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浙江工业大学硕士学位论文 新型高频电液激振器的设计及其频率控制研究 摘要 i i i i iii il lrl li i ii iii ij y 1810 7 9 5 振动试验作为现代工程技术领域中的一项基本试验，广泛应用于 许多重要的工程领域，如火箭、卫星的环境试验；工程材料高频疲劳 试验；汽车、行走机械的道路模拟试验等。液压振动台由于其输出力 大的特点正被广泛应用于实际工业中，但是它的激振频率范围受限制 于伺服阀的频宽。针对目前国内高频电液振动台的研究难题，本文设 计出了新型的高频电液激振器。该电液激振器采用2 d 阀控制液压缸实 现高频振动方案，通过控制阀芯的转速与阀芯的轴向位移就能分别控 制激振器的激振频率和幅值。文章详细阐述了电液激振器的工作原理 给出了切实可行的系统总体设计方案；建立了电液激振器的数学模型 并对其进行m a t l a b 仿真；最后着重研究了电液激振器的频率控制，设 计出了基于动态c 语言的频率控制软件。本文的各个章节的内容简述 如下： 第一章，首先对与本论文研究主题有关的文献进行了综述，接着 阐述了论文的研究意思和目的，最后列出了本课题的主要任务。 第二章，本章首先介绍了新型高频电液激振器结构和工作原理， 然后根据实际给定的参数对电液激振器主要参数进行了设计和计算， 最后介绍了电液激振系统硬件的选取和测控软件的总体设计。 l 浙江工业大学硕士学位论文 第三章，建立了电液激振器的数学模型并对其进行仿真和分析，为 电液激振器的进一步优化设计和实验研究提供了理论依据。 第四章，本章首先介绍了步进电机及其控制方法，重点介绍了步 进电机的加减速控制，设计了电液激振器频率控制软件和简单的上位 机控制软件，并进行了相关实验。 第五章，本章对论文的研究内容进行了总结与展望。， 关键词：高频激振器，2 d 阀，频率控制，步进电机 i i 浙江工业大学硕士学位论文 d e s i g no fn e w h i g h f r e q u e n c y e l e c t r o h y d r a u l i cv i b r a t i o ne x c i t e ra n d r e s e a r c ho ni t sf r e q u e n c yc o n t r o l a b s t r a c t v i b r a t i o nt e s t ，b e i n gaf u n d a m e n t a lm e a n so ft h ee x p e r i m e n t a l s c i e n c e ，h a sw i d e l yb e e na p p l i e di nm a n yf i e l d so fm o d e mi n d u s t r y , s u c ha s t h ev i b r a t i o nt e s tf o rt h er o c k e t sa n d s a t e l l i t e s ，t e s to ff a t i g u es t r e n g t ho ft h e e n g i n e e r i n gm a t e r i a l su n d e rh i g h f r e q u e n c yc i r c u l a t e df o r c ea n dv i b r a t i o n t e s t t ot h er o u g h n e s so ft h er o a df o rt h ev e h i c l e sa n dm o b i l em a c h i n e r y e l e c t r o 。h y d r a u l i cv i b r a t i o nt a b l ei sc h a r a c t e r i z e db yt h el a r g e ro u t p u tf o r c e ， b u ti t sf r e q u e n c yb a n d w i d t hh i g h l yd e p e n d so nt h er e s p o n d i n gs p e e do f t h e s e r v ov a l v e ，w h i c hc a nn o tb ee n h a n c e dt oav e r yh i g hl e v e l ad e s i g no f e l e c t r o h y d r a u l i cv i b r a t i o ne x c i t e r i s p r o p o s e d ，w h i c hi si n t e n d e dt o p r o m o t et h ev i b r a t i o nf r e q u e n c yi nal a r g es c a l e i nt h