電液振動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)及工作原理

1、電液振動(dòng)臺(tái)的結(jié)構(gòu)及工作原理目錄目錄 iii 第一章緒論1.1 振動(dòng)臺(tái)的應(yīng)運(yùn)和發(fā)展 61.2 電液振動(dòng)臺(tái)的發(fā)展 81.3 本課題的研究方法和內(nèi)容 8 第二章結(jié)構(gòu)及工作原理2.1 液壓振動(dòng)臺(tái)的結(jié)構(gòu)和主要技術(shù)參數(shù) 92.2 電液振動(dòng)臺(tái)工作原理 9第一章 緒論1.1 振動(dòng)臺(tái)的應(yīng)用和發(fā)展 振動(dòng)臺(tái)是在各種條件下，環(huán)境下測(cè)定金屬材料、非金屬材料、機(jī)械零件、工程結(jié)構(gòu)等的機(jī)械性能、工藝 性能、內(nèi)部缺陷和校驗(yàn)旋轉(zhuǎn)零件動(dòng)態(tài)不平衡的儀器1 。在研究探索新材料、新工藝、新技術(shù)和新結(jié)構(gòu)的過(guò)程中， 振動(dòng)臺(tái)是一種不可缺少的重要測(cè)試儀器， 它廣泛應(yīng)用于機(jī)械、 冶金、 石油、化工、建筑、 航空、 造船、 交通運(yùn)輸?shù)裙I(yè)部門(mén)及各類

2、研究機(jī)構(gòu)， 因此在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有相當(dāng)重要的地位， 它的發(fā)展水 平在某種程度上反映了一個(gè)國(guó)家的工業(yè)發(fā)展水平， 因而世界各國(guó)都很重視結(jié)構(gòu)試驗(yàn)技術(shù)和試驗(yàn)系統(tǒng)的研 究開(kāi)發(fā)工作 2 。從六十年代開(kāi)始我國(guó)為了滿足航天領(lǐng)域的需求， 各類振動(dòng)臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生。 用于振動(dòng)試驗(yàn)的振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng) 從其激振方式上可分為三類：機(jī)械式振動(dòng)臺(tái)、 電液式振動(dòng)臺(tái)和電動(dòng)式振動(dòng)臺(tái)。從振動(dòng)臺(tái)的激振方向， 即 工作臺(tái)面的運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)分， 可分為單向 （單自由度 ）和多向 （多自由度 ） 振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng) 4 。從振動(dòng)臺(tái)的功能來(lái) 分，可分為單一的正弦振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)和可完成正弦、 隨機(jī)、 正弦加隨機(jī)等振動(dòng)試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)的振動(dòng)臺(tái)系 統(tǒng)。由于機(jī)械式振動(dòng)臺(tái)、 電

3、液式振動(dòng)臺(tái)和電動(dòng)式振動(dòng)臺(tái)工作原理不同， 因此他們的性能也大不相同。 表 1-1 對(duì)三種類型振動(dòng)臺(tái)的主要性能進(jìn)行了比較，圖1-1對(duì)三種類型振動(dòng)臺(tái)頻率、 振幅的常用區(qū)域進(jìn)行了比較。通過(guò)比較， 我們可以看出， 機(jī)械式的振動(dòng)臺(tái)由于出力小、 結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且不能結(jié)合計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)編 程，一旦制造以后就無(wú)法根據(jù)具體要求進(jìn)行更改， 因此在實(shí)際應(yīng)用中受到很大的限制， 很少使用。 電液 式振動(dòng)臺(tái)的作用力大，既可以在較低頻、較長(zhǎng)行程下工作，也可以在較高頻、較短行程下工作，而且配 合計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制能任意改變其試驗(yàn)波形而方便的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制 ; 在需要很大作用力的時(shí)候，由于體 積較小、結(jié)構(gòu)緊湊， 還可以用幾個(gè)液壓缸并聯(lián)進(jìn)

4、行工作， 但它的頻率范圍比電動(dòng)式振動(dòng)臺(tái)略低， 波形失 真也比電動(dòng)式振動(dòng)臺(tái)略大些。但電液振動(dòng)臺(tái)仍然是今后發(fā)展的方向。表1.1三種類型振動(dòng)臺(tái)主要性能的比較 種類參數(shù)機(jī)械振動(dòng)臺(tái)電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)電液振動(dòng)臺(tái)取大推力小中大最大位移小中大頻率范圍窄寬較寬波形種類正弦正弦隨機(jī)正弦方波隨機(jī)等波形失真度較大小較小自動(dòng)編程不能能能控制參數(shù)位移位移速度加速度位移速度加速度抗偏載能力小波形再現(xiàn)好功率譜再現(xiàn)好控制精度差小推力的高小推力的低性能價(jià)格比高大推力時(shí)高大推力時(shí)高圖1-1三種類型振動(dòng)頻率、振幅常用區(qū)域比較1.2 電液振動(dòng)臺(tái)的發(fā)展方向二十一世紀(jì)的今天隨著航天航空技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)的要求越來(lái)越高。需要大噸位（1000

