两轴离心机振动台激振系统设计及伺服控制策略的研究.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 两轴离心机振动台激振系统设计 及伺服控制策略的研究 应用型 黑体 2 号字 EXCITATION SYSTEM DESIGN AND SERVO CONTROL STRATEGY STUDY OF TWO AXIS CENTRIFUGE SHAKER Times New Roman 2 号字加粗 题目太长时可用小 2 号字 高高 良良 宋体小 2 号字加粗 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 2013 年年 7 月月 国内图书分类号 TP271 31 学校代码 10213 国际图书分类号 681 527 08 密级 公开 宋体小 4 号字 宋体小 4 号字 工学硕士学位论文工学硕士学位论文 宋体小 2 号字加粗 两轴离心机振动台激振系统设计 及伺服控制策略的研究 应用型 黑体 2 号字 硕 士 研 究 生 高 良 导 师 丛大成教授 申 请 学 位 工学硕士 学科 机械电子工程 所 在 单 位 机电工程学院 答 辩 日 期 2013 年 7 月 1 日 授予学位单位 哈尔滨工业大学 Classified Index TP271 31 School code 10213 U D C 681 527 08 Security classification public Dissertation for the Masteral Degree in Engineering EXCITATION SYSTEM DESIGN AND SERVO CONTROL STRATEGY STUDY OF TWO AXIS CENTRIFUGE SHAKER Candidate Gao Liang Supervisor Prof Cong Dacheng Academic Degree Applied for Master of Engineering Speciality Mechatronic Engineering Affiliation School of Mechatronics Engineering Date of Defence July 1nd 2013 Degree Conferring Institution Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 I 摘 要 本课题来自哈尔滨工业大学电液伺服仿真及试验系统研究所与中国地震 局工程力学研究所的合作项目 大型两轴液压离心机振动台的研制 离心机 振动台是岩土工程抗震领域最先进 最有效的实验设备 两轴离心机振动台 相比单轴离心机振动台而言 能够更精确地模拟岩土模型在地震环境下的响 应 因此研究两轴液压离心机振动台具有重要的现实意义 在单轴液压离心 机振动台的基础上添加垂向静力平衡式液压作动器 实现振动台的水平垂直 双向振动 本课题主要针对两轴液压离心机振动台双向激振系统的设计及伺 服控制策略的相关内容进行研究 本文介绍了两轴液压离心机振动台的结构和静力平衡式液压作动器的工 作原理 根据离心机振动台在两种典型工况下垂向液压作动器和水平向液压 作动器的受力情况设计了液压动力机构和不完全平衡型静压支承 利用自由度控制策略控制驱动冗余系统 通过对振动平台进行自由状态 下的模态分析 在传统自由度控制策略的基础上增设一个附加扭曲自由度 减少了由于驱动量的解不唯一产生的系统内力耦合 采用基于增设扭曲自由 度的控制方法设计的压力镇定控制器 减小由于零位线性化方法的局限性和 安装误差引起的系统内力耦合 研究了两轴液压离心机振动台的伺服控制策略 具体包括自由度合成与 分解控制器 压力镇定控制器 三状态控制器 在三状态控制器的设计时 考虑到水平 垂向激振器液压固有频率的差异及系统频宽的要求 采用两种 不同的方法对三状态控制器进行设计 并建立振动台伺服控制系统 Simulink 模型进行仿真分析 验证伺服控制策略的有效性 关键词 两轴离心机振动台 静力平衡式液压作动器 内力耦合 伺服控制 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 II Abstract This project namely research on large hydraulic two axis centrifugal shaker is part of a cooperation program between the electro hydraulic servo technology simulation and system test research center of Harbin Institute of Technology and Engineering Mechanics Research Center of China Seismic Bureau The centrifugal shaker is the most advanced and effective test equipment in geotechnical anti seismic area Compared with the one axis shaker the two axis shaker could simulate the response of the geotechnical model in the seismic environment