電液激振器的設(shè)計與實(shí)驗(yàn)研究

電液激振器的設(shè)計與實(shí)驗(yàn)研究

振動波形的建立電液發(fā)生器是利用電液控制技術(shù)的裝置。通常，電壓缸或帶有輔助設(shè)備的能源馬流量壓縮器的日常負(fù)荷會對被激物產(chǎn)生周期性負(fù)荷，并對被激物產(chǎn)生一定形狀和大小的擾動或激勵作用。電液激振器具有功率密度高、推力大、無級調(diào)幅、負(fù)載自適應(yīng)和操作方便等優(yōu)點(diǎn)。目前常用的電液激振器由于閥芯往復(fù)結(jié)構(gòu)原理的限制,在振動波形有較高要求時振動頻率只能限制在較低范圍內(nèi),一般小于20Hz。因此,許多學(xué)者通過設(shè)計新的電液激振器結(jié)構(gòu)突破閥芯往復(fù)激振原理的限制,在較高的振動頻率下輸出理想的振動波形,以滿足具體工程要求［1－12］。在振動波形研究領(lǐng)域,國內(nèi)外學(xué)者都取得了一些成果［13－15］。本文根據(jù)前期設(shè)計的液壓激振與夾持獨(dú)立的搗固裝置［16－19］,結(jié)合液壓激振器工作原理［20－21］,設(shè)計一種由閥芯旋轉(zhuǎn)式四通換向閥［22］和微行程雙作用液壓缸［23］組成的電液激振器。利用轉(zhuǎn)閥矩形閥口的二級節(jié)流原理對激振器建立理論數(shù)學(xué)模型,對電液激振器振動波形進(jìn)行理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過調(diào)節(jié)合適的工作頻率和閥口軸向長度可以獲得一定振幅和斜率的三角波、正弦波、梯形波。另外,結(jié)合振動波形分析,提出振動波形的飽和度新概念,對振動波形的飽和度進(jìn)行分析,為電液激振器振動波形的控制及優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。1周方向的位置差所對應(yīng)的圓心角,要求每圖1所示為電液激振器的結(jié)構(gòu)原理圖。電液激振器主要由閥芯旋轉(zhuǎn)式四通換向閥和微行程雙作用液壓缸組成,通過缸筒固結(jié)連接套撥動質(zhì)量塊在線性導(dǎo)軌上滑動的結(jié)構(gòu)來模擬搗固裝置中撥叉撥動銷軸的結(jié)構(gòu)。閥芯上每個臺肩沿臺肩兩側(cè)圓周方向均勻間隔地開有Z個溝槽,閥套在臺肩溝槽所在的位置處均開有相應(yīng)的閥套窗口,臺肩上單個溝槽所對應(yīng)的圓心角為α,臺肩同側(cè)和臺肩兩側(cè)相鄰溝槽沿圓周方向的位置差所對應(yīng)的圓心角均為4α,則α=2π/(2Z)。當(dāng)閥芯旋轉(zhuǎn)使兩臺肩右側(cè)閥口導(dǎo)通、左側(cè)閥口關(guān)閉時,P口與A口連通,B口與T口連通;當(dāng)閥芯旋轉(zhuǎn)使兩臺肩左側(cè)閥口導(dǎo)通、右側(cè)閥口關(guān)閉時,P口與B口連通,A口與T口連通。當(dāng)工作油液沿著活塞桿內(nèi)置主流道經(jīng)活塞桿左側(cè)的單向閥進(jìn)入液壓缸左腔時,活塞桿左側(cè)限位孔還處于臨界關(guān)閉狀態(tài),當(dāng)油液進(jìn)入液壓缸左腔時,左端限位孔立即部分打開,之后的運(yùn)動過程中,油液經(jīng)限位孔和單向閥進(jìn)入液壓缸左腔,缸筒開始向左運(yùn)動,同時少量油液沿著內(nèi)泄流道經(jīng)缸筒側(cè)壁內(nèi)的可變阻尼孔進(jìn)入液壓缸右腔,實(shí)現(xiàn)內(nèi)泄漏。