ee l e c t r o h y d r a u l i c v i b r a t i o ne x c i t e r ，t h ea m p l i t u d ea n dt h ef r e q u e n c ya r es e p a r a t e l yc o n t r o l l e d b yt h el i n e a rm o t i o na n dr o t a r ym o t i o nr e s p e c t i v e l y t h ew o r k i n gp r i n c i p l e i i i 浙江工业大学硕士学位论文 o fn e we l e c t r o h y d r a u l i cv i b r a t i o ne x c i t e ri sf i r s ti n t r o d u c e d t h ed e s i g n s c h e m eo fw h o l es y s t e mi st h e np r e s e n t e d ，a n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h ev i b r a t i o ne x c i t e ri sa l s oe s t a b l i s h e di no r d e rt os i m u l a t ei t b yu t i l i z i n g t h es i m u l a t i o n s o f t w a r e m a t l a b f r e q u e n c y c o n t r o lo ft h e e l e c t r o - h y d r a u l i cv i b r a t i o ne x c i t e rw a ss p e c i a l l yr e s e a r c h e di nt h el a s tp a r t o ft h et h e s i s ，a n dt h ec o n t r o ls o f t w a r ei sd e s i g n e db y u s i n gt h ed y n a m i cc e x p l o r es y s t e m t h em a i nt a s k so ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s i nc h a p t e ro n e ，as u m m a r yo fs o m er e l e v a n ti n f o r m a t i o na b o u t t h eh i s t o r ya n dt r e n do ft h i sr e s e a r c hi sm a d e t h em e a n i n g ，p u r p o s ea n d t h em a i nt a s k so ft h i st h e s i sa r eg i v e n i nc h a p t e rt w o ，t h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h i sn e w e l e c t r o h y d r a u l i cv i b r a t i o ne x c i t e ri si n t r o d u c e d ，t h ed e s i g na n dc a l c u l a t i o n a b o u tt h ee x c i t e ro nt h eb a s i so f p r a c t i c a lp a r a m e t e ri sm a d e ，h a r d w a r ea n d s o f t w a r ed e s i g no ft h ee l e c t r o - h y d r a u l i cv i b r a t i o ns y s t e ma r ei n t r o d u c e da t l a s t 。 i nc h a p t e rt h r e e ，t h es i m u l a t i o na n da n a l y s i sb y e s t a b l i s h i n g m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ev i b r a t i o ne x c i t e ri sm a d e ，w h i s hp r o v i d e st h e t h e o r yb a s i sf o rt h ef u r t h e rd e s i g na n de x p e r i m e n t i nc h a p t e rf o u r , t h es t