more precisely making it more realistic and meaningful to research Horizontal and vertical vibrations could be realized by adding a perpendicular static force balanced actuator to the basic one axis hydraulic shaker This project mainly studies the two direction vibration actuator system design and the servo control strategy of the two axis hydraulic centrifugal shaker Structures of the two axis hydraulic centrifugal shaker and the working mechanism of the static force balanced hydraulic actuator were first introduced Also the hydraulic power mechanism and incomplete static pressure supporting were designed according to the force condition of the vertical hydraulic actuator and horizontal hydraulic actuator on the centrifugal shaker under two typical working conditions Using the degrees of freedom control strategy controls the system of redundant driver Through modal analysis of the shaker in free condition add an extra torsional freedom to the traditional freedom control strategy reducing the system inner force coupling caused by the non unique driving force The shortcomings of linearization near the zero point and inner force coupling caused by mounting error are reduced by adopting force balance controller based on the control strategy with an additional torsional freedom The servo control strategies of the two axis hydraulic centrifugal shaker was explored including freedom composition and decomposition control strategies the force balance controller and the three state controller When 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 III designing the three state controller two design methods were adopted to cover the differences of the two hydraulic intrinsic frequencies of the horizontal and vertical actuators Simulink model of the shaker was also established and simulated to verify the effectivity of the servo control strategies Key Words two axis hydraulic centrifugal shaker static force balanced hydraulic actuator inner force coupling servo control 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 IV 目 录 摘 要 I Abstract II 第 1 章 绪 论 1 1 1 课题来源 1 1 2 研究的目的与意义 1 1 3 离心机振动台系统的简要介绍 2 1 3 1 离心机振动台系统的分类 2 1 3 2 离心机振动台系统的组成部分 2 1 3 3 离心机振动台的振动方向 3 1 4 离心机振动台国内外研究现状及分析 4 1 4 1 离心机振动台国外研究现状 4 1 4 2 离心机振动台国内研究现状 8 1 4 3 两轴液压离心机振动台的研究思路 10 1 5 本文的主要研究内容 10 第 2 章 静力平衡式液压作动器的设计 12 2 1 引言 12 2 2 离心机振动台的结构和静力平衡式液压作动器的工作原理 12 2 2 1 离心机振动台的结构 12 2 2 2 