高频单轴电液振动台振动特性研究

摘要

电液振动台作为一种用来模拟振动环境的标准试验设备，被广泛应用于航空、航天、兵器、船舶、核工业等国防工业领域和汽车、建筑等民用工业部门。它的技术水平在某种程度上反映了一个国家的工业发展水平，因而世界各国都很重视电液振动台的研究开发工作。
　　传统电液振动台由于受电液伺服阀频响特性的制约，其工作频率不能达到较高的水平，致使目前对一些重要的军工设备进行振动试验时通常采用的方法是在电液振动台上进行低频振动试验，而高频振动试验则放到电动振动台上进行。为了改变这种现状，本论文以国家自然科学基金项目“电液激振新方法及分解控制技术研究”和浙江省重大自然科学基金项目“重载、高频电液激振技术基础研究”为背景，提出一种由2D激振阀和数字伺服阀联合控制的电液振动台方案，旨在大幅提高电液振动台的工作频率，使电液振动台实现从低频到高频的全频段振动试验。因此，这项研究工作不仅具有重要的工程应用价值，而且为高频电液振动台技术奠定理论基础。本论文的主要研究工作和成果如下:
　　(1)针对传统电液振动台的工作频率受电液伺服阀频响特性的制约难以提高的现状，提出一种由2D激振阀和数字伺服阀联合控制差动式液压缸所构成的新型高频电液振动台方案，旨在大幅提高电液振动台的工作频率，并实现高频电液振动台的工作频率达到1000赫兹。
　　(2)分析了高频电液振动台的结构组成和工作原理，对2D激振阀和数字伺服阀的结构原理进行了介绍并建立了其数学模型。在此基础上，建立了高频电液振动台的特性支配方程，为高频电液振动台的研究奠定了理论基础。
　　(3)由于2D激振阀是一种结构独特的转阀，不能采用传统的方法对其节流阀口的流量方程进行线性化处理，为此提出采用非线性系统分析方法对高频电液振动台系统进行研究，并搭建了其系统控制框图。利用Simulink建立了高频单轴电液振动台的仿真模型，对高频单轴电液振动台在不同的振动频率、2D激振阀不同的轴向开度输出的振动特性进行了仿真研究。并得到了高频单轴电液振动台工作频率为100Hz、150Hz、200Hz、300Hz、400Hz、600Hz、800Hz、1000Hz以及2D激振阀轴向开口为0.5mm、1mm和1.5mm三种情况下输出的载荷波形。从仿真波形可以看出，随着工作频率的提高，高频单轴电液振动台输出的载荷在谐振点之前由小变大，过了谐振点之后，再由大变小。这是因为在谐振点工作时，高频单轴电液振动台会出现谐振现象，振动幅值会突然增大。通过调节2D激振阀轴向开口的大小，可以控制电液振动台输出载荷的幅值。
　　(4)针对高频单轴电液振动台出现的谐振现象，利用能量守恒原理对高频单轴电液振动台产生谐振现象的机理进行研究。研究结果表明:液压缸敏感腔中的油液相当于一动态弹簧，在电液振动台工作过程中，电液振动台系统的动能、势能和总能量随时间变化。电液振动台处于谐振工作状态时，激振力的相角与速度的相角相同，激振力时刻对电液振动台系统做正功，这时电液振动台系统所获得的能量达到最大值。为了得到高频单轴电液振动台在谐振时输出的载荷波形，分别对惯性负载为45kg和67.5kg以及2D激振阀轴向开口为0.5mm、1mm和1.5mm时输出的谐振波形进行仿真研究。从仿真结果可以看出谐振时电液振动台输出的载荷幅值会突然放大。最后，对高频单轴电液振动台变谐振理论进行了理论分析和仿真研究。通过数字伺服阀控制单出杆液压缸无杆腔容积的变化实现液压系统固有频率的改变，从而使高频单轴电液振动台能够在不同的谐振频率点进行工作。并分别仿真了液压缸无杆腔长度为10mm、20mm、30mm、40mm和50mm时电液振动台输出的谐振波形。仿真结果表明，随着液压缸无杆腔体积的减小，电液振动台发生谐振的频率有所提高，验证了变谐振理论的正确性。
　　(5)为了验证新型高频单轴电液振动台的理论研究以及实际输出的振动特性，搭建了实验台架并对其进行实验研究。首先，通过改变2D激振阀的旋转速度、2D激振阀阀芯的轴向开口大小，分别测得高频单轴电液振动台在100Hz、150Hz、200Hz、300Hz、400Hz、600Hz、800Hz、1000Hz不同频率工作时实际输出的振动波形，验证了仿真结果的正确性;其次，对高频单轴电液振动台的谐振现象进行了实验研究，测得振动台惯性负载为45kg和67.5kg以及2D激振阀阀芯的轴向开口为0.5mm、1mm和1.5mm时的谐振波形，实验结果与仿真结果基本吻合;最后，通过数字伺服阀控制单出杆液压缸无杆腔容腔体积变化，测得液压缸无杆腔长度为10mm、20mm、30mm、40mm和50mm时电液振动台输出的谐振波形，从而验证了高频单轴电液振动台的变谐振理论。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 振动台概述

1．2．1 机械式振动台

1．2．2 电动式振动台

1．2．3 电液式振动台

1．3 电液振动台关键技术国内外研究现状

1．3．1 高频电液伺服阀的研究现状

1．3．2 交流液压振动技术的研究现状

1．3．3 电液振动台控制技术的研究现状

1．4 论文主要研究内容

第2章 高频单轴电液振动台工作原理及数学模型

2．1 引言

2．2 高频单轴电液振动台工作原理

2．2．1 传统电液振动台工作原理

2．2．2 高频单轴电液振动台工作原理

2．3 2D激振阀结构原理及阀口节流面积数学模型

2．3．1 2D激振阀结构原理

2．3．2 2D激振阀阀口节流面积数学模型

2．4 数字伺服阀的结构原理及数学模型

2．4．1 数字伺服阀结构原理

2．4．2 数字伺服阀数学模型

2．5 高频单轴电液振动台数学模型

2．6 本章小结

第3章 高频电液振动台振动特性机理分析及仿真研究

3．1 引言

3．2 2D激振阀阀口节流面积傅立叶分析

3．3 液压系统控制框图

3．3．1 传统液压系统控制框图

3．3．2 高频单轴电液振动台系统控制框图

3．4 仿真分析

3．4．1 仿真模型

3．4．2 仿真参数

3．4．3 仿真结果

3．5 本章小结

第4章 高频单轴电液振动台谐振机理研究

4．1 引言

4．2 基于能量法的谐振机理分析

4．3 谐振波形仿真研究

4．4 变谐振频率理论分析

4．5 变谐振频率振动波形仿真研究

4．6 本章小结

第5章 高频单轴电液振动台振动特性的实验研究

5．1 引言

5．2 高频单轴电液振动台实验原理及实验台架

5．2．1 高频单轴电液振动台实验原理

5．2．2 高频单轴电液振动台实验台架

5．2．3 2D激振阀与数字伺服阀实物图

5．2．4 液压动力源

5．3 高频单轴电液振动台控制系统

5．3．1 2D激振阀控制器设计

5．4 高频单轴电液振动台测试系统搭建

5．4．1 高频单轴电液振动台测试系统原理

5．4．2 传感器选型

5．4．3 信号采集和显示模块

5．5 高频单轴电液振动台实验结果分析

5．5．1 低频段、中频段和高频段振动波形实验研究

5．5．2 谐振波形实验研究

5．5．3 变谐振频率振动波形实验研究

5．6 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 论文的主要研究内容和贡献

6．2 未来工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果