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1、高频电液颤振器模块化设计及振动特性研究 浙江工业大学硕士学位论文高频电液颤振器模块化设计及振动特性研究姓名:付亮申请学位级别:硕士专业:机械电子工程指导教师:邢彤2012-11浙江工业大学硕士学位论文高频电液颤振器模块化设计及振动特性研究摘 要随着机械设备功能化和精密化的迅猛发展,各种新的材料和加工方法都被应用于产品的开发中,振动切削就是在这样的背景下应运而生。振动器又是振动切削中最为关键的设备,但传统的振动器或是无法满足振动切削的要求,或是仅能驱动刀具的振动,对于驱动工作台振动这一要求均无法满足。本论文提出高频电液颤振器采用模块化的设计思路,可改变颤振模块数量来满足工作需求。相较于传统振动器
2、,其可以实现在较高振动频率下输出大激振力,并且具有体积小和成本低等优点。其利用一转阀结构的高频激振阀控制油液进入左右两颤振模块的频率,使颤振模块上的弹性端盖发生周期性颤振。论文的主要工作和成果如下:、新型电液高频颤振器的结构设计。在软件环境下建立颤振器各部件和整体的三维模型,并对其关键结构进行了强度校核。同时,详细阐述了颤振器的工作原理,总结了颤振器的特点。、新型电液高频颤振器系统数学模型的建立。依靠经典液压公式推导颤振器系统的传递函数,从而建立系统的数学模型。和对颤振器分别、新型电液高频颤振器仿真分析。利用进行静力、模态和系统仿真。、新型电液高频颤振器实验研究。搭建颤振器实验研究平台,采集.
3、各频率下的压力、位移和加速度数据,并通过得到的实验波形与理论波形进行对比研究。从各组实验数据可以得出颤振器在高频下具有良好的工作性能。关键词:颤振器,激振阀,振动切削,高频颤振浙江工业大学硕士学位论文? ,., . ,.,., , . ?.:. .? , , ,. .?., . ., . ,.:, ,疳浙江工业大学硕士学位论文第章绪 论.振动的分类及研究意义所谓振动,就是与某个座标系统有关的量,围绕其平均值或基准值从大变小,又从小变大,如此交替地重复变化【】。振动在日常生活和工程实际中是一种普遍存在的现象,基本所有工程机械和结构都或多或少会发生振动【】。事实上,人类就生活在振动的世界里,地面上
4、的车辆、空中的飞行器、海洋中的船舶等都在不断振动着。而对于人类自身,心脏的跳动、肺叶的摆动、血液的循环、胃肠的蠕动、脑电的波动、肌肉的搐动、耳膜的振动和声带的振动等,在某种意义上来说也是一种振动【。振动的种类众多,形式多样,振动一般可按激扰的控制方式分类如下【】:自由振动,它一般指的是弹性系统偏离于平衡状态以后,不再受外界激扰的情形下所发生的振动。强迫振动,它指的是弹性系统在受到外界控制的激扰作用下发生的振动。这时,即使振动被完全抑制,激扰照样存在。自激振动,此时,激扰是受系统振动本身控制的,在适当的反馈作用下,系统会自动地激起定幅振动。参激振动,这种激扰方式是通过周期地或随机地改变系统的特性
5、参数来实现的。振动在机械和建筑工程中通常被认为是有害的,零件的振动会缩短设备的使用寿命,飞机和车船的振动会降低乘坐的舒适性,建筑物的振动甚至会产生较大变形,从而使建筑物整体坍塌。但是,振动也有为人们所用的一面,没有振动就没有各种演奏音乐的乐器。近半个世纪以来,伴随着科技的发展越来越多利用振动的机器设备出现在人们面前:振动传输、振动筛选、振动研磨、振动抛光、振动沉桩等等。它们有效地减轻了劳动强度,显著地提升了劳动生产率,从而将人们从繁琐的体力劳动中解放出来。随着生产实践和科学研究的逐步深入,人们对振动过程的理解将越发深刻,振动的利用范围也将会越发广阔。第章绪论因此,我们研究振动的目的就是来认识各