静力平衡式液压作动器的工作原理 13 2 3 离心机振动台典型工况下液压作动器受力分析 14 2 3 1 垂向液压作动器的受力分析 15 2 3 2 水平液压作动器的受力分析 18 2 4 离心机振动台液压动力机构的设计 18 2 4 1 离心机振动台液压作动器的设计 18 2 4 2 离心机振动台伺服阀的选取 20 2 5 不完全平衡型静压支承及液压作动器导向带的设计 23 2 5 1 不完全平衡型静压支承的设计 23 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 V 2 5 2 液压作动器导向带的选择 26 2 6 本章小结 28 第 3 章 削弱驱动冗余系统内力耦合的研究 29 3 1 引言 29 3 2 驱动冗余系统 29 3 3 传统自由度控制策略 30 3 4 基于振动平台的模态分析提出扭曲自由度控制方法 33 3 4 1 模态分析理论 33 3 4 2 模态分析过程 34 3 4 3 模态分析结果 35 3 4 4 扭曲自由度控制方法 36 3 5 压力镇定控制器 38 3 5 1 压力镇定控制器原理 38 3 5 2 改进的压力镇定控制器 39 3 6 本章小结 40 第 4 章 两轴液压离心机振动台伺服控制策略的研究 41 4 1 引言 41 4 2 离心机振动台伺服控制系统的结构 41 4 3 液压动力机构及伺服机构的建模 43 4 3 1 液压动力机构的建模 43 4 3 2 伺服机构的建模 46 4 4 三状态控制器的设计 48 4 4 1 极点配置原理 48 4 4 2 水平激振系统三状态控制器的设计 49 4 4 3 垂向激振系统三状态控制器的设计 53 4 5 基于 MATLAB Simulink 的系统仿真分析 55 4 5 1 液压动力机构的系统仿真模型 55 4 5 2 三状态控制效果的检验 57 4 5 3 系统输出加速度响应分析 62 4 6 本章小结 65 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 VI 结 论 66 参考文献 67 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 72 致 谢 73 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 第 1 章 绪 论 1 1 课题来源 本课题来自哈尔滨工业大学电液伺服仿真及试验系统研究所与中国地震 局工程力学研究所的合作项目 大型两轴液压离心机振动台的研制 1 2 研究的目的与意义 地震是由于地壳快速释放能量以地震波的形式从震源向周围传播 从而 引起地面颤动 这种现象往往会对桥梁 楼房 堤坝等建筑物造成无法修复 的损失 严重威胁到广大人民的生命财产安全 我国位于太平洋板块和印度 洋板块交界处 受板块之间挤压作用 地震活动频繁且剧烈 1 在这样的背 景下 通过研究在地震条件下的岩土工程问题 提高桥梁 楼房 堤坝等建 筑物的抗震能力 减小地震灾害造成的损失 具有重要的意义 模型试验是以往常用的研究岩土工程抗震问题的方法 2 3 模型试验的原 理是利用几何相似将原型缩小 由于得到的岩土模型的重力比原型小得多 所以无法正常模拟岩土模型的自重力作用 4 5 但是如果把模型置于离心机系 统中 离心机高速旋转产生一个离心加速度场 使模型产生与原型相当的自 重应力 保证模型的变形与原型相似 通过振动台模拟地震环境 从而直接 模拟岩土工程问题 与此同时 离心振动试验也提供了解释岩土变形 结构 失效等问题的试验数据 这些数据可以为岩土动力学模型的推导及修正提供 依据 6 7 因此 离心机振动台系统被公认为是研究岩土工程地震环境模拟试 验最先进 最有效的实验设备 8 为了研究地震环境下的岩土动力学特性 地基液化 边坡稳定性 泥土 地基 结构间的耦合关系等 世界上很多发达国家先后研制了一系列大型离心 机振动台 并成功将这些离心振动设备应用于本国土工领域 起着极其重要 的作用 世界上已建成的土工离心机振动台约有 25 台 国外最具代表性的研 究机构包括美国加州大学戴维斯分校 美国科罗拉多大学和美国伦斯勒工学 院 国内最具代表性的研究机构包括南京水利科学研究院 清华大学和香港 科技大学 相比而言 国内离心振动台在振动负载 振动加速度 振动频宽 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 等方面 与国外先进水平有较大差距 鉴于中国严峻的地震形势和土工领域 研究的迫切需求 中国亟待研制一台具备国际先进水平的离心机振动台 9 12 本课题研究的离心机振动台在水平单向离心机振动台的基础上 增设垂向激 振系统 实现振动台的水平垂直双向同时振动 能够更加真实的模拟地震环 境 1 3 离心机振动台系统的简要介绍 1 3 1 离心机振动台系统的分类 离心机振动台系统的激振方式主要分为五种类型 机械式 压电式 电 磁式 爆炸式以及电液式 13 电液式离心机振动台采用液压伺服控制系统 是目前国际上最流行 最先进的离心机振动台 虽然电液式离心机振动台价 格昂贵 设备复杂 技术难度较高 仍有很多技术问题正处在研究和探索阶 段 但是由于电液式离心机振动台系统可以精确地采集试验数据 又能够精 确地模拟各种振幅及频率的地震波 能够承受大载荷 达到高频宽 具有较 大的灵活性 易于实现力和位移的控制并且能达到较高的精度 可以很好地 满足离心模型试验的要求 应用前景广阔 14 1 3 2 离心机振动台系统的组成部分 1 平衡配重 2 离心机传动系统 3 