e p p i n gm o t o r a n di t sc o n t r o lm e t h o da r e i n t r o d u c e d t h es e g m e n ts p e e dc o n t r o ls c h e m eo f s t e p p i n gm o t o ri sm a i n l y e x p o u n d e d t h e s o f t - w a r e d e s i g n a b o u t f r e q u e n c y c o n t r o lo ft h e e l e c t r o - h y d r a u l i cv i b r a t i o ne x c i t e ri sm a d e a n dt h ee x p e r i m e n ta b o u t i v 浙江工业大学硕士学位论文 f r e q u e n c yc o n t r o lo ft h ev i b r a t i o ne x c i t e ri sb r i e f l yd e s c r i b e di nt h el a s tp a r t o ft h i sc h a p t e r i nc h a p t e rf i v e ，as u m m a r ya n dap r o s p e c to ft h i st h e s i sa r ep u t f o r w a r da st h ec o n c l u s i o n k e y w o r d s ：h i g h - f r e q u e n c yv i b r a t i o ne x c i t e r ，2 dv a l v e ， f r e q u e n c yc o n t r o l ，s t e p p i n gm o t o r v 浙江工业大学硕士学位论文 符号说明 q o 泵输出流量，l n u n b c 阻尼系数，n s m q l 通过阀口a 的流量，l r a i n k 上弹簧刚度。n m q 2 _ 通过阀口b 的流量，l n d nt 油液的弹性模量， q 3 通过阀口c 的流量，l m i n c j 流量系数； q 4 通过阀口d 的流量，l r r d n 。p 油液密度，k g m 3 q 工进入负载腔的流量，l m i nm 活塞杆质量，磁 e 泵出口压力，砌 p 。负载腔压力，忍 p l 液压缸左腔压力，砌 p 2 液压缸左腔压力，砌 k 液压缸左腔容积，m l 液压缸右腔容积，m l 彳i 阀口a 的开口通流面积，m 2 彳2 阀口b 的开口通流面积，m 2 4 阀口c 的开口通流面积，m 2 a 4 阀口d 的开口通流面积，m 2 彳p 活塞有效作用面积，m 2 屹d 阀阀芯位移量，m m 工，活塞位移量，m m m 负载质量，磁 c p 泄露系数， 口c 阻尼系数，n s m k 弹簧刚度，n m 国2 d 阀阀芯旋转角速度，t a d s z 2 d 阀阀芯沟槽数； 厂激振频率；h z 日激振幅值；m m v i 浙江工业大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t ，i i i 符号说明v i 目录v i i 第一章绪论1 1 1 振动试验概述j 1 1 1 1 振动试验及其重要性1 1 1 2 现有的三种振动台及其比较：2 1 2 电液式振动台的国内外研究现状与发展5 1 3 液压c a t 技术概述7 1 3 1 液压c a t 技术的发展7 1 3 2 液压c a t 系统的构成及特点8 1 4 论文选题的意义及课题任务9 1 5 本章小节1 0 第二章新型高频电液激振器的设计1 l 2 1 电液激振器的工作原理一1 1 2 2 高频激振阀的结构设计1 3 2 3 电液激振器主要参数的设计和计算1 5 2 3 1 高频激振缸主要尺寸的确定1 5 2 3 22 d 阀的参数计算。1 6 2 3 3 电液激振器振动参数的设计1 8 2 3 4 液压缸流量的计算2 2 2 4 硬件组成与控制原理：2 3 2 5 系统的测控软件一2 8 2 6 本章小节3 l 第三章电液激振器数学模型的建立及仿真3 2 3 1 阀口节流面积求解3 2 3 2 数学模型的建立3 6 3 3s i m u l i n k 非线性仿真4 3 3 4 线性化模型的建立5 l 3 5 本章小节5 5 第四章电液激振器频率控制研究5 6 4 1 步进电机概述5 6 v i i 浙江工业大学硕士学位论文 4 2 步进电机的运行控制5 9 4 3r a b b i t 3 0 0 0 的定时原理：6 1 4 4 电液激振器频率控制软件的设计6 3 4 4 1 动态c 开发系统6 3 4 4 2 软件设计6 4 4 5 电液激振器频率控制实验6 8 4 5 1 实验原理及实验装置6 8 4 5 2 上位机软件7 2 4 5 3 实验数据及分析，7 2 4 6 本章小节7 4 第五章总结与展望7 5 5 1 论文的总结7 5 5 2 后续展望7 6 参考文献7 7 附录部分程序及图纸8 0 致谢9 1 攻读学位期间发表的学术论文目录9 2 v i i i 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 【内容提要】本章首先介绍了课题研究的背景，并且着重介绍 了电液式振动台的研究现状，然后概述了液压c a t 技术，最 后阐述了本论文的选题意义和主要的工作量。 