”
集中参数振动系统，并联在流体管路中
［7，8］
。
m
1
，
m
2
，…
m
n
及弹簧刚度
当滤波器的振动体质量
k
1
，
kω
1
，
ω
2
…
2
…
k
n
等参数确定后，其共振频率
p(t)=p
0
+p
1
cos(
w
t)
将使滤波器的振动质量体产
01
ω
n
也将确定。工作时，能引起共振的压力脉动波
p(t)=p+pcos(t)
生同频位移
x(t)=x
0
+x
1
cos(
w
t+φ)
，其中
φ
=-
π
/2，
相邻振动质量体的振动相位差为180°，从而衰减
流体的脉动。
1
k
1
密封
m
1
m
2
c
3
k
2
M
+
m
+
c
+
c
+
k
+
kx
=
F
k
3
dtdt
3
M
+
c
+
c
+
k
+
kx
=
m
F
w
t
t
+
m
Q
（ ）
dtdt
t
）=
p
（ ）
t
An
F
（
w
A
=
w
0
2
-
2
l
2
w
A
=
w
0
2
-
2
l
2
图2 多自由度共振滤波器的原理图
w
w
A
2
p
f
=
多自由度共振滤波器不仅对流体脉动基频有
2
p
效，还能衰减多次脉动谐波。其缺陷是结构体积
大，价格高昂，因而无法达到工程使用需求。
对结构共振式流体滤波器的研究表明，该
类型滤波器都具有频率选择性且滤波范围较窄等
使用缺陷。因此研究一种简单、方便的流固耦合
谐振滤波器，能在较大频率范围衰减流体脉动能
量，抑制系统振，具有重要的理论意义和工程应用
价值。
f
=
A
图3 流-固耦合共振式流体滤波器原理图
p(t)=p
0
+p
1
cos(t)
p(t)=p+pcos(t)
01
对质量为
M
的结构振动体进行自由状态下的
p
x
(
(
t
t
)
)
=cos(
w
t
t)
+
φ)
m
，其力学分析。设振动体耦合振动的附加质量为
1
cos(=
p
x
0
0
+
+
p
x
1
x(t)=x
0
+x
1
cos(
w
t+φ)
受到周期性的脉动力
F
1
=
F
0
cos（
ωt
）、弹性作用力
dx
w
t+φ)
x(t)=x
0
+x
1
cos(
dx
Fcc
=
(
+
)
3
k
p
+
k
pk
F
2
=（
、阻尼力
=
(
+
)
Fcc
和运动惯性
k
）
x
3
pk
dt
dt
dx
2
dx
Fcc
=
(
+
)
3
pk
力
F
4
=
(
M
+
m
)
dt
2
的共同作用。根据波动理论，
dt
2
dx
结构振动体的运动微分方程为
F
4
M
=
(
M
+
m
)
+
m
+
2
c
+
c
M
+
+
m
k
+
k
+
x
c
=
+
F
c
w
t
dt
+
k
+
kx
=
F
dtdt
p(t)=p
0
+p
1
cos(
dt
t)
dt
d
2
xdx
(
M
+
m
)
2
2
+
(
c
+
(
k
P
2
+
k
k
)
x
2
=
F
0
cos(
w
t
)
2
p
+
c
k
)
w
A
=
w
0
dt
-
2
l
dt
w
A
+
=
w
0
w
-
t
2
l
φ)
x(t)=xx
1
cos(+
0
w
ww
f
=-
l
A
p(t)
（
=
2
p
）
w
A
0
+p
1
cos(t)
=
f
=
dx
w
t
2
p
F
3
=
(
c
p
+
c
k
2
)
式中
c
p
为振动体弹性阻尼系数；
p
c
k
为液体环境下
dt
=
w
A
f
k
p
为振动体的固有刚度；为
阻尼孔的阻尼系数；
x(t)=
k
x
k
0
+x
1
cos(
w
t+φ)
2
2
p
dx
F
4
=
(
M
+
m
)
2
F
0
为周期性的
静压平衡容腔中压力油的等效刚度；
dt
dx
脉动力的最大值；
ω
为脉动力的圆周频率。解得共
F
3
=
(
c
p
+
c
k
)
2
dxdx
dt
振圆周频率为
(
+
m
)
2
+
(
c
p
+
c
k
)
+
(
k
P
+
k
k
)
x
=
F
0
cos(
t
)
2
dtdt
dx
F
4
=
(
M
+
m
)
2
dt
（3）
w
A
=
w
0
2
-
2
l
2
d
2
xdx
(
+
m
)
2
+
(
c
p
+
c
k