振动台系统置于吊篮上 4 离心机转臂 1 2 3 4 图 1 1 电液式离心机振动台三维整体图 离心机振动台主要由离心机和振动台两部分构成 另外包括一些附属设 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3 施 如试验辅助系统和土建配套设施等 15 振动台及其附属设备通过转臂安 装在离心机上 离心机通过高速旋转提供大g值重力加速度 16 18 电液式离 心机振动台系统的组成部分参看表 1 1 图 1 1 是电液式离心机振动台三维整 体图 表 1 1 离心机振动台系统的组成部分 系统组成部分 各组成部分的结构 离心机系统 转动系统 吊篮通过减震装置和平衡配重分别安装在转臂两端 传动系统 由电机 主轴 机座 转臂架 冷却系统等构成 监控系统 由计算机及相应的控制装置构成 振动台系统 台体 由振动平台 底座和支承机构等构成 激振装置 由液压作动器及相应的伺服阀构成 动力油源系统 由伺服控制系统及油泵站构成 控制系统 由计算机 控制柜 及反馈传感器等构成 1 3 3 离心机振动台的振动方向 Z Y Z Y X a TFL视图b 吊篮摆起后 图 1 2 离心机振动台振动方向 离心机振动台的振动台系统根据设计要求需要选择合理的振动方向 对 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 4 于保证离心机振动台的稳定性和试验精度具有重要意义 离心机振动台的振 动方向有 3 种 切向方向X 水平方向Y和垂直方向Z 如图 1 2 所示 由 于振动台沿切向方向X振动会使振动台与离心机转臂之间的运动耦合大大 增加 所以一般情况下振动台不沿切向方向X振动 19 20 离心机振动台沿水 平方向Y振动时 振动方向与离心力作用方向相互垂直 不受离心力干扰 离心机振动台沿垂直方向Z振动时 离心力作用在振动方向上 振动台需要 特别设置承担平台和负载的巨大离心力载荷的机构 同时还要保证在垂直方 向的激振出力 垂直方向的离心机振动台设计难度较大 因此国内外大中型 单向离心机振动台设计时 一般采用水平方向Y而不用垂直方向Z和切向方 向X作为离心机振动台的振动方向 21 22 目前 世界上的离心机振动台已经从能够实现单向水平振动和双向水平 振动发展到能够实现水平垂直双向同时振动的水平垂直双向离心机振动台 23 24 本课题研究的离心机振动台就是电液式水平垂直双向振动的离心机振 动台 1 4 离心机振动台国内外研究现状及分析 1 4 1 离心机振动台国外研究现状 本部分列举国际上两台具有代表性的离心振动系统 这两台离心振动系 统均来至于美国NEES系统 分别为 美国加州大学戴维斯分校的UC Davis 离心机振动台系统和美国伦斯勒工学院的RPI离心机振动台系统 25 30 1 UC Davis 离心振动系统 UC Davis 土工建模中心研制的离心振动系统代表着世界土工领域的最 高水平 该离心振动系统如图 1 3 所示 UC Davis 离心振动系统包含两台离 心机振动台 一台水平单向离心机振动台 一台水平 垂直双向离心机振动 台 其具体参数参见表 1 2 UC Davis 单轴离心机振动台结构如图 1 4 所示 机械机构主要包括 1 两套水平伺服作动器 2 两台三级电液伺服阀 3 模型箱台面 4 载重架 5 高压 回油蓄能器 6 剪切轴承 模型箱和载重架的离心载荷由 24 个圆 形剪切轴承承担 剪切轴承在竖直方向上是刚性的 在水平方向是自由的 为了减少离心力对油液传输特性的影响 采用 4 台蓄能器代替地面油源 作 为短时间激振的油源使用 模型箱安装在载重架上 并通过两组伺服作动器 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 5 作用驱动载重架 实现振动平台在与离心机主轴平行的方向上往复运动 两 水平作动器能够使振动平台产生高达20 30g的加速度 当应用于比例大小为 1 50 的岩土模型 可以模拟0 4 0 6g的加速度 能够模拟世界上的绝大部 分地震 图 1 3 UC Davis 离心机振动台系统 回油蓄能器 水平伺服作动器 高压蓄能器 剪切轴承 模型箱台面 载重架 图 1 4 UC Davis 单轴离心机振动台 UC Davis水平 垂直双向离心机振动台结构和尺寸如图 1 5 所示 该离 心振动台能够模拟水平 垂直两个方向的振动 更精确地模拟岩土模型在地 震环境下的响应 UC Davis的双向离心机振动台作为世界上仅有的几台能够 模拟双向振动的离心机振动台 代表着世界地震工程领域的顶尖水平 对于 土工抗震领域的研究具有极其重要的实用价值 31 33 如图 1 5 所示 两向离 心振动台是在水平单向离心振动台的基础改造而成的 通过加入三套伺服作 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 6 动器 驱动离心振动台的垂向振动 34 橡胶轴承悬架 垂直平台 蓄能器 水平作动器 水平承重架 垂直剪切轴承 垂直伺服阀 垂直作动器 高压蓄能器 水平伺服作动器 水平剪切轴承 低压蓄能器 图 1 5 UC Davis 两轴机离心振动台 2 RPI 离心机振动台系统 RPI离心机振动台系统也是NEES系统中的重要一员 如图 1 6 所示 该 离心机振动台系统的离心机由法国Acutronic公司研制生产 其简洁的机械结 构保证了该离心机的安全性 这是该离心机的最显著特点 该离心机振动台 可在垂直于离心力的平面内 进行水平双向激振 其具体参数参见表 1 2 振动台采用三套作动器完成水平两向驱动 