2D阀控电液激振器.pdf

机械工程学报 JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING 第 45卷第 11 期 2009 年 11 月 Vol.45No.11 Nov.20 09 DOI10.3901/JME.2009.11.125 2D阀 控 电 液 激 振 器 * 阮 健李 胜裴 翔俞浙青朱发明 浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室杭州310014 摘要传统的阀控制缸或马达构成电液激振器的方案，在很大程度上受到伺服阀频响特性的限制，其激振频率难于提高至较 高的水平，为此提出采用 2D 阀控制液压执行元件的实现方案，旨在大幅度提高电液激振器的频率。在 2D 阀中，阀心的旋 转运动和轴向滑动分别用于实现激振频率和幅值的独立控制，激振频率与阀心的转速、阀心台肩一周的沟槽数及该沟槽数与 阀套一周的窗口数之间的配合关系等因素相关，通过改变这些因素易于实现 2D 阀控激振器的高频激振。以 2D 阀控双出杆 缸为例，进行理论分析和试验研究。研究结果表明2D 阀控激振器的负载以弹性力为主时，随阀心旋转阀口面积变化的波 形近似为上升与下降速率相等的三角波形， 但是受到弹性负载方向变化的影响， 而激振波形上表现出上升与下降过程斜率的 不一致性，这种不一致性在 2D 阀的轴向开口达到某一临界值时表现得最为显著。随着 2D 阀轴向开口的减小，激振波形逐 渐趋于一致。 关键词电液激振2D 阀动态分析液压动力机构 中图分类号TH137 Electrohydraulic Vibration Exciter Controlled by 2D Valve RUAN JianLI ShengPEI XiangYU ZheqingZHU Faming Key Laboratory of Special Purpose Equipment and Advanced Processing Technology of Ministry of Education, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014 AbstractThe working frequency of the electrohydraulic vibration exciters conventionally constructed by a servo valve and a hydraulic cylinder or a motor is to a large extent limited to fairly narrow range by the frequency response capability of the servo valve. A scheme of electrohydraulic vibration exciter using a 2D valve two-dimensional control valve to control a hydraulic actuator is therefore proposed to enhance the working frequency by a large margin. In the 2D valve, the rotary and sliding motions are independently exploited to control the frequency and the magnitude of the agitated vibration respectively. The frequency of the 2D valve controlled vibration exciter is determined by the rotary speed, number of grooves distributed on a spool land and coupled pattern of the groove number on the spool land and the windows number on the spool sleeve. By adjusting these factors in the 2D valve design, the proposed scheme of vibration exciter is apt to realize high-frequency vibration. Taking the electrohydraulic vibration exciter ed by the 2D valve and a symmetrical cylinder as an example, theoretical and experimental investigations are carried out to the case that the elastic force constitutes the main part of the load. It is