當(dāng)液壓缸缸筒運(yùn)動到一定行程時,左側(cè)端蓋剛好運(yùn)動到左側(cè)限位孔末端,右側(cè)端蓋則完全蓋住右側(cè)限位孔,油液不再流出液壓缸,液壓缸停止運(yùn)動。工作油液進(jìn)入液壓缸右腔時的工作過程和上述相似。步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動閥芯勻速旋轉(zhuǎn),閥口過流面積大小呈周期性變化,油液進(jìn)出換向閥的流量大小及方向也發(fā)生周期性變化,從而推動液壓缸做周期性往復(fù)運(yùn)動,最終帶動外部負(fù)載質(zhì)量塊作高頻振動。根據(jù)閥芯、閥套的結(jié)構(gòu)及閥芯溝槽與閥套窗口之間的配合導(dǎo)通關(guān)系,可得電液激振器工作頻率式中m———閥芯轉(zhuǎn)速,r/minω———閥芯角速度,rad/s2模型的構(gòu)建2.1閥口旋轉(zhuǎn)情況圖2所示為閥芯及閥芯溝槽結(jié)構(gòu),該轉(zhuǎn)閥矩形溝槽節(jié)流口壓降主要集中在截面A1和截面A2,具有二級節(jié)流的典型特征。根據(jù)圖3所示閥芯溝槽流場與閥套窗口流場的導(dǎo)通關(guān)系和幾何關(guān)系得截面A1的面積不隨閥芯旋轉(zhuǎn)發(fā)生變化式中zv———閥口徑向長度,mr———閥芯臺肩半徑截面A2的面積隨著閥芯旋轉(zhuǎn)發(fā)生周期性變化式中xv———閥口軸向長度,mt———閥芯工作時間,sn———閥芯工作圈數(shù),n=1,2,3,…單個閥口過流面積Si可按A1和A2兩個截面串聯(lián)進(jìn)行等效計算。因此,根據(jù)液壓轉(zhuǎn)閥的結(jié)構(gòu)、閥口導(dǎo)通關(guān)系及流量特性,整個閥芯閥口過流面積當(dāng)P口與A口連通、B口與T口連通時,轉(zhuǎn)閥的流量方程當(dāng)P口與B口連通、A口與T口連通時,轉(zhuǎn)閥的流量方程式中Cd———流量系數(shù)ρ———油液密度,kg/m3ps———供油壓力,PapL———負(fù)載壓力,Pa2.2進(jìn)油總過流面積如圖4和圖5所示,分別為進(jìn)、回油限位孔過流面積變化示意圖。初始時刻工作油液從單向閥流過,限位孔即刻打開,隨著液壓缸位移增大,進(jìn)油限位孔過流面積由小變大,回油限位孔過流面積由大變小。進(jìn)油總過流面積等于進(jìn)油限位孔過流面積與單向閥口過流面積之和。進(jìn)油總過流面積式中d———單向閥通徑,mL———限位孔直徑,m回油總過流面積等于出油限位孔過流面積?；赜涂傔^流面積流入液壓缸進(jìn)油腔的流量連續(xù)性方程流出液壓缸回油腔的流量連續(xù)性方程液壓缸的內(nèi)泄漏流道流量式中Ap———活塞有效面積,m2Cip、Cep———液壓缸內(nèi)外泄漏系數(shù)pA、pB———液壓缸A、B腔的壓力,PaVA0、VB0———液壓缸進(jìn)、回油腔初容積,m3βe———液壓油有效體積彈性模量,Paμ———液壓油動力粘度,Pa·s2.3彈簧-阻尼系統(tǒng)為便于研究電液激振器系統(tǒng)動態(tài)特性,將負(fù)載簡化為質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng),忽略意外負(fù)載力,系統(tǒng)的輸出力與負(fù)載力平衡方程為式中mp———負(fù)載總質(zhì)量,kgBp———粘性阻尼系數(shù),N·s/mK———負(fù)載彈簧剛度,N/m3振動波形的幅值圖6所示為電液激振器液壓系統(tǒng)原理圖。