两套伺服作动器完成水平方向的 振动 另一套作动器完成切线方向的振动 如图 1 7 所示 利用该离心振动 台可以复现一维 二维的周期 非周期 随机信号或实录地震波 从而可用 来研究岩土 结构系统在复杂激励条件下的动态响应 当不需要振动信号输入 时 该离心振动台可支撑岩土模型完成 150g的静态离心实验 35 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 7 图 1 6 RPI 离心振动系统 承重架 水平作动器 切线作动器 图 1 7 RPI 水平双向离心机振动台 表 1 2 国外大型离心机振动台的主要技术指标 名称 离心机 半径 离心加 速度 振动加 速度 最大振动 频率 最大振 动负载 最大 速度 最大 振幅 UC Davis 单轴离心 机振动台 8 5m 75g 30g 400Hz 2700kg 1 0 8m s 12 5mm UC Davis 两轴离心 机振动台 8 5m 75g 30g 300Hz水平 400Hz垂直 2000kg 1 0 8m s 12 5mm 水平 7 5mm 垂直 RPI 水平 双向离心 机振动台 2 7m 100g 30g 350Hz 250kg 1 1 1m s 6 35mm 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 8 1 4 2 离心机振动台国内研究现状 本部分列举国内两台具有代表性的离心振动系统 包括香港科技大学的 离心振动系统和清华大学的离心振动系统 1 香港科技大学的离心振动系统 香港科技大学的离心振动系统代表了现今国内土工领域的最高水平 该 离心振动系统如图 1 8 所示 另外 该离心机与UC Davis RPI离心机的驱动 方式不同 采用了一台变容量压力补偿泵来驱动离心机主轴的旋转 系统中 的离心机振动台也是一台水平双向离心机振动台 与RPI离心振动系统中的 离心机振动台类似 但在驱动布置方式上有所区别 36 38 图 1 8 香港科技大学的离心振动系统 香港科技大学的离心振动台采用了四套液压作动器来实现水平的双向振 动 每个运动方向上各两套液压作动器 作动器的布置情况如图 1 9 所示 为了使振动台准确复现目标信号 采用了模拟 数字的联合控制系统 模拟 控制部分使用压力反馈消除作动器之间的内力耦合 数字控制部分采用一种 误差修正算法来校正振动台的参考输入 从而使振动台能够完成对参考信号 的精确复现 其具体性能指标参见表 1 3 2 清华大学的离心振动系统 清华大学离心机振动台是单轴离心机振动台 实物图如图 1 10 所示 振 动平台 电液激振装置 动力油源系统以及振动电控设备是其主要结构部件 该离心机振动台设备采用条件线性滑轨 使用电液式激振技术 通过伺服闭 环控制 加速度输出精度高且失真和横振比小 能够在连续多次模拟地震波 且模拟地震波可达到较高的频率 同时采集数据精度高 12 具体性能指标参 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 9 见表 1 3 滑台 垂直作动器 切线作动器 蓄能器 图 1 9 香港科技大学离心机振动台 图 1 10 清华大学离心机振动台 表 1 3 国内离心机振动台的主要技术指标 研制 单位 离心机 半径 离心 加速度 振动 方向 振动 加速度 最大振 动频率 最大振 动负载 最大 振幅 香港科 技大学 3 4m 75g 水平 双向 35g 350Hz 300kg 3mm 清华大 学 50g 水平 单向 20g 250Hz 100kg 10mm 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 10 1 4 3 两轴液压离心机振动台的研究思路 离心机振动台作为研究岩土抗震问题最有效 最先进的实验设备 在地 震工程领域得到了广泛应用 与此同时 世界上离心机振动台系统的研制已 经从一维振动向多维振动 从低频振动向高频振动 从低负载向高负载发展 功能更加强大 可以实现更多复杂的动力离心模型试验 虽然香港科技大学 和清华大学都已经成功的建造了属于自己离心机振动台系统 但是振动负载 过小 振动方向单一等问题制约了其在岩土工程领域的应用 目前 哈尔滨 工业大学电液伺服仿真及试验系统研究所与中国地震局工程力学研究所正在 合力研制大型两轴液压离心机振动台 可以实现水平和垂直两个方向同时振 动 其最大振动负载达到1500kg 将更有利于动力离心模型试验的研究 国内外的离心机振动台系统都是使用橡胶剪切支承承载离心机振动台工 作时的离心力 从图1 5中可以看到UC Davis两轴离心机振动台上的垂直剪切 轴承 但是橡胶剪切轴承存在以下一些问题 1 非线性 影响加速度波形 2 可靠性不好 宜损坏 橡胶与金属间易脱落 3 导向性不好 停机后产生 扭曲 易造成启动时的冲击 4 振动台双向改造时 利用橡胶剪切轴承不易 实现 针对上述问题 哈尔滨工业大学正在研制静力平衡式液压作动器代替 橡胶剪切轴承 静力平衡式液压作动器由不完全平衡型静压支承与一组液压 动力机构组成 静力平衡式液压作动器的特点是 1 线性好 摩擦系数小 且没有弹性作用 2 刚度大 基本相当于刚性支撑 3 结构紧凑 可作为垂 向激振器 静力平衡式液压作动器刚度大 线性好的特点让离心机振动台能 够承受更大的负载 同时又可以提供垂向激振的出力 为实现振动台水平垂 直双向振动提供了条件 1 5 本文的主要研究内容 本文主要针对两轴液压离心机振动台双向激振系统的设计及伺服控制策 略的相关内容进行研究 1 设计静力平衡式液压作动器 