电液激振器的谐振特性研究

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随着现代工业技术水平的发展，尤其是为满足于航空航天等高科技领域的需要，对电液激振器的工作频率范围及输出推力的要求越来越高。传统的电液激振器受伺服阀频宽限制，工作频率处于较低的水平，采用2D阀控制电液激振器实现高频电液疲劳试验的设计方案，可以将工作频率大幅度提高。但随着激振频率的提高，输出载荷的幅值急剧衰减，存在激振频率和振动幅值难以兼顾的问题。为此提出谐振式电液激振器的设计方案，即当工作频率与系统固有频率-致时，系统产生谐振现象，在谐振点利用谐振能量提高振动输出载荷或幅值，使激振器 的工作效率大大提高 -引。

1 谐振式激振器的工作原理谐振式激振器的工作原理如图 1所示，它主要由双自由度电液控制阀(简称2D阀)和单出杆液压缸组成，液压缸的有杆腔常通高压油，无杆腔与2D阀相联通。在2D阀中，阀芯由伺服电动机驱动旋转，使得沿阀芯台肩周向均匀开设的沟槽(相邻沟槽的圆心角为)与阀套上的窗口相配合的阀口面积大小成周期性变化，由于两台肩上的沟槽相互错位(错位角度为0/2)，所以当 I台肩的沟槽与阀套的窗口相通时，Ⅱ台肩的沟槽关闭，如图1a所示 ，P-A相通，液压缸无杆腔通油，由于活塞两侧的受力面积不等，而所受油液压强相同，根据公式 FP·S得出，无杆腔侧活塞面受力大于有杆腔侧活塞面受力，即驱动活塞向左运动；当Ⅱ台肩的沟槽与阀套的窗口相通时，I台肩的沟槽关闭，如图 1b所示 ，A-T相通，液压缸无杆腔回油，驱动活塞向右运动。即阀芯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芯旋转发生周期性变化外，其变化的幅度通过直动电机驱动阀芯的轴向运动，从阀口完全关闭到阀口完全打开，来实现振动幅值变化的连续控制。

a)液压缸向左运动的工况 b)液压缸向右运动的工况图 1 2D阀控制电液激振器工作原理图收稿Ft期：2012-08-27基金项目：国家自然科学基金资助项目(51105337)；浙江工业大学校级自然科学研究基金资助项目(201 IXY005)作者简介：贾文昂(1982-)，男，浙江东阳人，中级讲师，博士，主要从事电液控制元件、电液激振控制技术等相关的教学和科研工作。

38 液压与气动 2013年第2期2 谐振式激振器数学建模谐振式激振器液压动力机构的结构原理图如图2所示，液压缸的无杆腔常通高压油，有杆腔与激振阀相联，其中液压缸有杆腔的活塞有效面积是无杆腔活塞有效面积的-半，从而实现液压缸两腔的压力差，推动活塞的往复运动。

图 2 结构原理 图(1)液压缸有杆腔流量方程：Q -CdA。 2(pSpP1)- A式中，Ai( 1，2)为节流窗口的面积；C 为油液的粘度系数；P 为系统压力；P 为 有杆腔压力；P为油液密度。

(2)液压缸有杆腔流量连续性方程：0 -.A-pd-yp.-V-1-dp-l-dt 。K。dt式中，Y 为活塞位移；V1为液压缸有杆腔容积； 为有杆腔活塞有效面积；Ke为有效体积弹性模量。

(3)液压缸和负载的力平衡方程：Ap( s-P1) 邶 誓KLy F式中，m为活塞以及负载的总质量；B。为活塞和负载的粘性阻尼系数； 为负载的弹性系数； 为作用在活塞上的外负载力。

3 实验结果分析为了测试电液激振器的实际振动波形并研究其谐振特性，搭建实验平台。该试验台的测试系统原理图如图3所示。

-混合式直线I液压动力源I 无刷直流 ：：步进电机 L-广广J 伺服电机载荷传感器2D高频数字阀： - L图3 测试系统原理图通过工控机发出指令，分别控制混合式直线步进电机和无刷直流伺服电机来驱动 2D阀阀芯的轴向的滑动和径向的转动，实现对电液激振器的频率与幅值的控制。而液压缸的有杆腔接人载荷传感器，接收信号，将液压缸的输出激振力与活塞杆的位移值经放大处理后传输给工控机，实现实验数据的采集。实验中，在系统压力为7 MPa，阀口全部打开的情况下，我们采集了602 Hz、665 Hz、705 Hz、731 Hz、769 Hz和820 Hz频率下的激振波形，如图4所示。