系統(tǒng)壓力由電磁溢流閥調(diào)定,蓄能器吸收高頻情況下系統(tǒng)壓力波動,安裝一定數(shù)量的流量計和壓力計可進(jìn)行系統(tǒng)局部壓力和流量測量。工控機(jī)中的上位機(jī)通訊軟件發(fā)出指令信號給步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器,由步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)帶動轉(zhuǎn)閥閥芯做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,運(yùn)動參數(shù)由安裝在液壓缸體上的ICP傳感器測量,然后經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡將振動波形顯示在工控機(jī)上。電液激振器的主要參數(shù)如表1所示。圖7給出當(dāng)閥口軸向長度xv=6mm時,電液激振器在不同工作頻率下的理論振動波形和實(shí)際振動波形。由圖可知,理論波形與實(shí)驗(yàn)波形基本吻合,由于液壓缸缸體帶動負(fù)載質(zhì)量塊在滑軌上往復(fù)運(yùn)動,激振器系統(tǒng)所受的外部負(fù)載主要為慣性負(fù)載,因此振動波形為波形上升與波形下降近似對稱的對稱波。振動波形的幅值隨著工作頻率的提高而減少,當(dāng)工作頻率高于臨界值時,振動波形沒有出現(xiàn)飽和現(xiàn)象,表現(xiàn)為類三角波;當(dāng)振動波形低于臨界值時,振動波形出現(xiàn)飽和現(xiàn)象,表現(xiàn)為類梯形波。另外,由于液壓轉(zhuǎn)閥閥口加工誤差及配合間隙造成的泄漏等因素,振動波形均出現(xiàn)輕微的偏置。圖8給出當(dāng)工作頻率f=30Hz時,電液激振器在不同閥口軸向長度的理論振動波形和實(shí)驗(yàn)振動波形。理論波形與實(shí)驗(yàn)波形基本吻合,閥口軸向長度增大,單位時間內(nèi)通過閥口的流量增多,波形上升或者下降的斜率逐漸增加,振動波形的幅值也增大。當(dāng)閥口軸向長度小于臨界值時,振動波形不出現(xiàn)飽和現(xiàn)象,表現(xiàn)為類正弦波;當(dāng)閥口軸向長度大于臨界值時,振動波形出現(xiàn)飽和現(xiàn)象,表現(xiàn)為類梯形波。為了衡量振動波形出現(xiàn)飽和現(xiàn)象的程度,提出了振動波形飽和度的概念,振動波形的飽和度等于振動波形在一個周期內(nèi)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象的持續(xù)時間占振動波形周期時間的百分比。圖9所示為振動波形飽和度與工作頻率、閥口軸向長度之間的關(guān)系,理論數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致。閥口軸向長度的增大或者工作頻率降低,在單位時間內(nèi)流過閥口的流量增大,飽和度也增大,飽和度和閥口軸向長度呈非線性關(guān)系,非線性度主要受工作頻率的影響,隨著工作頻率的提高,系統(tǒng)受矩形閥口二級節(jié)流的影響降低,波形度與閥口軸向長度的非線性度也降低。4閥口軸向長度t(1)要獲得波形近似對稱的三角波、正弦波或者梯形波,需調(diào)整合適的工作頻率和閥口軸向長度。(2)工作頻率的提高或者閥口軸向長度增大都會使振動波幅值增加,且閥口軸向長度增大會使波形上升或者下降的斜率逐漸增加。(3)工作頻率高于臨界值時,波形非飽和,為類三角波;閥口軸向長度小于臨界值時,波形非飽和,為類正弦波;工作頻率低于