1 1 振动试验概述 1 1 1 振动试验及其重要性 振动是指物体经过它的平衡位置所作的往复运动或系统的物理量在其平均 值( 或平衡值) 附近的来回变动。振功是自然界最普遍的现象之一。大至宇宙，小 至原子粒子，无不存在振动。各种形式的物理现象，诸如声、光、热等都包含振 动。人们的生活离不开振动：心脏的搏动、耳膜和声带的振动都是人体不可缺少 的功能；人的视觉靠光的刺激，而光本质上也是一种电磁振动；生活中不能没有 声音和音乐，而声音的产生、传播和接收都离不开振动。 在工程技术领域中，振动现象也比比皆是n 2 1 。例如，桥梁和建筑物在阵风 或地震激励下的振动。飞机和船舶在航行中的振动，机床和刀具在加工时的振动， 各种动力机械的振动，控制系统中的白激振动等。工业生产中的各种材料、零部 件、构件以至整机或整个建筑物都需要经过振动试验才能确定它们的力学性能。 在了解这些性能之后才能使设计更加合理，使用更加可靠，也只有经过试验，才 能确定产品性能的优劣。因此振动试验是现代工程技术领域中的一项基本试验， 它广泛应用于许多重要的工程领域，如导弹、火箭的环境试验；汽车、行走机械 的道路模拟试验；工程材料试验；水坝、高层建筑的抗震试验等。还有“神五”、 “神六”的成功发射也离不开振动试验。振动台作为振动试验的标准设备，其性 能直接影响到试验的结果；其水平在很大程度上影响到其他各个行业的发展，在 国民经济发展中占有相当重要的地位，它的发展水平在某种程度上反映了一个国 家的工业发展水平。因此，对振动台的研究是非常重要的基础研究，世界各国都 很重视振动试验技术和振动试验系统的研究开发工作。 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 2 现有的三种振动台及其比较 测试振动系统的参数，判断零件、部件及整机的动力强度，校准传感器时， 需要一个产生振动的设备。振动台及激振器就是能够产生振动的设备。振动台和 激振器的主要区别在于：振动台的容量和体积较大，一般是固定式的，具有一个 台面，试件安装在台面上；激振器的容量和体积较小，一般是可以移动的，激振 器通过顶杆与试件接触。振动台和激振器的工作原理是一样的。 按照工作原理，振动台主要可以分成三大类：机械式、电动式及电液式啪。 机械式振动台是人们最早开始研制的一类振动台，第二次世界大战前，由于航空、 航天等方面对振动试验的要求，以前的材料试验机已经不能满足需要，于是人们 开始进行振动台的研制，机械式的振动台就应运而生。早期机械式的振动台负载 重量只有几十千克，频率仅为0 8 h z l o h z 左右。随着航空、航天、原子能、建 筑、机电设备、兵器、轻工等各方面的发展需要，各种形式的振动台越来越多， 又研制出了电动式振动台和电液式振动台。 机械式振动台“5 按工作原理又可分为偏心式机械振动台和离心式机械振动 台两种类型。偏心式机械振动台是通过曲柄一连杆机构或偏心轮一连杆机构直接一 驱动的一类振动台。偏心式机械振动台的工作原理是比较简单的。马达通过变速 机构直接带动曲柄连杆机构或者偏心轮一连杆机构，就能够使连杆及台面作往 复振动，如图1 1 所示。偏心式机械振动台频率范围一般为l 5 0 h z ，可得到 较大的振幅，但其振幅不可调。离心式机械振动台一般是通过偏心质量块的旋转 产生激振力来驱动振动台，使台面作周期性正弦振动。离心式机械振动台振动台 面的振动频率范围，主要是根据轴承、连杆、齿轮等传动件强度、马达的转速、 及所需要的振幅的大小确定的，一般为5 l o o h z ，振动台负载一般为5 0 - - - - 1 0 0 0 0 n 。机械式振动台主要应用于成型机等。其优点是：结构简单，成本低；其 缺点是：上限频率较低，波形失真较大，并存在机械杂波。 2 浙江工业大学硕士学位论文 工作台面 附加弹簧 连杆 图1 1 机械式振动台 电动式振动台嘲啪是应用最多的试验台，在各高校、研究所、计量单位应 用比较普遍。图1 2 阻3 是电动式振动台的结构图。电动式振动台是将交流电输入 磁场中的线圈，利用通电线圈在均匀磁场中产生的洛仑磁力来提供振动台运动部 件的驱动力，驱动线圈及台面产生周期性正弦振动或随即振动。电动式振动台波 形失真度较小，工作频率范围大，一般小型电动式振动台的频率范围为0 1 0 k h z ，大型电动式振动台频率范围为o - - 2 k h z 。