振動臺的結構及工作原理
.1?振動臺的應用和發展?
????振動臺是在各種條件下，環境下測定金屬材料、非金屬材料、機械零件、工程結構等的機械性能、工藝性能、內部缺陷和校驗旋轉零件動態不平衡的儀器[1]
。在研究探索新材料、新工藝、新技術和新結構的過程中，振動臺是一種不可缺少的重要測試儀器，它廣泛應用于機械、冶金、石油、化工、建筑、航空、造船、交通運輸等工業部門及各類研究機構，因此在國民經濟發展中占有相當重要的地位，它的發展水平在某種程度上反映了一個國家的工業發展水平，因而世界各國都很重視結構試驗技術和試驗系統的研究開發工作[2]。?
從六十年代開始我國為了滿足航天領域的需求，各類振動臺應運而生。用于振動試驗的振動臺系統從其激振方式上可分為三類：機械式振動臺、電液式振動臺和電動式振動臺。從振動臺的激振方向，即工作臺面的運動軌跡來分，可分為單向(單自由度)和多向(多自由度)振動臺系統[4]。從振動臺的功能來分，可分為單一的正弦振動試驗臺和可完成正弦、隨機、正弦加隨機等振動試驗和沖擊試驗的振動臺系統。由于機械式振動臺、電液式振動臺和電動式振動臺工作原理不同，因此他們的性能也大不相同。表1-1對三種類型振動臺的主要性能進行了比較，圖1-1對三種類型振動臺頻率、振幅的常用區域進行了比較。通過比較，我們可以看出，機械式的振動臺由于出力小、結構復雜而且不能結合計算機進行自動編程，一旦制造以后就無法根據具體要求進行更改，因此在實際應用中受到很大的限制，很少使用。電液式振動臺的作用力大，既可以在較低頻、較長行程下工作，也可以在較高頻、較短行程下工作，而且配合計算機進行控制能任意改變其試驗波形而方便的實現自動化控制;在需要很大作用力的時候，由于體積較小、結構緊湊，還可以用幾個液壓缸并聯進行工作，但它的頻率范圍比電動式振動臺略低，波形失真也比電動式振動臺略大些。但電液振動臺仍然是今后發展的方向。
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表1.1三種類型振動臺主要性能的比較[4] ??
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? ? ?種類 ? ? 參數 | ? ? 機械振動臺 | ? ? 電動振動臺 | ? ? 電液振動臺 |
? ? zui大推力 zui大位移 頻率范圍 波形種類 波形失真度 自動編程 控制參數 抗偏載能力 控制精度 性能價格比 ? | ? ? 小 小 窄 正弦 較大 不能 位移 小 差 高 | ? ? 中 中 寬 正弦隨機 小 能 位移速度，加速度 波形再現好 小推力的高 大推力時高 | ? ? 大 大 較寬 正弦方波隨機等 較小 能 位移速度，加速度 功率譜再現好 小推力的低 大推力時高 |
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1.2?電液振動臺的發展方向?
二十一世紀的今天隨著航天航空技術的飛速發展，對振動試驗的要求越來越高。需要大噸位(1000KN以上)、高工作頻串(1000Hz以上)的振動臺的上限工作頻率能夠達到2000Hz[5]。這樣就可以在一個振動臺上完成整個頻段的振動環境模擬實驗，因此一般振動臺已經遠遠不能滿足試驗的需求，而這個重任就落到了電液高頻振動臺的身上，如何設計出頻率高頻寬大精度高的電液振動臺已經是一個當務之急，國內外各類研究所對高頻電液振動臺的研究也取的了很大的成就，然而電液伺服系統的工作頻率的高低，主要取決于伺服閥頻寬的高低。因此，如何提高電液伺服閥頻寬的研究更是重中之重。?????80年代初期隨著電液伺服系統在工業中的大量應用，電液專家開始尋找各類先進的電液控制元件和驅動放案，放案之一就是采用步進電機驅動，數字脈沖控制的步進式數字元件[7]。與模擬量控制的比例閥和伺服閥相比，步進式數字元件具有重復精度高，無滯環、和直接數字控制等優點[8]。但是這類元件按步進的工作方式工作，存在著響應速度和量化誤差之間的矛盾，設計時往往保證前者，所以響應速度沒有得到改善，難以在控制系統中得到廣泛的應用。然而本人導師zui近幾年一直潛心從事電液伺服數字閥的技術研究，從三個方面解決了以上伺服閥的不足，設計出了一中新型的數字閥。*方面直接式數字控制元件的設計，關鍵是要解決導控方面設計采用了閥芯雙運動自由度的放案，即2D閥的設計放案。第二放棄這類閥的步進控制方式，采用一種特殊的步進電機連續跟蹤控制的方式，以便解決步進電機控制的響應速度和量化誤差之間的矛盾，并對跟蹤控制算法和步進電動機各特性進行了研究。第三解決了閥數字控制器和系統控制器之間通過標準數字接口的數字控制信號的傳送和通信[9]。因此本課題是基于先進數字閥控系統的電液振動臺的研究設計，對將來的高頻電液伺服振動臺研究具有一定的意義。?
1.3?本課題的研究目的和研究內容?