5、KN以上）、高工作頻串（1000Hz以上）的振動(dòng)臺(tái)的上限工作頻率能夠達(dá)到 2000Hz冋。這樣就可以在 一個(gè)振動(dòng)臺(tái)上完成整個(gè)頻段的振動(dòng)環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)， 因此一般振動(dòng)臺(tái)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足試驗(yàn)的需求， 而這 個(gè)重任就落到了電液高頻振動(dòng)臺(tái)的身上， 如何設(shè)計(jì)出頻率高頻寬大精度高的電液振動(dòng)臺(tái)已經(jīng)是一個(gè)當(dāng)務(wù) 之急，國(guó)內(nèi)外各類研究所對(duì)高頻電液振動(dòng)臺(tái)的研究也取的了很大的成就， 然而電液伺服系統(tǒng)的工作頻率 的高低，主要取決于伺服閥頻寬的高低。因此，如何提高電液伺服閥頻寬的研究更是重中之重。80年代初期隨著電液伺服系統(tǒng)在工業(yè)中的大量應(yīng)用， 電液專家開(kāi)始尋找各類先進(jìn)的電液控制元件和驅(qū)動(dòng) 放案，放案之一就是采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)

6、動(dòng)，數(shù)字脈沖控制的步進(jìn)式數(shù)字元件7 。與模擬量控制的比例閥和伺服閥相比，步進(jìn)式數(shù)字元件具有重復(fù)精度高，無(wú)滯環(huán)、和直接數(shù)字控制等優(yōu)點(diǎn)8 。但是這類元件按步進(jìn)的工作方式工作， 存在著響應(yīng)速度和量化誤差之間的矛盾， 設(shè)計(jì)時(shí)往往保證前者， 所以響應(yīng)速度沒(méi)有 得到改善， 難以在控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。 然而本人導(dǎo)師最近幾年一直潛心從事電液伺服數(shù)字閥的 技術(shù)研究， 從三個(gè)方面解決了以上伺服閥的不足， 設(shè)計(jì)出了一中新型的數(shù)字閥。 第一方面直接式數(shù)字控 制元件的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵是要解決導(dǎo)控方面設(shè)計(jì)采用了閥芯雙運(yùn)動(dòng)自由度的放案，即2D閥的設(shè)計(jì)放案。第二放棄這類閥的步進(jìn)控制方式， 采用一種特殊的步進(jìn)電機(jī)連續(xù)跟蹤控制的

7、方式， 以便解決步進(jìn)電機(jī)控制的 響應(yīng)速度和量化誤差之間的矛盾， 并對(duì)跟蹤控制算法和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各特性進(jìn)行了研究。 第三解決了閥數(shù) 字控制器和系統(tǒng)控制器之間通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字接口的數(shù)字控制信號(hào)的傳送和通信9 。因此本課題是基于先進(jìn)數(shù)字閥控系統(tǒng)的電液振動(dòng)臺(tái)的研究設(shè)計(jì)，對(duì)將來(lái)的高頻電液伺服振動(dòng)臺(tái)研究具有一定的意義。1.3 本課題的研究目的和研究?jī)?nèi)容本課題的研究目的是設(shè)計(jì)并制造一臺(tái)用于進(jìn)行金屬材料疲勞試驗(yàn)所使用的高頻電液伺服振動(dòng)臺(tái)，充分利用電液振動(dòng)臺(tái)出力大、 響應(yīng)快， 頻率范圍寬的優(yōu)點(diǎn)。 在該課題中我們建立的實(shí)際系統(tǒng)是單自由度垂 直往復(fù)運(yùn)動(dòng)的電液式伺服振動(dòng)臺(tái)， 相對(duì)于大型多自由度電液式振動(dòng)臺(tái)而言， 雖然它的結(jié)

8、構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單， 但 卻是大型系統(tǒng)研制的基礎(chǔ)， 對(duì)實(shí)際研究有重大的意義。 更重要的是本課題采用了一種新型的控制系統(tǒng)即 2D閥控液壓系統(tǒng)，他的成功問(wèn)世，將對(duì)以后大型振動(dòng)臺(tái)和控制閥的研究奠定良好的基礎(chǔ)。論文可以分成這樣幾個(gè)部分， 首先， 詳細(xì)敘述了在實(shí)際應(yīng)用中的該振動(dòng)臺(tái)的結(jié)構(gòu)、 各部件的設(shè)計(jì)方 法以及工作原理，系統(tǒng)組成等等 然后，著重介紹并分析2D閥的設(shè)計(jì)的具體思路和方法，建立了準(zhǔn)確的 數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行了 MATLA仿真。最后，對(duì)整個(gè)振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)的建模與 MATLA仿真，并在此基礎(chǔ) 上對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了分析。第二章結(jié)構(gòu)及工作原理2.1液壓振動(dòng)臺(tái)的結(jié)構(gòu)和主要技術(shù)參數(shù)本液壓振動(dòng)臺(tái)用于材料試驗(yàn)系統(tǒng)

