高频电液振动台全频段振动波形研究

【前言】高频电液振动台全频段振动波形研究由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。0 引言 随着工业技术的不断发展，飞行器、高速列车也得到了飞速发展，导致其对某些部件的疲劳寿命要求越来越高，部分部件甚至要求其超过1010周次，面对这种形势，必须提高振动台的工作频率和输出载荷，也只有这样才能缩短疲劳试验的时间，节省大量人力、物力和财力[1]...

摘要：为了提高电液振动台的工作频率，提出一种由2D激振阀和数字伺服阀联合控制的高频电液振动台。对高频电液振动台在低频段、中频段和高频段输出的振动波形进行仿真和实验研究。阐述了高频电液振动台的工作原理并建立其数学模型。为了验证理论分析以及高频电液振动台在全频段实际输出的振动波形，设计了高频电液振动台并进行了实验研究。结果表明：与传统电液振动台的工作频率相比，该新型高频电液振动台能够实现从低频到高频全频段的振动试验，上限工作频率能够达到1000Hz；当振动台的工作频率与其系统的固有频率相等时，振动台会产生谐振现象（即振动幅值会突然变大）；随着振动频率的提高，振动台输出的幅值则会快速下降。

Abstract： In order to improve the working efficiency of electric hydraulic vibrostand， a high frequency electric hydraulic vibrostand jointly controlled by 2D excitation valve and digital servo valve is proposed. Simulation and experiment researches are done to the output vibration waveform of the high frequency electric hydraulic vibrostand in low frequency band， middle frequency hand and high frequency band. The working principle of high frequency electric hydraulic vibrostand is expounded and its mathematical model is established. In order to verify the theoretical analysis and the actual output vibration waveform of high frequency electric hydraulic vibrostand at full frequency， the high frequency electric hydraulic vibrostand is designed and experimental research is carried out. The result shows that compared with traditional electric hydraulic vibrostand， the new high frequency electric hydraulic vibrostand can realize full-band vibration test with maximum working frequency up to 1000Hz. When the working frequency of the vibrostand equals the system natural frequency， resonance phenomenon will appear （i.e. the vibration amplitude will suddenly become bigger）. With the increase of vibration frequency， the amplitude of the output will decrease rapidly.

关键词：2D激振阀；全频段；电液振动台；振动波形

Key words： 2D excitation valve；full-band；electric hydraulic vibrostand；vibration waveform

中图分类号：TH137 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）04-0131-03

0 引言

随着工业技术的不断发展，飞行器、高速列车也得到了飞速发展，导致其对某些部件的疲劳寿命要求越来越高，部分部件甚至要求其超过1010周次，面对这种形势，必须提高振动台的工作频率和输出载荷，也只有这样才能缩短疲劳试验的时间，节省大量人力、物力和财力[1]。

按照工作原理的不同，可将振动台分为三类，分别是机械振动台、电动振动台和电液振动台。其中电液振动台具有很多优势，比如输出的激振力大、承载能力大、振幅大；台面不受磁场影响；体积比较小，且单位体积的激振力大；工作频率的下限可以达到零赫兹等。但现有的电液式振动台受伺服阀频宽的限制难以高频振动试验。

研制高频响电液伺服阀是提高电液振动台工作频率的关键所在。自喷嘴挡板阀发明至今，各种结构的电液伺服阀相继问世[2]。振动特性对电液振动台而言非常重要，国内外学者对振动特性做了一些探索[3～6]。本文提出一种2D激振阀和数字伺服阀联合控制的高频电液振动台方案，重点研究其在低频段、中频段和高频段工作时输出的振动波形特性。在分析其工作原理的基础上，应用流体力学理论建立数学模型，并通过实验的方法研究其波形特性，证明了该方案的可行性。