介绍两轴液压离心机振动台的结构和静力平衡式液压作动器工作原理 并对离心机振动台在不同工况下液压作动器的受力情况进行分析 然后根据 受力情况设计液压动力机构和不完全平衡型静压支承 2 削弱离心机振动台各激振器间内力耦合的研究 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 11 静力平衡式液压作动器的工作特点要求振动台运动更平稳 最大限度的 削弱各激振器间内力耦合 两轴液压离心机振动台有六个激振器 控制五个 自由度 在自由度独立控制时驱动量的解不唯一 利用有限元分析软件 ANSYS 对振动平台进行自由状态下的模态分析 研究增设一个扭曲自由度使 离心机振动台的六个驱动量有确定解 并根据零位线性化方法求得自由度合 成矩阵与分解矩阵 设计基于增设扭曲自由度控制方式的压力镇定改进控制 器 进一步削弱系统内力耦合 3 两轴液压离心机振动台的伺服控制策略 介绍离心机振动台伺服控制策略的整体结构及各控制器的功能 对液压 动力机构和伺服机构进行建模 推导系统开环传递函数 然后应用极点配置 原理分别设计水平激振系统和垂向激振系统的三状态控制器 改善系统性能 最后搭建基于 MATLAB Simulink 环境的振动平台伺服控制仿真模型 对系 统Y向和Z向自由度输出位置和加速度信号进行频率响应分析 检验伺服控 制效果 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 12 第 2 章 静力平衡式液压作动器的设计 2 1 引言 本文研究的离心机振动台是在水平单向离心机振动台的基础上通过增设 垂向激振装置 使其能够实现振动台的水平和垂直双向同时振动 变成两轴 液压离心机振动台 该设备具有两种典型工况 水平单向振动和水平垂直双 向振动 首先要介绍两轴液压离心机振动台的结构和静力平衡式液压作动器工作 原理 然后分析离心机振动台在两种典型工况下垂向液压作动器和水平向液 压作动器的受力情况 根据负载参数计算各液压作动器所需的最大出力及活 塞杆尺寸 采用惯性负载对计算结果进行负载匹配 完成对液压动力机构的 设计 最后设计不完全平衡型静压支承 并选择合适的液压作动器导向带 2 2 离心机振动台的结构和静力平衡式液压作动器的工作原理 2 2 1 离心机振动台的结构 回转轴 吊篮 垂向激振器 水平激振器 蓄能器 振动平台 底部厚板 图 2 1 两轴离心机振动台吊篮组件结构图 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 13 两轴液压离心机振动台结构如图 2 1 所示 整个振动台安装在吊篮上 机械机构主要包括 1 两套水平静力平衡式液压作动器 2 四套垂向静力平 衡式液压作动器 3 振动平台 4 底部厚板 5 高压 回油蓄能器 为了 减少离心力对油液传输特性的影响 采用高压 回油蓄能器代替地面油源 作为短时间激振的油源使用 底部厚板安装在吊篮上 起固定和连接作用 内设油路 通往蓄能器和伺服阀管道 振动台有两套水平布置和四套垂向布 置的静力平衡式液压作动器 分别控制振动台在水平方向振动和垂直方向振 动 下面将详细介绍静力平衡式液压作动器的工作原理 2 2 2 静力平衡式液压作动器的工作原理 在静压支承的摩擦副中引入有压油液 支承面会产生一个与负载相反的 液压力 控制油液压强使液压力小于负载 这样虽然无法使支承面脱离接触 而形成油膜 但可以减小作用在支承上的正压力 同时支承面的粗糙度可以 渗入油液起到润滑作用 从而大大减小接触面间的摩擦力 这种工作形式称 为不完全平衡型静压支承 静力平衡式液压作动器就是结合不完全平衡型静 压支承原理来实现其功能的 一套静力平衡式液压作动器由液压动力机构和不完全平衡型静压支承组 成 如图 2 2 所示 液压动力机构包括上下两个液压作动器和伺服阀 两个 不完全平衡型静压支承分别安装在液压作动器的出力端 工作时 上下两个 液压作动器一端接高压油一端接低压油 使上下两个不完全平衡型静压支承 与振动平台紧密接合不分离 通过控制上下作动器压推动平台运动 即上下 两个单向液压作动器组成了一个对称缸结构 从图 2 1 可以看出 四套垂向 静力平衡式液压作动器均匀布置在振动台的四个角 取代橡胶剪切轴承作为 平台的支承和导轨装置 通过控制上下作动器的压差 抵消系统工作时振动 平台和负载的离心力 提高了支承的刚度 并且没有弹性作用 同时 四组 垂向静力平衡式液压作动器又可以提供振动平台垂向激振的动力 两套水平 静力平衡式液压作动器平行对称布置于振动台的两侧 其工作原理与垂向激 振器相似 作为垂向振动的支承和导轨 并为振动平台沿水平方向振动提供 动力 由于不完全平衡型静压支承可使接触面间的摩擦系数减小到原来的 10 见本章第 5 节 即支承与平台之间的摩擦力会变得很小 所以基本不会 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 14 对振动台水平垂直双向振动造成干涉 静压支撑 作动器 静压支撑 图 2 2 静力平衡式液压作动器结构示意图 2 3 离心机振动台典型工况下液压作动器受力分析 分别对离心机振动台垂向液压作动器和水平向液压作动器在两种不同工 况下的受力情况进行分析 并计算作动器所需的最大出力 离心机振动台的 负载参数 如表 2 1 所示 表 2 1 离心机振动台的负载参数 参数名称 参数值 平台质量 t m 500kg 垂向活塞杆质量 zv m 8 35kg 水平向活塞杆质量 zh m 2 50kg 水平振动负载质量 1l m 1500kg 水平 垂直双向振动负载质量 2l m 400kg 离心加速度 c a 