轨道路基动力响应测试激振系统压力伺服阀控制研究

轨道路基动力响应测试激振系统主要用于模拟列车高速运行时其静载荷和动载荷对路基产生的综合影响，测试系统的主要单元是主动受控激振装置。目前，国内外普遍采用的激振方式主要包括阀控缸激振和泵控液压马达激振。这两种激振方式都存在激振力不可控和不能模拟各种工况下路基受激产生的振动力波形等缺点，不利于提取列车运行时轨道路基产生的各项参数，文献[1]中所设计的轨道路基激振液压系统则很好地解决了这-问题。本研究设计了利用电液压力伺服阀控制的液压激振系统，通过数值仿真对压力伺服激振系统进行分析。

1 电液压力伺服激振系统的设计为了模拟列车运行对路基的实际影响，为激振系统设定的工况是：激振器的输出力静压分量为 200kN、动压分量为±100 kN；激振频率为 1～40 Hz；激振幅度 1 Hz时为20 mm、40 Hz时为0.5 mm；激振波形参数能进行在线程控调整。

1.1 模拟列车运行时轨道路基的受力情况根据模拟对象具有的振频高、作用力大以及同时受到动、静载荷作用的特点，本研究选用了-种具有新型结构的双级伺服液压缸 j。该伺服油缸受控腔被设计成具有静压腔和动压腔的结构，其静压腔输出静压力，模拟列车静载；动压腔压力由电液伺服阀控制，构成-闭环力伺服系统，输出波形可调的交变动态力，模拟列车动载。利用这种双级伺服液压缸来模拟列车通过轨道时的受力情况以及对路基产生的影响，如图1所示。

图 1 模拟列车通过轨道时的受力模型收稿 日期：2013-03-04基 金 项 目：国家 自然 科 学 基 金 资 助项 目 (51027002、51175388、51175386)作者简介：李鹏(1987-)，男，河南信阳人，硕士研究生，主要研究方向为机电液-体化控制。

2013年第8期 液压与气动 63当列车通过轨道路基时，路基同时受到了 和的作用，根据受力情况和时间变化曲线，可知由静载荷产生的 不随时间的变化而变化，而动载荷产生的 呈正弦规律变化。路基所受动、静载荷产生的作用力，使岩土层产生了-定程度的沉降现象。

1.2 液压系统设计通过分析列车运行时轨道路基的受力情况，以双级伺服液压缸为激振器，设计了电液压力伺服激振系统，如图2所示。

口1.压力型伺服网 2.电磁换向阀 3.减压阀4～7.压力传感器 8.双级伺服液压缸图 2 液压系统原理图本激振系统的核心是对双级伺服液压缸 8的控制，该伺服缸分为静压输出和动压输出两部分，其中静压腔由减压阀3控制，用于模拟轨道路基受到的静载荷；动压腔由电液压力伺服阀1控制，模拟列车通过时产生的交变动载荷。

电液压力伺服激振系统的工作原理是：压力油通过进油口进入到回路，经回油口流回油箱。回路中油液的通断由电液压力伺服阀 1和电磁换向阀2控制。

当动压腔工作时，静压腔的上、下两腔的容积也随之变化，并通过电磁换向阀2的 u型中位机实现平衡。通过压力传感器 4～7对动压腔和静压腔的工作压力进行检测。

动压腔的控制：当压力油通过进油 口进入电液压力伺服阀1，同时控制系统给定的电压信号与从力传感器输出的反馈信号在控制器中进行比较，并将产生的差值通过伺服放大器放大转换为相应的电流信号，送人电液压力伺服阀，控制阀芯运动，从而控制伺服阀的输出压力，并由伺服缸将压力转化为位移输出。通过两路不同信号的转换与计算，可获得系统的稳态输出。高压油交变地输人到伺服缸的上、下油腔，驱动活塞进行往复运动。

静压腔的控制：当激振系统正常工作时，电磁换向阀2-直得电，工作机能处于左位。压力油经过减压阀进入静压腔上腔，对路基产生静压力。

2 控制系统建模本文设计的电液压力伺服激振系统中力传感器装在施力缸活塞与被控制对象之间，检测和控制对象为施力缸的驱动力，因此是-种典型的驱动力伺服控制系统。

如图3所示，该控制系统由放大器、伺服阀、阀控缸、力传感器、激振盘及负载等部分组成-个闭环系统。当系统接收到的电压信号 与力传感器反馈的信号 之间存在差值时，产生的差值信号经过放大器放大，输出与其对应的电流信号i，压力伺服阀通电，输出负载压力P .。随着输入信号的逐渐增大，阀的输出负载将按照-定的比例逐渐增大。