例如，目前我国计量领域使用 的振动台为丹麦b k 公司4 8 1 2 型振动台即为这种类型，其频率范围为2 0 - - - 2 0 0 0 h z ，振幅为l 2 0 0 m s 2 。又如苏州振动仪器总厂生产的d 一4 5 0 0 0 通用电动振 动台其激振力从1 0 0 0 n - - i o o o o n ，频率范围从5 h z - - 4 5 0 0 h z ；最大位移为2 5 r a m ； 最大承载能力达2 0 0 k g 阻1 0 o 电动式振动台其缺点是大工作台面不易制作，设备 结构复杂，振动位移有限。传统的电动式振动台采用的是双线圈单磁隙技术，其 推力较小。为了提高推力，在振动测试领域居于领导地位四十余年、生产和设计 高性能振动测试系统的厂商l d s 测试测量公司采用了独特单个励磁线圈驱 动的双磁隙技术，生产了v 9 振动台，推力可达1 0 5 k n ，最大正弦推力可达2 8 9 k n 。 浙江工业大学硕士学位论文 图1 2 电动式振动台 用电子线路控制、由液压系统驱动的振动台，称为电液振动台。电液式振动 台主要由动力源、伺服阀和液压缸等组成( 图1 - - 3 ) n ，电液式振动台是利用 伺服阀控制液压缸驱动振动台作周期性正弦振动。频率范围一般为2h z - - l o o h z ， 最大可达1 0 0 0 h z ；台面负载可达数万牛顿。电液振动台的主要优点是：激振力 大、承载能力大、振幅大、工作频率的下限可以达到零赫兹；在某个频率范围内， 为了保证电液振动台台面得到所需要的运动量( 例如位移或激振力) ，可以采用反 馈控制，也可以实现随机振动及几个电液振动台进行同步运行；另外单位体积的 激振力大、体积比较小、台面没有磁场影响。电液振动台的缺点是：难于在高频 区工作仅适用于在低频区及中频区进行振动试验；液压系统的性能容易受温度的 影响，对油液要求高、造价贵、维修复杂；由于油泵的压力脉动，油液压缩性引 起的共振、液压密封件的因素等，使得波形失真比电动振动台大。 图1 3 电液式振动台 表1 1 给出了这三种振动台的主要性能的比较。通过比较，我们可以看出， 机械式的振动台由于出力小、结构复杂而且不能结合计算机进行自动编程，一旦 4 浙江工业大学硕士学位论文 制造以后就无法根据具体要求进行更改，因此在实际应用中受到很大的限制，很 少使用。电液式振动台的作用力大，既可以在较低频、较长行程下工作，也可以 在较高频、较短行程下工作，而且配合计算机进行控制能任意改变其试验波形而 方便的实现自动化控制；在需要很大作用力的时候，由于体积较小、结构紧凑， 还可以用几个液压缸并联进行工作，但它的频率范围比电动式振动台略低，波形 失真也比电动式振动台略大些。尽管如此，它还是以其优良的性价比在实际应用 中拥有压倒性的优势。 表l 一1 三种类犁振动台主要性能对照表 泳芝 机械振动台电动振动台电液振动台 最大推力小中大 最大位移小中大 频率范围窄 宽较宽 波形种类正弦正弦、随机正弦、方波随机等 波形失真度较大小较小 自动编程 不能能 能 位移、速度位移、速度 控制参数 位移 加速度加速度 抗偏载能力较差好较好 控制精度 差小推力时高 大推力时高 性价比高大推力时高小推力时高 1 2 电液式振动台的国内外研究现状与发展 自5 0 年代中期以来，国外对电液式振动台进行了研究。6 0 年代末期美国 加州大学伯克利分校建立了第一台水平和垂直同时工作的6 1 m x6 1 m 双向地震 模拟振动台。日本国立防灾科学技术中心建立了当时世界最大的1 5 m x1 5 m 台面、 载重lx1 0 6 k g 的垂直或水平单独工作的大型地震模拟工作台。现在国外一些大 公司，如美国m t s 、英国的i n s t r o n 、瑞士的a m s l e r 、德国的s h e n c k 、日本的岛 津等先后生产了各种系列的电液式振动台，以美国m t s 公司的振动台技术最具有 特色，可实现多种试验波形( 包括组合波形) 的加载试验，硬件集成度高，体积 小。目前国外大推力( 5 0 k n ) 以上电液式振动台工作频率已经达到1 0 0 0 h z n 羽。 我国研究液压振动技术时间比国外晚了十年左右，从6 0 年代中期开始，由 5 浙江工业大学硕士学位论文 于大推力需要，1 9 6 6 年开始至1 9 6 9 年由机械部和电子部合作，研制出我国第一 台国防系统专用的2 0 0 k n 电液式振动台。此后由中国航空工业总公司3 0 3 研究所 研制的y z t l o c 电液式振动台已经达到1 0 0 0 h z 。国内各高校也进行了电液式振 动台的研究。中国水科院从德国s c h e n c k 公司引进了5 m x 5 m 三向六自由度地震 模拟台。大连理工大学从美国m t s 引进3 m x 3 m 单向水平振动台。但目前国内振 动台无论是电动式振动台还是电液式振动台主要以引进改造为主，例如，东北电 力试验研究院就在丹麦的4 8 1 2 型电动台上进行改造以满足其计量标准的需要； 上海同济大学从美国m t s 引进了4 m 4 m 的双向水平地震模拟试验台，在其基础 上改造为三向六自由度n 3 1 。