1 工作原理

图1为高频电液振动台的结构原理图，主要由2D激振阀、数字伺服阀、差动式液压缸、惯性负载和蓄能器等部件组成。液压缸由2D激振阀和数字伺服阀共同控制，从而驱动液压缸的活塞往复运动。2D激振阀是一种具有两个自由度的转阀，其旋转运动由交流伺服电机驱动，控制电机的转速就可以调节阀芯的转速。轴向运动由混合式直线步进电机控制，调节阀芯轴向开口从零到最大之间进行改变。阀芯台肩和阀套上分别加工出相应的沟槽和窗口，当阀芯连续旋转时，由阀芯沟槽和阀套窗口形成的节流面积会产生周期性变化。液压缸采用差动联接方式，其有杆腔恒通高压油，当阀芯转到如图1（a）位置时，B口与系统回油T口相通，液压缸无杆腔的油液通过B口回到油箱，活塞杆在有杆腔压力的作用下向左运动。由上分析可知，通过调节阀芯的旋转运动和轴向位移，能够实现对电液振动台振动频率和幅值的控制。由于2D激振阀固有结构的限制，不能实现电液振动台的偏置控制。

2 数学模型

2.1 2D激振阀节流口数学模型

2D激振阀节流口的结构如图2所示，其形状为阀芯台肩上的沟槽与阀套上的窗口构成的矩形，节流口面积的一边yv是由阀芯的旋转运动决定，其大小等于阀芯台肩上沟槽节流边到阀套上的窗口节流边之间一段圆弧的弦长；另一边xv为阀芯沿阀套的轴向位移，其中xv∈（0，xvmax）。阀芯4个台肩上阀口的开度皆是匹配对称的，阀芯上沟槽宽度对应的圆心角α等于相邻阀芯沟槽所对应中心角β的1/4。随着阀芯的转动，阀口的周向开度将会实现周期性的变化。根据上述分析，节流口面积的数学模型可以表示为

2.2 特性支配方程

高频电液振动台系统的动力机构如图3所示。

2D激振阀和数字伺服阀阀口的流量为

式中ρ代表油液密度；pc代表液压缸敏感腔的压力；Av1代表2D激振阀节流口的面积A1；Av2代表数字伺服阀节流口的面积；Cd1代表数字伺服阀的流量系数；Cd代表2D激振阀的流量系数。

液压缸控制腔的流量连续性方程为

3 实验验证

为了验证高频电液振动台在低频段、中频段和高频段工作时实际输出的振动波形，搭建了实验台架，如图4所示。实验台架的主要组成包括底座（一）、底座（二）、2D激振阀、位移传感器、惯性负载、载荷传感器、支撑杆、联接螺栓、液压缸、蓄能器、阀块、数字伺服阀等部件组成。载荷传感器的作用是测量振动台输出载荷的大小，本文的载荷传感器选用的是德国HBM公司的U10M-125，其工作量程是0-125kN，被安装在活塞杆与惯性负载之间。

图5表示激振频率为100、208、1000Hz，2D激振阀轴向开口xv为1mm情况下电液振动台实际输出的振动波形。当激振频率为100Hz时，电液振动台实际输出载荷波形为一近似正弦波，结果与仿真研究基本相近，见图5a。随着激振频率的上升，当激振频率达到208Hz时，这时振动幅值突然放大到6000N，这是因为谐振现象出现了，而谐振现象的出现是由于激振频率与高频电液振动台系统固有频率一致了。见图5b。过了谐振点后，随着激振频率的提高，电液振动台输出的载荷会快速下降，当激振频率达到1000Hz时，高频电液振动台输出的振动幅值大约在250N左右。

4 结论

①由2D激振阀和数字伺服阀所构成的电液振动台能够实现从低频到高频的振动试验，最高工作频率能够达到1000Hz，工作频率大大高于传统由喷嘴挡板阀所构成的电液振动台。②当高频电液振动台的振动频率与其系统的固有频率一致时，电液振动台输出的振动幅值会突然放大，出现谐振现象。③该新型高频电液振动台能够实现振动波形为正弦波的振动试验。

参考文献：

[1]Edward B. Steager， Jigarkumar A. Patel， Chang-Beom Kim et al.. A novel method of microfabrication and manipulation of bacterial teamsters in low Reynolds number fluidic environments[J].Microfluidics and Nanofluidics， 2008， 5（3）.

[2]Kohei Fujita， Izuru Takewaki. An efficient methodology for robustness evaluation by advanced interval analysis using updated second-order Taylor series expansion[J]. Engineering Structures， 2011， 33（12）.

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[4]胡继云，廉振红，邵洪涛.单自由度简谐振动机械弹性支承刚度和激振力的设计[J].河南工业大学学报（自然科学版），2006（04）.

[5]华瑞霞，马浩.液压振动台波形失真的研究[J].环境技术，1986（5）：25-28.

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