50g 水平单向振动的最大加速度 maxh a 30g 水平垂直双向振动的最大加速度 maxv a 20g 油源压力 s P 28MPa 最大振动速度 max v 1 1m s 垂向作动器相对于平台几何中心的力臂 c r 0 609m 水平单向振动模型箱尺寸 111 lwh 水平垂直双向振动模型箱尺寸 222 lwh 平台质心到平台上表面的距离 0 135m 1 5m 0 8m 0 6m 0 8m 0 5m 0 5m 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 15 2 3 1 垂向液压作动器的受力分析 由于离心机振动台的四个垂向液压作动器对称布置 所以每个作动器的 出力情况都是一致的 垂向液压作动器出力包括以下三个方面 1 离心机转 动产生的平台和负载的离心力 2 振动台负载沿振动方向运动引起的倾覆力 矩 3 垂向激振时所需的惯性力 下面将分别就振动台的两种不同工况进行 受力分析 计算垂向液压作动器的最大出力 2 3 1 1 水平单向振动工况下垂向液压作动器的受力分析 1 离心机转动产生的最大离心力 离心机振动台水平单向振动时 垂向液压作动器需要承受平台 负载以 及垂向活塞杆在离心加速度 c a下产生的离心力 1c F 11 4 5008 35 1500 50 9 8N111 72 10 N ctzvlc Fmmma 2 水平运动引起的最大倾覆力矩 假设平台的质心与平台几何中心重合 岩土模型的质心与平台质心的距 离为 1 r 因此振动台水平单向振动时 平台的惯性力不会产生倾覆力矩 但 是岩土模型的水平惯性力 1v F会产生倾覆力矩 并通过垂向液压作动器出力 抵消倾覆力矩 垂向液压作动器相对于平台几何中心的力臂为 c r 如图 2 3 所示 离心机振动台沿径向方向Y 振动时产生的最大倾覆力矩造成的垂向 液压作动器的等效出力分别为 11q F 12q F 13q F 14q F 111max1 13141112 4 11 44 11500 30 9 8 0 30 135 N7 88 10 N 40 609 vlh qqqq cc Frmar FFFF rr 式中 表示方向相反 3 垂向液压作动器的最大出力 离心机振动台水平单向振动时 垂向液压作动器仅起支撑平台负载和固 定平台作用 不需要提供平台振动的惯性力 由图 2 3 分析可知 当离心力 与倾覆力矩引起的垂向作动器的等效出力在同一个方向时 就可得到单个垂 向液压作动器的最大出力 sh F 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 16 113 444 1 4 1 111 72 10 N7 88 10 N35 81 10 N 4 shcq FFF 垂向激振器1 垂向激振器4 垂向激振器2 垂向激振器3 岩土模型质心 上平台质心 1c F 1 r 1v F X Y Z 12q F 11q F 13q F 14q F 图 2 3 水平单向振动时离心机振动台受力分析 2 3 1 2 水平垂直双向振动工况下垂向液压作动器的受力分析 1 离心机转动产生的最大离心力 离心机振动台水平垂直双向振动时 垂向液压作动器需要承受平台 负 载以及垂向活塞杆在离心加速度 c a下产生的离心力 2c F 22 4 5008 35400 50 9 8N57 82 10 N ctzvlc Fmmma 2 水平垂直双向运动引起的最大倾覆力矩 水平垂直双向振动时与水平单向振动时引起的倾覆力矩相似 平台惯性 力不产生倾覆力矩 岩土模型的质心与平台质心的距离为 2 r 岩土模型的水 平惯性力 2v F会产生倾覆力矩 并通过垂向液压作动器出力抵消倾覆力矩 由于振动台位移很小 所以忽略振动台水平运动时质心在水平面上的移动 即垂向液压作动器相对于平台几何中心的力臂 c r不变 如图 2 4 所示 离心 机振动台同时沿径向方向Y 和垂直方向Z 振动时产生的最大倾覆力矩造 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 17 成的垂向液压作动器的等效出力分别为 21q F 22q F 23q F 24q F 222max2 23242122 4 11 44 1400 20 9 8 0 250 135 N1 24 10 N 40 609 vlv qqqq cc Frmar FFFF rr 式中 表示方向相反 垂向激振器4 垂向激振器2 垂向激振器3 上平台质心 2c F 2 r 2v F X Y Z 垂向激振器1 22q F 21q F 23q F 24q F岩土模型质心 图 2 4 水平垂直双向离心机振动台受力分析 3 垂向激振时的最大惯性力 在水平垂直双向振动工况下 垂向液压作动器除了要支撑平台负载产生 的离心力以及抵消倾覆力矩产生的作用力 还需要提供离心机振动台垂向振 动的惯性力 v F 2max 4 5008 35400 20 9 8N23 13 10 N vtzvlv Fmmma 4 垂向液压作动器的最大出力 综上所述 水平垂直双向离心机振动台工作时 垂向液压作动器除了要 支撑平台负载产生的离心力以及抵消倾覆力矩产生的作用力 还需要提供离 心机振动台垂向振动的惯性力 所以当这几个作用力在同一个方向上并同时 达到最大值 他们的合力大小就等于振动台水平垂直双向振动工况下垂向液 压作动器的最大出力 sb F 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 18 213 4444 11 44 11 57 82 10 N1 24 10 N23 13 