clarified that the change of the direction of elastic force has a significant effect on the excited wave . Although the rate of throttling areas of the 2D valve varied in a triangular wave approximately as the spool rotates, the ascent and descent slopes of output force or displacement wave demonstrates somewhat inconsistency because of the changing direction of the elastic force. The inconsistency becomes the most manifest whenthe linear opening of the 2Dvalve reachesa critical point andweakens whenit is reduced. Key wordsElectrohydraulic vibration exciterTwo-dimensional valveDynamic analysisHydraulic actuation mechanism 0前言* 振动试验作为现代工业的一项基础试验和产 * 国家自然科学基金5 6 5、浙江省自然科学基金D66 和浙 江大学流体传动及控制开放基金资助项目。3 收到初稿， 6 3 收到修改稿 品研发的重要手段，广泛应用于许多重要的工程领 域，如卫星和火箭的环境试验；汽车和行走机械的 道路模拟试验；工程材料、水坝及高层建筑的抗震 疲劳试验等[1-2]。 从振动动力元件的工作原理上看，激振一般可 以分为机械式、电动式和电液式三种类型。电液激 0 7 20410807 2008110 20090 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 机械工程学报第 45卷第 11期期 126 振与前二者相比具有激振功率大、推力大、能实现 多点激振的优点，主要应用于重载、大功率的场 合[3]。传统的电液式激振器的工作原理是通过对电 液伺服阀输入振动激励信号控制液压执行元件液 压缸或马达作往复直线或扭转运动， 进而使施振对 象起振，见图 1。振动的激励信号通过的期望振动 信号与传感器位移传感器或加速度传感器实际测 得的振动信号进行比较，并通过振动控制算法而获 得。 比较的方式有逐点实时比较和只对特征值如幅 值、 相位等比较两种， 前者为振动控制的闭环模式， 而后者为半闭环的模式，无论是那种控制模式，电 液激振器的工作频率在很大程度上皆取决于电液伺 服阀的频宽。 图 1液压激振原理 随着现代工业，尤其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及输出推力的 要求也越来越高。对电液振动台而言，如何在保持 大推力的基础上提高工作频率范围成为了电液激振 技术发展的关键。从电液系统的角度而言，对于闭 环模式一般可以通过三状态反馈和极点配置的方 法，消除液压谐振，进而拓宽电液伺服系统的频 宽[4]，其效果取决于伺服阀频响特性及通流能力； 对于半闭环模可以采幅相控制等振动控制技术提高 电液激振频率[5-6]。 从控制元件的角度而言，提高电 液激振的根本措施在于引入高频响的伺服阀，如采 用专用的动圈式伺服阀等[7-8]，但是，由于电液伺服 阀频响因其结构原理的限制， 难以取得大范围突破， 因而电液伺服振动台的工作频率难以大幅度地提高。 本文提出一种 2D 阀控电液激振器的方案，旨 在大幅度提高电液激振器的工作频率，在论述其结 构原理的基础上，应用流体动力学理论建立其数字 模型，并通过仿真和试验的方法研究其基本特性， 证明了所提 2D 阀控电液激振器方案的可行性和拓 展频宽的有效性。 12D 阀控制电液激振器及特性分析 1.1结构原理 D 阀控电液激振器的结构原理见图 。 它主要 由 2 自由度电液控制阀[9-10]简称 2D 阀和液压缸组 成。在 2D 阀中阀心由伺服电动机驱动旋转，使得 沿阀心台肩周向均匀开设的沟槽相邻沟槽的圆心 角为θ与阀套上的窗口相配合的阀口面积大小成 周期性变化， 由于相邻台肩上的沟槽相互错位错位 角度为/ 2θ， 因而使得进出液压缸的两个容腔的流 量以相位差为180发生周期性的变化，驱动液压执 行元件液压缸或马达做周期性的往复运动。当阀 心在转动过程中位于图2a所示的位置时，P口和A 口沟通，B口和T口沟通，液压缸左腔进油、右腔 回油，液压缸活塞向右运动；当阀心旋转过/2θ角 度处于图2b所示位置时，P口和B口沟通，A口和 T口沟通，液压缸右腔进油、左腔回油，液压缸活 塞向左运动。当阀心在伺服电动机驱动下旋转时， 液压缸活塞将作周期性的往复运动产生激振。 在2D 电液激振阀中，台肩上的沟槽与阀套上窗口构成的 面积除因阀心旋转发生周期性变化外，其变化的幅 度通过阀心的轴向运动从零阀口完全关闭到最大 实现连续控制。