液压阻尼器动静态性能试验台的设计研究

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1、液压阻尼器动静态性能试验台的设计研究第27卷第3期2007年9月振动,测试与诊断JournalofVibration,Measurement&DiagnosisVo1.27No.3Sep.2007液压阻尼器动静态性能试验台的设计研究刘银水周勇徐俊峰杨可森.曹树平(华中科技大学机械学院武汉,430074)(.武汉第二船舶设计研究所武汉,430064)(.济南大学机械工程学院济南,250022)摘要针对液压阻尼器特性,研制了一种同时满足其动静态性能测试的试验台,解决了该试验台面临的一系列关键技术问题.从节能的角度,采用小泵站大蓄能器组的形式,解决了动静态试验对流量要求差别巨大的矛盾;在回油

2、路上设置蓄能器组解决了大流量对回油管路和低压元件的冲击问题;采用液压夹紧方式,使得试验空问的调节方便可靠;采用上下位机的控制模式,同时满足了数据采集速度和控制界面友好的要求.该试验台的最大输出动态力为l000kN,频率范围为0.0133Hz.试验表明,该试验台较好地满足了设计要求,完全满足阻尼器的试验需求.关键词液压阻尼器冲击振动试验台伺服控制中图分类号TH137引言液压阻尼器是一种对速度反应灵敏的振动控制装置,主要适用于核电厂,火电厂,化工厂,钢铁厂等的管道及设备,用于控制冲击性的流体振动(如主汽门快速关闭,安全阀排放,水锤,破管等冲击激扰)和地震激扰的管系振动_u1.液压阻尼器在与防冲击振

3、动设备连接之前,必须对其性能进行考核,以保证将性能合格的产品用到设备上,为此需要研究相应的试验台.该试验台是一个典型的电液伺服控制系统,为了适应阻尼器试验的特殊工况,需要解决一系列关键技术问题_u2.本文结合研制的1000kN液压阻尼器冲击振动试验台,对这些关键技术问题进行了分析,并提出了相应的解决方案.1试验台架功能和组成液压阻尼器在静态时,不会阻碍正常的热膨胀,当遇到超出限定速度的突然运动时,震动吸收器立刻锁住,形成刚性连结件.因此其性能包括静态和动态特性,相应地,试验台也需要完成这两种功能.其中:静态试验包括低速阻力试验,锁死试验和释放试验等;动态试验包括正弦波振动试验,半正弦波冲击.国

4、家自然科学基金资助项目(编号:50405031).收稿日期:20060329;修改稿收到日期:200610一l7.试验等.试验台的主要性能指标如下:冲击振动方向为水平双向;最大静态负载为1100kN;最大动态负载是当2Hz时为1000kN,15Hz时为700kN;振幅为厂一1Hz,Xo一100mm;f_-15Hz,Xo=6mm;工作频率范围为0.0133Hz;试验台的静态精度小于1%.试验台的基本组成包括液压动力源,冲击试验台架,计算机测控制系统和电气控制系统等.2液压系统试验台的液压系统如图1所示.该油源主要满足3方面的需求:a.进人到夹紧缸,对横梁进行夹紧;b.进人到推拉缸,推动横梁运动;

5、c.进人到伺服缸完成规定的动作.根据试验台静态力的要求,选择系统工作压力为25MPa,取作动器活塞杆d一180mm,活塞D一300mm,得有效面积A一452.16cm.根据试验台性能指标可计算得到动态时的最大流量为1704L/min,在低速阻力试验时,其速度为0H6mm/s,负载所需的流量为16.3L/min.针对此工况,需要解决下列问题.2.1效率问题阻尼器的振动冲击试验和疲劳试验不同,在试第3期刘银水等:液压阻尼器动静态性能试验台的设计研究2O5验过程中的冲击振动时间一般都很短,一般在5S之内.根据动态试验时所需要的最大流量来配制流量显然是没有必要.基于这样的考虑,油源配置两个排量为8Om

6、L/r,额定转速为1500r/min的恒压轴向柱塞变量泵,其余流量则由蓄能器来供给.按照厂一25Hz,X.一4mm时的流量要求来选择蓄能器,此时所需要的最大流量q一1704L/rain(28.4L/s),采用蓄能器后的平均流量q一(2/7),q为1O91I/min(18.2L/s).考虑到容积效率,泵源能供给的流量为216L/min(3.6L/s),则单位时间内需要补充的流量体积为V一V,一V=18.23.614.6L,选用气囊式折合型蓄能器_4.维持5S时间,经计算可得蓄能器的容积为1183I.选择12个蓄能器,每个蓄能器的容积为1O0I.泵和蓄能器一起供油,可以满足峰值流量要求.1.吸油过