但鉴于振动台的重要性，国外一直对我国禁运。以前， 西方国家对中国禁运一吨级以上的电动振动台；时至今日，5 吨级以上振动台仍 被禁止运到中国销售。这也是本研究提出的一个重要原因。 近几年来电液式振动台的研制工作有以下新的发展趋势：。 第一、向着高频电液伺服系统的方向发展。 目前，随着科学技术的发展，促使振动台向超高频、大推力、大形成发展。 高频电液伺服系统的发展是为了满足工程实际的需要。对航天、航空等新技术产 品进行振动环境模拟实验时，需要大吨位( 1 0 0 0 k n 以上) 、高工作频串( 1 0 0 0 h z 以 上) 的液压振动台特别希望液压振动台的上限工作频率能够达要i l j 2 0 0 0 h z ，这样就 可以在一个液压振动台上完成整个频段的振动环境模拟实验，而不是低频段实验 在液压振动台上进行，高频段实验在电磁振动台上进行。电液伺服系统的工作频 率的高低，主要取决于伺服阀频宽的高低。因此，提高电液伺服阀频宽的研究从 未停止过。 第二、向智能控制及智能材料技术的发展。 在高频电液伺服阀的开发中，采用了压电陶瓷材料、电致伸缩材料或磁致伸 缩材料等智能材料作为电液伺服阀的电一机械转换装置。这些新材料具有工作频 率高、出力大的优点，但同时也有输出位移量小的致命弱点。所以，不少人在位移 量放大方面做工作，以期望获得突破。采用这些新材料作伺服阀的电一机械转换 的高频大流量伺服阀至今未研制出来，仅仅做到了伺服阀在小流量时的高频输 出。随着这些新型材料在性能上的不断完善与技术的进步，一旦能够大位移直接 驱动伺服阀的先导级，无疑可大大提高电液伺服阀的频宽。 6 浙江工业大学硕士学位论文 随着智能控制及智能材料技术的发展，利用机敏材料作为传感元件和制动元 件的智能结构振动控制得到了长足的发展。 1 3 液压c a t 技术概述 目前，电液测试试验台主要有两种类型：一种是传统的手工测试、记录类型： 另一种就是计算机辅助测试( c o m p u t e ra id e dt e s t 简称c a t ) 类型。传统手工测试 系统利用按钮、信号发生器、记录仪、示波器等来实现，测试成本高、结构复杂， 测试时受人为因素影响大，测试精度低。随着信号处理技术和计算机技术的发展， 出现了一种新型的测试系统，即c a t 系统，是建立一套计算机数据采集和数字控 制系统，与试验台连接起来，由计算机对各试验参数，如压力、流量、转速、温 度等参数进行数据采集、量化和处理并输出测试结果。在试验过程中，计算机还 可以根据数字反馈或人工输入要求，对测试过程进行控制，达到计算机密切跟踪 和控制试验台及试件状态的目的，从而高速、高精度地完成对液压产品的性能测 试。该系统利用计算机编程、数据处理技术代替传统的手工数据处理方法，测试 部分操作简单，提高了测试的精度n 帕。 1 3 1 液压c a t 技术的发展 自六十年代以来的二十多年中，电子技术飞速发展，大规模集成电路的出现、 数字化仪表的大量应用、数字计算机的推广和使用等，在此基础上，国外己有了 以计算机为主体的自动测试系统。随着计算机的广泛使用，液压测试己开始采用 c a t 技术。7 0 年代初，美国、德国、日本等国己相继应用微处理器配套专用设备 对伺服阀进行调试和数据处理。7 0 年代后期国内已开始这方面的开发研究。国内 也有许多高等院校及科研单位正在迸行液压c a t 的研究工作，并在液压工作的测 试中得到一定应用。我国己经研制出一些具有较高性能的液压计算机辅助测试系 统，如机械部北京自动化研究所研制的液压元件计算机辅助测试系统，该系统可 完成阀和泵的性能测试；北京理工大学研制的液压泵( 液压马达、液压泵一液压 马达传动系统) 工作特性的计算机辅助试验系统：上海交通大学及昆山液压件厂 共同研制的液压阀特性实验系统等等n 纠耵。在一些测试系统中，计算机不仅是数 据采集和处理的中心，而且完成控制试验条件、补偿传感器的非线性、安排试验 7 浙江工业大学硕七学位论文 程序、完成输出特性曲线及数据文件等工作。 1 3 2 液压c a t 系统的构成及特点 液压c a t 系统由硬件系统和测控软件两部分构成。其中硬件系统主要是完成 数据采集和通讯的任务，包括计算机、传感器及信号调理装置、输入一输出接口 等。从测试系统的功能看，液压c a t 系统主要有两种模式：一是计算机对测试装置 进行控制并完成测试过程数据采集、处理一体化的系统。二是计算机不对测试装 置进行控制，只进行数据采集、信号处理和试验结果输出的系统n 7 】。 传统的液压c a t 采用单片机，而现有c a t 系统的主机以工控机为主。工控机的 微处理器c p u 速度不断提高，极大地提高了测试系统的数值处理能力。 传感器是把各种物理信号转换成电信号的器件，它是测控系统与液压系统之 间沟通的桥梁。传感器的类型有很多，如测量温度的传感器有热电偶、热敏电阻 等；测量机械位移的有电感位移传感器、光栅位移传感器等；此外，又不断涌现 出新的传感器，如光纤传感器。现已实现的传感信息量有力、温度、线位移、角 位移、加速度、液位、扭矩、应变等。