本課題的研究目的是設計并制造一臺用于進行金屬材料疲勞試驗所使用的高頻電液伺服振動臺，充分利用電液振動臺出力大、響應快，頻率范圍寬的優點。在該課題中我們建立的實際系統是單自由度垂直往復運動的電液式伺服振動臺，相對于大型多自由度電液式振動臺而言，雖然它的結構相對簡單，但卻是大型系統研制的基礎，對實際研究有重大的意義。更重要的是本課題采用了一種新型的控制系統即2D閥控液壓系統，他的成功問世，將對以后大型振動臺和控制閥的研究奠定良好的基礎。?
論文可以分成這樣幾個部分，首先，詳細敘述了在實際應用中的該振動臺的結構、各部件的設計方法以及工作原理，系統組成等等.然后，著重介紹并分析2D閥的設計的具體思路和方法，建立了準確的數學模型并進行了MATLAB仿真。zui后，對整個振動臺系統進行了系統的建模與MATLAB仿真，并在此基礎上對系統的動態特性進行了分析。
結構及工作原理
2.1?液壓振動臺的結構和主要技術參數?
本液壓振動臺用于材料試驗系統的激振。主要包括主動力源、控制動力源、油箱及附件、各類傳感裝置、2D閥、激振缸、振動臺面。見示意圖圖2-1
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主要技術參數如下: ??
zui大激振力：Fmax=2T=1.96×104N
油源工作壓力：Ps=21MPa=2.1×107Pa ?
油源提供的zui大流量：Q0=60L/min=1.0×10-3m3/s
zui大負載質量：M=200Kg
運動部件自重：m=30 Kg
頻率范圍：fmin=1Hz，fmax=100Hz
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2.2?電液振動臺工作原理??
鑒于提高振動臺的頻率范圍和輸出推力的重要意義，本文提出了一種電液激振的新方法，其工作原理見圖2-2。該方法采用閥芯雙自由度電液控制閥（簡稱2D閥）控制液壓缸 [10] 。該閥采用閥芯旋轉和 軸向雙自由度設計而成（簡稱2D電液控制閥）。在2D閥中閥芯由伺服電機驅動旋轉，使得沿閥芯臺肩周向均勻開設的溝槽（相鄰溝槽的圓心角為q）與閥套上的窗口相配合的閥口面積大小成周期性變化，由于相鄰臺肩上的溝槽相互錯位（錯位角度為2/q），因而使得進出液壓缸的兩個容腔的流量大小及方向以相位差為180°發生周期性的變化，驅動液壓執行元件油缸（或馬達）做周期性的往復運動。當閥芯在轉動過程中位于圖2-2a所示的位置時，P口和A口溝通，B口和T口溝通，液壓缸左腔進油、右腔回油，油缸活塞向右運動；當閥芯旋轉過2/q角度處于圖2-2b所示位置時，?P口和B口溝通，B口和T口溝通，油缸右腔進油、左腔回油，油缸活塞向左運動。當閥芯在伺服電機驅動下旋轉時，油缸活塞將作周期性的往復運動產生激振。在2D電液激振閥中，臺肩上的溝槽與閥套上窗口構成的面積除因閥芯旋轉發生周期性變化外，其變化的幅度通過閥芯的軸向運動從零（閥口完全關閉）到zui大實現連續控制。閥芯的的軸向運動由另一伺服電機通過偏心機構驅動閥芯實現，通過控制該伺服電機轉角的大小從而改變閥口面積周期性變化的幅度，進而改變液壓缸的振動幅值（輸出推力）。
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顯然，圖2-2所示2D電液激振閥控液壓執行元件所構成的電液激振器的工作頻率與閥芯的轉速成正比。由于閥芯為細長結構，轉動慣量很小，又處于液壓油的很好潤滑狀態中，因而很容易提高閥芯的旋轉速度獲得高的激振頻率。?
2D電液閥控激振器的工作頻率f等于閥芯的旋轉轉速n與閥芯溝槽每轉與閥套窗口之間的溝通次數m的乘積。因而除通過提高閥芯的轉速提高工作工作頻率外，還可以通過增加閥芯臺肩上的溝槽數及選擇閥芯與閥套之間的配合關系來提高閥芯溝槽與閥套窗口每轉溝通次數。閥芯每轉溝通次數m除與閥芯溝槽數Z有關，還與閥芯溝槽與閥套窗口的配合關系有關。如果閥芯溝槽數與閥套窗口數相等，則這種配合形式稱為全開口型，如圖2-3a所示。全開口型2D閥閥芯每轉的通斷次數即為閥芯溝槽數Z（閥套窗口數）。如果閥芯溝槽數與閥套窗口數不相等，則這種配合形式稱為部分開口型，如圖2-3b所示。部分開口型2D閥閥芯每轉的通斷次數等于閥芯溝槽數Z與“拍數”的乘積，“拍數”等于閥芯溝槽數與閥芯溝槽數和閥套窗口數差之比（閥芯溝槽數和閥套窗口數必須選擇合適的值，從而保證拍數為整數）。圖2-3b閥芯溝槽為8，閥套窗口數為10，閥芯每轉溝通32次。通過以上簡要分析可以看出采用2D閥構成的電液激振器易于實現高頻激振。
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