7、滤器;2.液压泵;3.电机;4.回油过滤器;5.冷却器;6.空气滤清器;7.液位计;8.温度计;9.油箱;10.单向阀;11.高压过滤器;12.电磁卸荷阀;13.压力继电器;14.高压蓄能器;15.高压截止阀;16.低压截止阀17.低压蓄能器;18,19,22,23.高压截止阀;20.大伺服阀;21.小伺服阀;24.伺服缸;25.三位四通电磁换向阀;26.两位四通电磁换向阀;27.液压锁;28.推位缸;29.夹紧缸图1试验台液压系统原理图2.2动静态试验问题试验台在动静态两种试验工况时需要的流量差别很大.根据动态试验的要求,选取1O00I/min(阀压降为7MPa时)的喷嘴挡板式三级流量伺服阀

8、2O作为动态试验伺服阀_s.对于静态试验来说,此阀显然过大,因此另外配制一个3OL/min(阀压降为7MPa时)的流量伺服阀作为静态试验伺服阀,该阀为喷嘴挡板式二级伺服阀.两阀在不同工况时通过球阀隔断.2.3系统冲击问题系统在动态试验的过程中,从蓄能器和泵源获得的峰值流量为1704L/min,如果按此指标来设计整个系统,显然不经济也没有必要.但如果仅仅按照油泵的流量来选择管道,过滤器和冷却器等,则峰值流量将会对系统产生冲击和破坏.为此,在系统的回油路增设了蓄能器组.蓄能器组的最高工作压力为回油路管道和元件能耐受的最高压力.设冷却器进油管通径为5Omm,油流速度按2m/s计算,则5S内通过的流量

9、为19.6L,作动器在5S内排出的最大流量为V一17040.64/60590.88需要蓄能器的有效容积为V一90.8819.671.28选用气囊式折合型蓄能器.出口的压力不超过0.63MPa,即蓄能器的最高工作压力为P一0.63MPa,最低工作压力为油液回油过程中克服管道,冷却器,过滤器等需要的压力,其中过滤器的阻力为最主要的部分,取P.一0.35MPa,则蓄能器充气压力为P】一(0.80.85)P30.2810蓄能器的总容积为V0=fP2I:()二18f1一0.3510J选取3个容积为100L的蓄能器可以满足要求.这样可以避免回油管路中流量过大而造成的对低压元器件的破坏.3主机设计主机用来安

10、装阻尼器试件并进行试验,其结构原理如图2所示.主机为水平结构,主要组成部分包括前支座,后支座,移动横梁,导向柱,夹紧缸和作动器等组成.试验过程中,阻尼器安装在连接法兰之206振动,测试与诊断第27卷间.前支座,后支座,横梁,导向柱组成一个刚性框架.阻尼器的受力相当于框架的内力,两个导向柱及横梁和前支座,后支座是主要的承力部件,因此变形量易于控制,对平台和地基的要求低.阻尼器的自重由作动器承担.位移由磁致式位移传感器测量,内置于作动器活塞.负荷传感器为轮辐式传感器,安装在阻尼器和横梁之间.作动器由伺服阀控制.伺服阀及其阀块安装在作动器上,以尽可能减少阀口与作动器间的连接距离,提高频响.前支座作动

11、器伺服阀塞杆导向柱夹紧缸殿座萋堡移动横梁法兰法兰传感器图2试验台主机结构原理图主机的设计要保证其足够的刚度,从而有利于测试精度的提高.同时,主机的固有频率要避开系统工作频率,以免引起共振.这些都是一般主机设计中需要注意的问题.在主机中,前支座,后支座将作动器固定,横梁可以沿导向柱滑动,从而根据需要调节试验空间.在调整到位置后,靠液压夹紧装置将横梁与导向柱固定.同一般丝杠螺母固定方式相比,液压夹紧方式的空间调节要方便得多,同时导向柱为两根光柱,在安装时无需加预紧力来消除螺纹间隙.为了使得液压夹紧可靠,而且又不因选择过高的工作压力和过大的夹紧缸而浪费资源,液压夹紧装置的合理设计非常关键6.横梁与导