图 4 不 同澉振频率下的激振力波形以上不同频段下的激振力波形均为液压缸上的载荷传感器采集到的液压缸推拉力波形，波形基本都为较理想的正弦波，此时由于频率已经很高，阀芯转速很快，导致液压缸通油时间已经很短，因而液压缸的推拉力会随着激振频率的提高也相应减小，因此载荷传感器所接收的信号能量下降很明显，如图4a～图4c所示，此时最大激振力分别为60 kN、38 kN和 18 kN。图4d为激振器的激振频率.厂731 Hz时采集的激振力波形，此时液压缸激振力突然增加约为30 kN左右，而经过此频率段后，激振器的振动幅值又逐渐减小，如图4e-4f所示。因而推断在激振频率.厂731 Hz左右时2013年第2期 液压与气动 39基于组态软件的气动弹射试验测控系统设计付永领 ，范殿梁 ，荆慧强Measuring and Control System Design of Pneumatic C atapultExperiment by Configuration SoftwareFU Yong-ling ，FAN Dian.1iang ，JING Hui-qiang(1.北京航空航天大学 机械工程及 自动化学院，北京 100191；2.北京航空航天大学 自动化科学与电气工程学院，北京 100191)摘 要：该文在对气动弹射试验系统进行简单概述的基础上，针对测控 系统提出的要求，基于组态软件对整个试验测控 系统进行了软硬件设计，其中对操作流程的设计及监控画面的制作进行了较为详细的描述，然后开发了基于 AT89S52单片机的测速拈，并实现了上位机组态王监控。最终该气动弹射测控系统成功应用于实际，并得到了较为满意的效果。

关键词：气动弹射；测控 系统；组态软件；单片机中图分类号：TP311.51；TH138 文献标志码：B 文章编号：1000-4858(2013)02-0039-06引言为了测试降落伞的性能，大多采用真实飞机进行空中投放，虽然能够得到较为真实准确的数据，但这样极大地增加了测试成本和试伞员的安全风险，使我们不得不考虑采用模拟投放的方式实现测试降落伞某些性能的可能性。通过高压气体将内装降落伞的被试件弹射出去，至-定的投放高度，以模拟飞机投放时的初始状态，经过几级牵引最终实现降落伞性能的测试。

本试验测控系统是在原气动弹射试验系统的基础上进行技术改造，旨在提高测试流程的自动化程度。试验系统的最高压力可以达到 35 MPa，属于超高压试验系统，如何实现对其精确测控是保证试验成功的关键，为此本文基于组态软件设计了该气动弹射试验测控系统。

1 气动弹射试验系统气动弹射试验系统是在原有试验系统的基础上，进-步提升其试验能力，提高自动化水平。原有试验系统是采用完全手动控制，这对操作员的工作提出了严格的要求，这不但增加了操作员的劳动强度，同时也收稿日期：2012-09.10作者简介：付永领(1966-)，男，河北迁西人，教授，博士，主要从事新型液压伺服系统理论与技术方面的科研和教学工作。

4 结论电液激振器的激振力输出随着激振频率的上升会逐渐减小，但会在某-频率段会突然增大，且输出波形为较为理想的正弦波，因此我们可以确定，在这-频率段激振器发生了谐振。

在工程试验中，可利用谐振能量在谐振点对试件进行疲劳试验，因为振动能量由谐振能量提供，系统能耗主要克服惯性力、阻尼等组成的等效摩擦力，大幅度降低能耗。另外，为了在保持振动载荷幅值不变的前提下以旧能高的工作频率进行疲劳试验，我们需要进-步研究通过改变单出杆液压缸的容积来改变系统的谐振频率，始终在谐振点对试件进行疲劳试验，大幅度减少高频疲劳试验时间，提高试验效率。