图3 力伺服控制回路原理图根据力伺服控制系统的基本动态方程 得到以Ui(s)为输入、以 Uf(s)为输出的激振系统开环传递函数为：G㈤ 等× × × ×式中：K 为伺服放大器增益，Ki AI； 为p阀负载腔锁闭式的压力增益；09。为静态压降频率，该值与阀的结构相关； 、其中cJ 4 。Kc。/ ，c为与阀结构参数相关的系数；为负载的机械振动频率 √ ； 为负载机械阻尼频率 m ； 为传感器的反馈系数 r AU； 为p阀的阻尼系数； 为伺服缸有效作用面-警- -√-，等嗟： 液压与气动 2013年第8期l I 厂]输入波形 输出波jl厂 、 l 32 I 3.63×10- l u 了 r 1/1672 s20.6/167s1 JT 口f r n1Transfer Fcn ua nz 输入输出；图4 系统的 simink模型积； 为负载刚度。

由于激振系统开环传递函数的分母中变量最高阶为四阶，则-、二阶项( )s( 1)对于整体的结果不会产生影响，故忽略不计，因此系统的开环传递函数可以简化并近似写成：， 、 (s) Ki 墨A丽 /3 控制系统仿真分析研究的对象是采用压力伺服阀设计的轨道路基激振系统，与文献[1]中所研究的激振系统工况要求相同，通过相应的计算，可以得到该工况下的油缸和伺服阀的主要参数：系统的供油压力为 21 MPa；油缸负载压力P。.为 17 MPa、活塞杆直径为 90 mm、动压腔活塞直径为 125 mm、静压腔活塞直径为 160 mm；伺服阀额定压降下的流量 Q 为91.55 L/min。

根据系统的供油压力和伺服阀的额定流量，为了满足实验测试需要，选用了某研究所开发的 DYSF.3P电液压力伺服阀，其额定流量 Q 为 100 L/min，额定供油压力P 为20.6 MPa，额定电流 ，n为 10 mA。

根据缸和阀的有关参数，通过计算可以得到参数如表 1所示。

根据力传感器的的量程以及相对应的输出电压，可以得到力传感器的增益为0.00001 V/N。

将以上所得到的参数代入到系统的开环传递函数中，可以得到：， 、 K 1 As[菱㈢ ]形32 ×3.63×10 ×1×10- ×19.6 ×10-。

s[ ( ) ]表 1 系统传递函数中的部分参数名称 取值额定电流UmA 10额定供油压力PN/MPa 20.6进油腔耐压P /MPa 31.3回油腔耐压 PoN/MPa 20.6伺服阀阻尼系数 ＆ 0.3油缸活塞有效面积 Ap/m 5.91×10P阀的二阶因子频率 ∞s2/rad·s 1667P阀负载腔锁闭式的压力增益3.63×101/N-(m ·A)静态压降频率，该值与阀的结构相关62.5sl/rad·s-利用 MATLAB中的 Simulink工具建立系统的仿真模型如图4所示。对系统进行仿真得到系统的单位阶跃响应曲线和不同条件下正弦输入响应曲线如图5、图6所示。

图5 激振系统的单位阶跃响应曲线2013年第8期 液压与气动 65DOI：10.11832/j.issn.1000-4858.2013.08.017高速大功率电机消噪箱的设计与优化及其仿真分析罗 经，彭 平，乔学新Optimization and Simulation of Case for Noise Reduction of ElectricMotor with High Power and SpeedLUO Jing，PENG Ping，QIAO Xue-xin(北京机械工业 自动化研究所 液压中心检测部 ，北京 100120)摘 要：为了降低液压系统高速大功率电机的辐射噪声，设计迷宫型结构消噪箱进行降噪。通过计算流体动力学仿真，计算消噪箱内部流场，分析其声学特征，并对其结构进行优化。研究结果表明，优化后的消噪箱具有良好的消声效果，其分析模型可为工程降噪的可行性分析与优化设计提供有价值的参考。

关键词：降噪；流场；仿真计算中图分类号：TH137 文献标志码：B 文章编号：1000-4858(2013)08-0065-05引言工业噪声主要来源于工作过程中由机械振动、摩擦、撞击以及流体突变等导致的不规则气流扰动，范围- 般为80～120 dB(A)，严重危害人体降甚至造成事故。随着液压技术向高速、高压和大功率方向的发展，液压系统的噪声危害也日趋严重，控制噪声污染收稿 日期：2013-02-26作者简介：罗经(1979-)，男，湖北荆州人，高级工程师，博士，主要从事结构计算与流体动力学分析。

时间/sa、 10Hz时间/sb、 20 Hz时间/sc)40Hz图6 不同条件下激振系统正弦输入响应曲线通过分析压力伺服激振系统的单位阶跃响应曲线和该系统分别在 l0 Hz、20 Hz、40 Hz时的正弦响应曲线 ，可知系统的响应速度较快，并且随着输入频率的增大，系统的幅值衰减较小，正弦响应能够较好地复现输入。

4 结论高速列车在行驶过程中对轨道路基的作用力异常复杂，而现有的理论研究又无法满足对实际状况的分析需要，严重制约了轨道路基动力响应测试手段的革新和技术的进步。本研究利用压力伺服阀控制伺服缸构成激振系统，不但能有效地模拟轨道受到的动、静载荷作用，而且满足了系统高频响应、作用力大和高精度的要求。