)
w
dtdt
上式表明，滤波器共振圆周频率的值由结构振
=
p
动体的固有振动圆周频率和阻尼因子决定，即受到
=
w
0
2
-
2
l
2
A
弹性结构振动体的结构尺寸、阻尼孔尺寸及静压平
衡容腔尺寸的影响，其共振频率可表达为
f
=
w
A
。
2
p
3 流-固耦合共振式流体滤波器试验验证
试验测试原理如图4所示。试验时首先将研制
好的滤波器安装到试验台架；然后调定系统的工作
压力，用节流加载模拟设备工作负荷；随后通过变
CONSTRUCTION MACHINERY
2 流-固耦合共振式流体滤波器简介
流-固耦合共振式流体滤波器的结构原理如图
3所示，主要由滤波器外壳、弹性结构振动体、静
47
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SPECIAL RESEARCH
专题研究
频调速电机调整液压泵转速，计算出其相应的流体
脉动频率；其次采集滤波器前后的压力时域信号
p
1
及
p
2
并进行噪声信号处理
［9］
；最后将信号经时域
及频域分析，得出滤波器对流体脉动衰减的效果。
p
泵源
液压回路系统
滤波器
1
测试数据，分析压力脉动最大值
p
max
、最小值
p
min
及
平均值
p
av
，并分别计算滤波器入口及出口的压力
脉动率
δ
=（
p
max
-
p
min
）/
p
av
×100%，脉动衰减率
T
=
（
δ
入口
-
δ
出口
）
δ
入口
×100%，对比试验测试数据的频
谱分析结果，就能验证滤波器的使用效能。依照试
验方案，我们设计的流-固耦合共振式流体滤波器
的固有振动频率约为175Hz。在试验台上分别调定
液压泵转速为1200r/min和1500r/min，计算得到泵
的压力脉动基频为180Hz和225Hz。试验采集的时
p
2
负载
变频调速电机
转速控制
系统
信号采集
系统
信号处理
系统
负载控制
系统
域信号经去噪后的结果如图5和图6所示。
图中，1为滤波器入口的压力时域曲线，2为
滤波器出口的压力时域曲线。由图示结果明显看
出，与入口压力时域曲线相比，出口的时域曲线
波动幅度小、平缓，并且压力值有所降低。图5
中，压力脉动波动范围由滤波前的1.32MPa降到
了0.73MPa，压力脉动衰减幅度达到44.7%。图6
中，压力脉动波动范围由滤波前的1.13MPa降到了
图4 流体脉动信号测试原理图
本试验设定系统最大压力为10MPa，稳态流量
15L/min。通过变频调速调定液压泵的转速，使其
脉动频率逐步接近衰减器结构振动体的固有频率，
然后测定滤波器前后的动态压力
p
1
及
p
2
。最后根据
8.60
8.40
8.20
M
P
a
8.00
7.80
7.60
7.40
7.20
00.0300.060
2
0.0900.1200.150
1
时域信号
0.1800.210
时间（s）
0.2400.2700.3000.3300.3600.400
1. 滤波器入口压力
p
1
2. 滤波器出口压力
p
2
图5 泵转速1200r/min时滤波器入口压力
p
1
及出口压力
p
2
时域信号图
8.60
8.40
8.20
M
P
a
8.00
7.80
7.60
7.40
7.20
00.030
2
0.0600.0900.1200.1500.1800.210
时间（s）
0.2400.2700.3000.3300.3600.400
时域信号
1
1. 滤波器入口压力
p
1
2. 滤波器出口压力
p
2
图6 泵转速1440r/min时滤波器入口压力
p
1
及出口压力
p
2
时域信号图
48
建筑机械
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2020/04总第530期
0.81MPa，压力脉动衰减幅度达到28.3%。系统的脉
动压力经过滤波器衰减后得到明显改善。此外，试
验结果还表明，当泵的压力脉动基频与滤波器的固
有振动频率越接近，压力脉动抑制效果越好。
［2］ 鲍海阁，陈国林，刘义成，等. 液压系统消波器的实
验研究［J］. 舰船科学技术，2003，25（5）：81-
82.