12、向柱的夹紧过程如图3所示,图3(a)为初始状态,假设导向柱正好在孔的中心.当横梁受到夹紧力P的作用后,横梁产生悬臂梁变形,最先变形的是横梁最薄弱的位置,即沿孔的中心纵向截面处.夹紧的第一步是横梁和导向柱两点接触,如图3(b)所示.由于导向柱的一端基本处于自由状态,在夹紧力的进一步作用下,立柱被推向右端,最终近似为图3(c)所示的3点夹持状态.此时导向柱的受力状况如图3(d)所示.横梁受到的力与图3(d)所示的力方向相反.选取夹紧缸的直径为D,活塞杆的直径为d,则(a)尸(d)(e)图3夹紧过程示意图夹紧缸产生的夹紧力为F=_”IL(D.一d.)选择横梁与导向柱之间的最大配合间隙为Y.在横梁与导

13、向柱处于夹紧状态(如图3(c)时,沿作用力P的方向横梁的变形量约为2,此变形量需要消耗一部分夹紧力,根据2一笳可计算得到,其中:,为横梁的极惯性矩,则作用在导向柱上的力为PFF.对横梁的最先变形点B取力矩,可得=0PI一N鲁则每个立柱每侧的正压力N:=4_lp夹紧力为横梁与导向柱产生的摩擦力为F,=2F,=2N其中:为横梁与导向柱间的摩擦系数.根据此计算方法,液压夹紧装置选择每侧3个夹紧缸,每个夹紧缸产生的夹紧力为0,46X10N,则两根导向柱产生的夹紧力为F=6F,=2.22X10=2220kN取摩擦系数为0.1,则横梁与导向柱之间的摩擦力为2220kN,可以满足1000kN试验力的要求(安

14、全系数为2,22).4测控系统的原理与功能试验台的控制方框图如图4所示.由液压伺服阀控制作动器,来实现冲击振动功能.根据功能要第3期刘银水等:液压阻尼器动静态性能试验台的设计研究207求,试验台既要控制力又要控制位移.因此,系统由两个回路构成:由伺服阀,液压缸及位移传感器和测量放大器构成的位移控制回路;由伺服阀,液压缸,力传感器及其测量放大器构成的力控制回路.图4试验台组成原理测控系统以工控机作为下位DDC计算机,高性能微机作为上位管理计算机而组成的计算机监督控制系统(SCC).下位工控机及系统放在试验台现场,上位计算机放到机房或单独的操作室,它们之间具有联网通讯功能.上位机相当于”大脑”,可

15、方便地进行加载通道,加载力,加载方式的选择,为操作人员提供友好的人机界面和提示帮助信息,主要功能有:a.发出指令给下位计算,令其执行相关操作;b.接受下位机测得的各参数,计算出最优设定值和/或最优控制量回传给下位计算机进行控制;C.负责实时数据库动态更新,文档整理,打印等.下位机用来完成实时数据采集,分析和控制,主要包括:接受上位机的指令,执行相关操作;采集处理数据等.5结束语液压阻尼器动静态性能试验台涉及到机电液等多学科的知识,结构比较复杂,造价也很昂贵.本文对试验台的液压动力源,主机及控制系统设计中的一系列问题进行了探讨,这些问题的解决为试验台的研制成功提供了保证,同时对其他类似试验台的设

16、计具有一定的参考价值.试验表明,该试验台较好地满足了设计要求,完全满足阻尼器的试验需求.参考文献1王钧功.液压阻尼器研究J.液压气动与密封,1998(1):1521.2骆涵秀.试验机的电液控制系统M.北京:机械工业出版社,1991.3路甬祥.液压气动技术手册M.北京:机械工业出版社,2002.4官忠范.液压传动系统M.北京:机械工业出版社,1989.5王春行.液压伺服控制系统M.北京:机械工业出版社,1981.6杨可森.PWS一1000型电液伺服动静万能试验机的机一气一液夹紧装置设计J.机床与液压,2002(3):2012O2.第一作者简介:刘银水男,1973年1O月生,博士,副教授.主要研究方向为水压传动基础技术及其元件的研究,水压传动技术的工程应用,电液控制工程.Email:liuwater