10 N21 48 10 N 44 sbcqv FFFF 2 3 2 水平液压作动器的受力分析 水平液压作动器的受力情况要比垂向液压作动器的受力情况简单的多 离心机振动台在两种工况下 离心力方向与水平液压作动器的出力方向垂直 且不需要考虑倾覆力矩作用 因此 平台和负载水平振动的惯性力大小即为 水平液压作动器的出力 水平单向振动工况下 振动台负载质量为 1 l m 单个水平液压作动器的最 大出力 1h F 11max 4 1 2 1 5002 50 1500 30 1 9 8N31 90 10 N 2 htzhlh Fmmmag 水平垂直双向振动工况下 振动台负载质量为 2l m 单个水平液压作动 器的最大出力 2h F 22max 4 1 2 1 5002 50400 20 1 9 8N10 29 10 N 2 htzhlv Fmmmag 2 4 离心机振动台液压动力机构的设计 离心机振动台液压动力机构由垂向和水平液压作动器以及相应的伺服阀 组成 根据上一节所得的液压作动器最大出力设计活塞杆尺寸 然后采用惯 性负载对计算结果进行负载匹配 选择合适的伺服阀 2 4 1 离心机振动台液压作动器的设计 由上述受力分析可知液压作动器的最大出力 且油源压强已知 可利用 力与压强公式 2 1 计算液压作动器活塞杆的直径 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 19 2 1 4 sv Fd P 2 1 式中 s F 液压作动器的最大出力 单位为N P 液压作动器的油液压强 单位为Pa v d 液压作动器活塞杆直径 单位为m 2 4 1 1 离心机振动台垂向液压作动器的设计 在水平单向振动的工况下 4 组垂向激振器仅作支撑作用 可按照液压 作动器静出力来计算每组柱塞缸的最小活塞杆直径 1v d 静出力时 s PP 垂 向液压作动器最大出力为 sh F 由式 2 1 可得 4 1 6 44 35 81 10 1000mm127 6mm 28 10 sh v s F d P 在水平垂直双向振动工况下 4 组垂向激振器既作支撑使用 同时还要 提供垂向激振力 需按液压作动器动出力计算每组柱塞缸的最小活塞杆直径 2v d 动出力时0 8 s PP 垂向液压作动器最大出力为 sb F 由式 2 1 可得 4 2 6 44 21 48 10 1000mm110 5mm 0 80 8 28 10 sb v s F d P 综上所述 4 组垂向液压作动器的最小活塞杆直径为 127 6mm 圆整后 取活塞杆直径 v d为 135mm 2 4 1 2 离心机振动台水平液压作动器的设计 离心机振动台在水平单向振动和水平垂直双向振动时 水平液压作动器 都会提供水平向激振力 因此 两种工况下都需按照动出力计算 水平单向 振动时单个水平液压作动器的最大出力 1h F大于水平垂直双向振动时单个水 平液压作动器的最大出力 2h F 所以按照 1h F计算两组水平液压作动器的最小 活塞杆直径 h d 动出力时0 8 s PP 由式 2 1 可得 4 1 6 44 31 90 10 10001000mm134 0mm 0 80 8 28 10 h h s F d P 经圆整后 取水平液压作动器的活塞杆直径 h d为 135mm 所以垂向液压 作动器和水平液压作动器规格相同 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 20 2 4 2 离心机振动台伺服阀的选取 离心机振动台负载属于惯性负载 因此采用惯性负载轨迹进行负载匹配 为了使动力元件能够满足系统负载要求 动力元件输出特性曲线需要包围负 载轨迹 39 在水平单向振动时 当离心机振动台达到最大速度 1 1m s 最大加速度 30g时 离心机振动台的功率最大 我们在该功率最大点处进行负载匹配 设离心机振动台的惯性负载在水平振动方向上的位移 h x按正弦规律运动 sin hm xxt 2 2 式中 m x 正弦运动的振幅 单位为m 正弦运动的角频率 单位为 1 rad s 负载的速度和加速度可表示为 cos hhm vxxt 2 3 2 sin hhm axxt 2 4 式中 h v 负载的速度 单位为 1 m s h a 负载的加速度 单位为 2 m s 单个水平液压作动器的瞬态出力 hs F可表示为 11 1 2 hstzhlhtzhl Fmmmammmg 2 5 由离心机振动台负载参数可知 1 max 1m sv max 30g h a 通过式 2 3 和 式 2 4 可得 2 1 30g294 m m x x 2 6 因此可得 1 294rad s 将各参数值分别代入式 2 3 式 2 4 式 2 5 可得负载轨迹方程为 cos294 h vt 2 7 294sin294 h at 2 8 308700sin29410290 hs Ft 2 9 联立式 2 7 和式 2 9 可得水平单向振动时负载轨迹方程为 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 21 2 2 10290 1 308700 hs h F v 2 10 根据以上结论绘制水平单向振动时的负载匹配曲线 液压系统的油源压 力为28MPa 液压缸活塞杆面积为 22 0 250 135 m 选用伺服阀在阀压降 为7MPa时的额定流量为 1 630L min 水平单向振动时的负载匹配情况如图 2 5 所示 4 3 2 101234 x 10 5 3 2 1 0 1 2 3 F N V m s 负载轨迹 动力元件 输出特性 图 2 5 水平单向振