如今，传感技术向集成化、多功能化、智 能化方向发展。现在已经能够把敏感元件、信号处理电路以及电源部分集成在同 一基片上，从而使检测及信号处理一体化。在液压技术范畴内，所要测量的物理 量一般是压力、流量、力、扭矩、位移、转速、速度、加速度、噪声和温度等非 电物理量。在这些测量中通常是通过某些物理效应，将非电量转换成电量，然后， 再进行放大、转换、显示记录或控制。 沟通计算机与传感器的桥梁就是输入接口。输入接口包括模拟量输入和开关 量输入。计算机的输出接口包括模拟量输出，定时计数器输出及数字量输出。 随着a d 和d a 转换技术、放大器、抗混淆滤波器及信号波形处理技术的进步，插 入式数据采集卡( d a q ) 采样速率达至t jl gs s ，精度高达2 4 位，通道数高达6 4 个， 并能任意结合数字i o 、模拟输入输出和定时计数器通道。 c a t 软件和c a d 软件一样，包括系统软件、支撑软件和应用软件。一般提到的 c a t 软件就是指应用软件，因为应用软件是为某一领域而研制的应用软件，故液 压c a t 软件就是液压领域的应用软件。c a t 软件主要完成实验数据的采集和处理， 硬件系统完成现场数据采集，软件则将硬件采集的数据通过数据采集输入计算 机，存储到外部设备保存起来，并可随时供数据处理程序提取进行处理，软件的 浙江工业大学硕士学位论文 数据处理部分则要完成特性值计算、打印、绘图等功能，有的c a t 系统中的软件 还可以对液压系统进行实时控制。 传统的液压c a t 采用汇编语言，或汇编语言与高级语言( b a s i c ，c 等) 混合 编程。要编制出一个图文并茂、界面友好的测控软件，要花费相当的人力和时间， 并且对编程人员技术水平要求较高。目前，很多已采用v i s u a lc + + 、v i s u a l b a s i c ，d e l p h i 等可视化编程语言环境进行编程，大大缩短了测控软件的开发时 间。很多硬件厂商也不失时机的推出了其产品在v b 、v c 下的免费驱动程序，把 底层的、复杂的硬件编程细节隐藏起来，为用户提供一个便于理解的接口，使得 数据采集和控制工作更加容易，如在本课题中用到的r a b b i t 系列微处理器便是如 此。 1 4 论文选题的意义及课题任务 振动台作为振动试验的标准设备，其性能的好坏，技术水平的高低直接影响 到各个工业领域技术的进步和发展，同时也是衡量一个国家工业技术发展水平的 重要标志。随着现代工业，尤其是航空航天等高科技领域的不断发展，对振动台 的工作频率范围和输出推力的要求也越来越高，提高工作频率范围及增大输出推 力作为重要的主题，始终贯穿振动台技术发展的整个历程。2 0 世纪7 0 年代，在中 国，振动试验台有“一吨推力一吨金之说，进口一台一吨级的振动试验台需要 花费价值一吨黄金的代价。我国的振动台技术比以前已经有了很大的进步，但是 一些关键的核心技术仍然掌握在国外大公司的手中。国内的振动台技术较国外还 是有不小的差距，而且振动台技术关系到许多高科技领域，高频率大推力的振动 台国外一直对我国实施禁运。因此，对高频电液振动台的研究具有非常重要的意 义。 鉴于目前的研究现状，本研究提出了一种电液激振的新方法并在此基础上设 计出了一种新型的高频电液激振器，该方法提出采用阀芯双自由度电液控制阀 ( 以下简称2 d 阀) 来控制液压缸实现高频振动。本课题来源于导师国家基金项目 “电液激振新方法及分解控制技术研究，因为新型的电液激振器系统是一个多 变量、非线性的复杂的工业控制系统，其中涉及到很多的控制技术和控制理论， 9 浙江工业大学硕士学位论文 本论文作者主要负责电液激振器的设计及电液激振器频率控制研究部分。论文详 细阐述了新型高频电液激振器的工作原理和设计思路，建立了电液激振器系统的 数学模型并运用m a t l a b 进行仿真，最后对电液激振器的频率控制作了研究，同时 论文还运用液压c a t 技术对以电液激振器为基础的电液控制系统的主要硬件进行 了选取和介绍，并对测控软件进行了初步研究。 论文具体所作的工作如下： 1 电液激振器工作原理分析； 2 电液激振器的结构和主要参数的设计； 、 3 电液激振器计算机测控系统的总体设计，包括系统的主要硬件的选取 和总体软件设计； 4 电液激振器系统数学模型的建立与m a t l a b 仿真； 5 电液激振器频率控制研究，包括步进电机运行控制研究、电液激振器 频率控制软件设计和电液激振器频率控制实验 论文希望通过上述问题的研究后，对电液系统的设计、分析和液压c a t 技术 有更全面的认识，对于运用m a t l a b 软件进行建模分析有深刻的理解，同时使自 己的计算机软硬件能力有了进一步提高，为今后在液压控制方面的工作的展开打 下扎实的基础。 1 5 本章小节 本章主要叙述了论文选题的背景、意义和论文所做的工作。首先介绍了振动 试验及其重要性，对现有的三种振动台：机械式振动台、电动式振动台和电液式 振动台的工作原理进行了阐述，并对它们的特性进行了比较，总结了三种振动台 各自的优缺点，接着概述了电液振动台的国内外研究现状和发展，然后简述了液 压c a t 技术，最后是本论文的选题意义和课题任务。 