9、的激振。主要包括主動(dòng)力源、控制動(dòng)力源、油箱及附件、各類傳感裝置、2D閥、激振缸、振動(dòng)臺(tái)面。見(jiàn)示意圖圖2-12D閥控制器立萊0I壓力2帶囲軟大劣通道記 憶示波器圖2-1電液振動(dòng)臺(tái)示意圖主要技術(shù)參數(shù)如下：最大激振力：Fma>=2T=1.96 X 104N油源工作壓力：Ps=21MPa=2.1X 107Pa油源提供的最大流量：Q=60L/min=1.0 X 10-3H7s最大負(fù)載質(zhì)量：M=200Kg運(yùn)動(dòng)部件自重：m=30 Kg頻率范圍：fmin=1H Z, fmax=100HZ2.2電液振動(dòng)臺(tái)工作原理鑒于提高振動(dòng)臺(tái)的頻率范圍和輸出推力的重要意義，本文提出了一種電液激振的新方法，其工作原理見(jiàn)圖2

10、-2。該方法采用閥芯雙自由度電液控制閥（簡(jiǎn)稱 2D閥）控制液壓缸10。該閥采用閥芯旋轉(zhuǎn)和 軸向雙自由度設(shè)計(jì)而成（簡(jiǎn)稱2D電液控制閥）。在2D閥中閥芯由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，使得沿閥芯臺(tái)肩周向均勻開(kāi)設(shè)的溝槽（相鄰溝槽的圓心角為）與閥套上的窗口相配合的閥口面積大小成周期性變化，由于相鄰臺(tái)肩上的溝槽相互錯(cuò)位（錯(cuò)位角度為/2）,因而使得進(jìn)出液壓缸的兩個(gè)容腔的流量大小及方向以相位差為180°發(fā)生周期性的變化，驅(qū)動(dòng)液壓執(zhí)行元件油缸（或馬達(dá)）做周期性的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)閥 芯在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中位于圖 2-2a所示的位置時(shí)，P 口和A 口溝通，B 口和T 口溝通，液壓缸左腔進(jìn)油、 右腔 回油，油缸活塞向右運(yùn)動(dòng)；當(dāng)閥

11、芯旋轉(zhuǎn)過(guò)/2角度處于圖2-2b所示位置時(shí)，P 口和B 口溝通，B 口和T 口溝通，油缸右腔進(jìn)油、左腔回油，油缸活塞向左運(yùn)動(dòng)。當(dāng)閥芯在伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)時(shí)，油缸活塞 將作周期性的往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生激振。在2D電液激振閥中，臺(tái)肩上的溝槽與閥套上窗口構(gòu)成的面積除因閥芯旋轉(zhuǎn)發(fā)生周期性變化外，其變化的幅度通過(guò)閥芯的軸向運(yùn)動(dòng)從零（閥口完全關(guān)閉）到最大實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制。閥芯的的軸向運(yùn)動(dòng)由另一伺服電機(jī)通過(guò)偏心機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)閥芯實(shí)現(xiàn)，通過(guò)控制該伺服電機(jī)轉(zhuǎn)角的大小從而改變閥口面積周期性變化的幅度，進(jìn)而改變液壓缸的振動(dòng)幅值（輸出推力）11。圖2-2D閥控電液激振器原理圖顯然，圖2-2所示2D電液激振閥控液壓執(zhí)行元件所構(gòu)成的電液激振

12、器的工作頻率與閥芯的轉(zhuǎn)速成正比。由于閥芯為細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，又處于液壓油的很好潤(rùn)滑狀態(tài)中，因而很容易提高閥芯的旋轉(zhuǎn)速度獲得高的激振頻率。2D電液閥控激振器的工作頻率 f等于閥芯的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速 n與閥芯溝槽每轉(zhuǎn)與閥套窗口之間的溝通次數(shù)m的乘積。因而除通過(guò)提高閥芯的轉(zhuǎn)速提高工作工作頻率外，還可以通過(guò)增加閥芯臺(tái)肩上的溝槽數(shù) 及選擇閥芯與閥套之間的配合關(guān)系來(lái)提高閥芯溝槽與閥套窗口每轉(zhuǎn)溝通次數(shù)。閥芯每轉(zhuǎn)溝通次數(shù)m除與閥芯溝槽數(shù)Z有關(guān)，還與閥芯溝槽與閥套窗口的配合關(guān)系有關(guān)。如果閥芯溝槽數(shù)與閥套窗口數(shù)相等， 則這種配合形式稱為全開(kāi)口型，如圖2-3a所示。全開(kāi)口型2D閥閥芯每轉(zhuǎn)的通斷次數(shù)即為閥芯溝槽數(shù)Z（閥套窗口數(shù)）。如果閥芯溝槽數(shù)與閥套窗口數(shù)不相等，則這種配合形式稱為部分開(kāi)口型，如圖2-3b所示。部分