阀心的轴向运动由另一伺服电动机 通过偏心机构驱动阀心实现，通过控制该伺服电动 机转角的大小改变阀口面积周期性变化的幅度，进 而改变液压缸的振动幅值输出推力。 图D 阀控电液激振器原理图2222 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 月 2009 年 11 月阮健等2D阀控电液激振器 127 显然，图2所示2D电液激振阀控液压执行元 件所构成的电液激振器的工作频率与阀心的转速成 正比。由于阀心为细长结构，转动惯量很小，又处 于液压油的良好润滑状态中，因而很容易提高阀心 的旋转速度获得高的激振频率。 2D电液阀控激振器的工作频率 f 等于阀心的 旋转转速 n 与阀心沟槽每转与阀套窗口之间的沟通 次数 o 的乘积。因而除通过提高阀心的转速提高工 作频率外，还可以通过增加阀心台肩上的沟槽数及 选择阀心与阀套之间的配合关系来提高阀心沟槽与 阀套窗口每转沟通次数。阀心每转沟通次数 o 除与 阀心沟槽数 Z有关，还与阀心沟槽与阀套窗口的配 合关系有关。如果阀心沟槽数与阀套窗口数相等， 则这种配合形式称为全开口型， 如图3a所示。 全开 口型2D阀阀心每转的通断次数即为阀心沟槽数 Z阀套窗口数。 如果阀心沟槽数与阀套窗口数不相 等， 则这种配合形式称为部分开口型， 如图3b所示。 部分开口型2D阀阀心每转的通断次数等于阀心沟 槽数 Z 与“拍数”的乘积， “拍数”等于阀心沟槽 数与阀心沟槽数和阀套窗口数差之比阀心沟槽数 和阀套窗口数必须选择合适的值，从而保证拍数为 整数。图3b阀心沟槽为8，阀套窗口数为10，阀 心每转沟通32次。 通过以上简要分析可以看出采用 2D阀构成的电液激振器易于实现高频激振。 图 3阀心沟槽与阀套窗口的配合关系 1.2特性支配方程 2D电液激振器的液压动力机构的结构原理图 见图4a，2D阀阀口由阀心台肩上的沟槽与阀套窗 口配合而成，相邻两个台肩的阀口构成液压阻力半 桥分别控制进出液压缸两腔的流量或腔内压力，由 于相邻台肩上的沟槽周向错位图4b，因而当阀转 动时进出液压缸的两腔流量方向交替变换、腔内压 力差动变化，控制液压缸活塞往复运动。 为了使分析过程得以合理简化，作如下假设 ①2D阀结构设计满足阀口匹配－对称的条件[10]； ② 阀及液压缸的泄漏量为零；③ 供油压力为恒 定值，回油压力为零。 图 42D 阀控电液激振器液压动力机构 通过阀口1的流量方程式 s1 1v1 2 d pp qC A ρ 1 通过阀口2的流量方程式 1 2v2 2 d p qC A ρ 2 通过阀口3的流量方程式 2 3v3 2 d p qC A ρ 3 通过阀口4的流量方程式 s2 4v4 2 d pp qC A ρ 4 式中Av1、Av2、Av3和Av4分别为四个阀心台肩所对 应的阀开口面积；p1和p2为液压缸左腔和右腔的压 力；Cd为阀口的流量系数；ρ为油液密度。阀口的 形状为阀心台肩上的沟槽与阀套上的窗口构成的矩 形面积，沿阀心轴向的边长为xv，受控制于阀心的 轴向位移；另一边长等于台肩上的沟槽节流边到阀 套上的窗口节流边之间一段圆弧的弦长yv。由于四 个阀口沿周向的开度皆是匹配－对称的，阀口为零 开度时，阀心上的槽宽度阀套窗口宽度对应的圆 心角α等于相邻阀心沟槽阀套窗口所对应的圆心 角的1/4。以四个阀口的周向皆关闭的状态作为零 位，当阀心的旋转角位移θtθ ω从0逐渐增大 到α过程中， 阀口 3的周向开度y 将随之从 增大至最大值，θθ ω从α逐渐增大到α，y ps pa Av1Av v 0 t2 v 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 机械工程学报第 45卷第 11期期 128 将从最大值减小为0； 当阀心继续旋转， 角位移θ从 2α逐渐增大到3α时，阀口Av2Av3的周向开度yv 将随之从0增大至最大值，θtθ ω从3α逐渐增 大到4α，yv将从最大值减小为0，见图5。当阀心 继转动， 阀口的周向开度重复以上过程作周期变化。 根据以上分析，阀口面积可以表示为 v vv1 4 2sin441 2 2sin 214142 2 04243 04341 0,1, 2, j x Rjj x RjjjA jj jj j θα α θα θ αα θα α θα α θα ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ “ 5 v v2 v 0441 04142 2sin 21 4243 2 2sin 21 4341 2 0,1, 2, jj jj x RjjjA xRjjj j α θα α θα θ α αα θα θ αα θα ≤ ≤ xvc时，激振波形在很大程度上受到弹性负载方 向变化的影响，反映在振动波形上为表现上升与下 降过程斜率存在差异，这种差异在2D阀的轴向开 口达到临界值xvc时表现得最为显著，而随着2D阀 轴向开口的减小，激振波形逐渐趋于一致。 参考文献 [1] LANG George Fox. 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