l o 浙江工业大学硕士学位论文 第二章新型高频电液激振器的设计 【内容提要】本章首先阐述了新型高频电液激振器工作原理，然后根据 实际给定的参数对电液激振器的结构和主要参数进行了设计和计算， 最后介绍了电液激振系统硬件的选取和测控软件的总体设计。 2 1 电液激振器的工作原理 如图2 一l ，新型高频电液激振器主要由高频激振阀、并联数字阀、液压缸、 载荷传感器及位移传感器构成。高频激振阀主要用于产生幅值和频率可调的高频 正弦激振波形，并联数字阀为一二位四通阀主要用于控制激振偏载。 位移倍感器 阀 图2 1 新裂高频电液激振器 新型高频激振器的核心是一高频激振阀( 图2 2 ) 。该高频阀具有双自由度， 即阀芯具有径向的旋转运动和轴向的直线运动，我们把它称为2 d 阀。阀芯由一伺 服电机来驱动旋转，使得沿阀芯台肩周向均匀开设的沟槽与阀套上的窗口相配合 的阀口面积大小成周期性变化，由于沟槽相互错位因而使得进出液压缸的两个容 腔的流量大小和方向以相位角1 8 0 度成周期性变化，驱动液压缸活塞做周期性的 往复运动。如图2 2 ( a ) 当p _ - a 、b - t 相通时，油缸左腔进油，右腔回油，驱动 浙江工业大学硕士学位论文 油缸活塞杆向右运动；当阀芯旋转过一定角度后，p 、a 、b 、t 都不通，油缸停止； 当阀芯再旋转过一定角度后如图2 2 ( b ) ，p _ b 、a t 相通，则油缸右腔进油， 左腔回油，使得活塞杆反向运动。阀芯的轴向运动由另一伺服电机来控制，伺服 电机带动连在阀芯上的凸轮机构旋转使阀心产生轴向位移，从而控制油路通断的 面积梯度。图2 - - 2 ( a ) 中，p _ a 、b 叫相通，此时阀口面积梯度最大，当阀芯向 左移动一位移当量，则阀口面积梯度将相应减小。因此可以通过控制阀芯的轴向 运动来控制油缸执行机构往复运动的幅值。 ( b ) 图2 2 电液激振器工作原理图 显然，电液激振器的工作频率等于阀芯的转速与每转阀芯的沟槽与阀套窗口 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 之间的沟通次数的乘积，由于阀芯为细长结构转动惯量较小，又处于液压油的很 好的润滑状态中，因而很容易实现高频激振；此外，也可通过设计增加阀芯沟槽 与阀套窗口之间的沟通次数来提高激振频率。 设阀芯的旋转速度为n ( 转分钟) ，阀芯每转其阀芯的沟槽与阀套窗口之间的 沟通次数为m ，则我们可以得到电液激振器的工作频率： 厂= 丽m n ( 赫兹) ( 2 - 1 ) 2 2 高频激振阀的结构设计 l 、太窄插座12 、步进电机l3 、太空插座24 、步进电机25 、外壳6 、齿轮l 7 ，齿轮2 8 、轴承19 、轴承安装轴 l o 、齿轮3 1 1 、堵头1 2 、阀体1 3 阀套 1 4 、阀芯1 5 、轴承21 6 、传动轴1 7 、滑块 1 8 、拨杆1 9 、联轴器 图2 32 d 阀结构图 如图2 3 ，2 d 阀主要由阀体、阀套、阀芯、传动齿轮、传动轴、滑块、拨杆、 浙江工业大学硕士学位论文 两个步进电机及其太空插座等组成( 详见附录中的装配图图纸) 。其中步进电机l 的旋转使装在步进电机1 上的拨杆通过凸轮机构产生偏心运动，带动与阀芯相连的 滑块左右移动，从而驱动阀芯产生轴向运动；步进电机2 带动传动齿轮的旋转来驱 动阀芯的旋转；装在阀体上的太空插座用来连接步进电机控制信号输入线“蚴) 。 阀芯沟槽与阀套窗口的配合关系可设计为以下两种类型，即全开口型和部分 开口型。我们把阀芯沟槽数与阀套窗口数相等情况下的配合方式称为全开口型， 如图2 4 ( a ) ：把阀芯沟槽数与阀套窗口数不相等的配合方式称为部分开口型，如 图2 4 ( b ) 。这样沟通次数聊除与阀芯沟槽数z 有关外，还与阀芯沟槽与阀套窗口 的配合关系有关。 ( a ) 全开1 ：3 裂( ”部分开口型 图2 4 阀芯沟槽与阀套窗口的配合关系 显然，当阀芯沟槽与阀套窗口的配合关系为全开口型时，其每转的沟通次数m 即为阀芯的沟槽数z 。而当阀芯沟槽与阀套窗口的配合关系为部分全开口型时， 则要相对复杂一些，此时每转的沟通次数m 可由下式求得： z 2 一f 两 ( 2 - 2 ) 其中，伪阀套的窗e 1 数，而阀芯的沟槽数z 和阀套的窗口数形必须选择合 适的值以保证求得的沟通次数m 为整数。如图2 3 ( b ) ，沟槽数z 为8 ，阀套窗口 数为9 ，则可算得每转的沟通次数m 为6 4 。 由此可得两种配合关系的电液激振器的工作频率分别为： 全开口型：z2 蠢。z ( 2 - 3 ) 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 部分开口型：。厶2 丽网n z 2 ( 2 4 ) ( 注：上式中z 和w 必须选择合适的值以保证沟通次数研为整数) 通过以上简要分析，我们可以看出采用2 d 阀控制液压缸