［3］ 何志勇，何清华，贺尚红. 载流薄板式流体滤波器
性能研究［J］. 机械科学与技术，2016，35（3）：
351-357.
［4］Zhi-Yong He，Yun-Qiang Wu1，Xiao-Ping
Performance Study of Current- carrying Plate Fluid At-
tenuator［J］. Journal of Applied Science and Engineer-
ing，2019，22 （3）：481-492.
［5］ 高虹. Helmholtz共振的机理研究及应用［D］. 重
庆：重庆大学，2003，4.
［6］ 卡玛尔. H型液压滤波器的应用研究［D］. 西安：长
安大学，2007，6.
［7］ 欧阳小平，李磊，方旭，等. 共振型液压脉动衰减
器研究现状及展望［J］. 机械工程学报，2015，22
（9）：168-175+182.
［8］ 何志勇，何清华，李自光. 结构共振式滤波器试验研
究［J］. 机床与液压，2011，39（5）：27-28+43.
［9］ 余世明，冯浩，王守觉. 基于小波和最小绝对误差
的去噪抗扰动辨识方法［J］. 电子学报，2003，31
（2）：192-195.
4 结束语
本文设计了一种流-固耦合共振式液压滤波
器，并通过试验对其使用效果进行了验证。结果表
明：当流体系统的脉动激励频率与滤波器弹性结构
振动体振动系统的固有振动频率接近或一致时，结
构振动体振动幅度达到最大，消耗的能量最大，压
力脉动衰减幅度达到44.7%；在泵的压力脉动基频
与振动体固有振动频率相差50Hz的情况下，压力
脉动衰减幅度仍达到了28.3%，显示该滤波器对压
力脉动良好的抑制效果，并且具有较宽的频段适应
性，具备开发应用价值。
［参考文献］
［1］ 何志勇，何清华，贺尚红，等. 基于流体结构耦合
振动的液压脉动滤波器试验研究［J］. 中国造船，
2012，53（1）：137-144.
（上接第45页）
轮轴粘连在一起，从而造成铜套与齿轮轴一起运
动，轴套与锥形铁芯相互摩擦发出异响，同时影响
齿轮轴及齿轮的转动，最终导致防坠器齿轮与施工
升降机的齿条运转过程中发出异响。
2.4 动作开关失效
安全器应设有安全开关（电气安全装置）。
在安全器动作时，安全开关应能直接切断驱动机构
及制动器的控制电路。在安全器动作后，非自动复
位的安全器只有通过人工调整压紧制动加力弹簧的
大螺母，才能使安全开关复位。安全开关应符合
GB/T 26557-2011中5.9.6的要求
全装置的作用下自动停止
有以下原因：
（1）动作开关损坏、缺失，针对此种情况应
更换动作开关。
（2）动作开关接线不正确，针对此种情况应
［2］
［1］
重新正确接线。
（3）动作调节螺栓未调到有效位置或缺失，
针对此种情况应调整或更换动作调节螺栓。
3 结束语
SAJ型防坠安全器异常情况有以下几类：制动
距离过长或过短，防坠安全器动作失效、提前动
作或延迟动作，安全器异响，动作开关失效。因此
当防坠安全器出现异常情况时，应及时进行检查分
析，根据异常情况的特征进行处理，从而保证防坠
器的有效性，确保施工升降机出现意外下坠时，防
坠安全器能够正常工作，防止安全事故发生。
［参考文献］
［1］GB/T34025-2017. 施工升降机用齿轮渐进式防坠安
全器［S］．
［2］GB26557-2011. 吊笼有垂直导向的人货两用施工升
降机［S］．
。一旦超速安
全装置动作，正常控制下的吊笼运动应能在电气安
。
根据防坠安全器的结构，可知动作开关失效
CONSTRUCTION MACHINERY
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