6、种振动现象的原理,掌握它们的基本规律,从而能有效地设法尽力消除或隔离振动,防止或限制振动所可能引起的危害,同时尽可能利用振动可为人所用的一面。.激振器的概述激振器是一种产生激励力,并将这种激励力作用于其他结构和设备上的装置。激振器使被激物体获得一定形式和大小的振动量,从而对物体进行振动或强度校验。同时,激振器还可以充当激励部件组成振动机械,实现生产过程中对物料的传输、筛分、密实、成型和捣固等工作。按激励形式的不同,激振器可分为机械式、电动式、电磁式和电液式等种类。.机械式激振器机械式激振器是利用离心力施加周期性载荷,图.【所示为几种机械式激振器的结构图。它们都是通过一定的机构直接驱动工作台面振
7、动,工作台面的运动完全由机构的运动学关系决定。老/ , 】、/ 秘丁弋:/渺 曲柄滑块机构 正弦滑道机构 凸轮机构图.机械式激振器台面竖向振动位移:浙江工业大学硕士学位论文其中,一曲柄的长度,厂一为主轴的转动频率主轴通常由调速电机或各类变速机构进行驱动,从而激振器的频率是可调的。机械式激振器工作频率最小值主要由调速系统的低速平稳性决定。同时,其工作频率的最高值由于受轴承磨损等原因的影响,无法较高,一般在以下。此激振器主要应用在低频和大位移的场合处,振幅一般是几毫米到几十毫米。由于轴承间隙的制约,振幅最小不少于.毫米。而且,振动时激振器的反作用力很大,需要有牢固的底座固定。若要高频振动时,在轴承
8、间隙的影响下,构件与构件之间的冲击力急剧升高,造成激振器输出的振动波形变差。.电动式激振器电动式激振器是一种电动变换器,即将电能转变为机械能,对试件提供激振力的一种装置。电动式激振器主要用于对被激对象作绝对激振,因而在激振时最好让激振器壳体在空间保持基本静止,使激振器的能量尽量用于对被激对象的激励上。电动式激振器的工作频率范围较大,可达上千赫兹,但是它自身重量较大、频率上限不高。.弹簧 .壳体 .磁钢 .顶杆 .磁极 .铁心 .驱动线圈图.电动式激振器电动式激振器的结构如图.所示,驱动线圈固装在顶杆上,并由支承弹簧支承在壳体中,线圈正好位于磁极与铁芯的气隙中。当线圈通过经功率放大后第章绪论的交
9、变电流时,根据磁场中载流体受力的原理,线圈将受到与电流成正比的电动力的作用,此力通过顶杆传到被测对象,即为激振力。但是,由顶杆施加到被激对象上的激振力,不等于线圈受到的电动力;传动比电动力与激振力之比与激振器运动部分和被测对象本身的质量刚度、阻尼等因素有关,而且还是频率的函数【。只有当激振器可动部分质量与被测对象的质量相比可略去不计,且激振器与被激对象的连接刚度好,顶杆系统刚性也很好的情况下才可以认为电动力等于激振力。电动式激振器的应用十分广泛,如汽车上关键部件经过若干时间变频振动,可检验其部件抗振性指标是否合格;电动工具开关经过若干时间位移振动,可检验其在振动模拟在实际使用下情况下触头跳动情
10、况,以考查其触桥和弹簧系统是否合格等。.电磁式激振器电磁式激振器是一种不与被激物体直接接触的激振器,利用电磁力充当激振力。其无附加质量和刚度的影响,而且激振频率也较高,但是在重载场合往往显出激振力不足的缺点【】。电磁式激振器的原理如图.所示【】,主要由电磁铁、悬挂弹簧和软铁等组成。线圈中通入周期性变化的外部电流,则在通电线圈中立刻就产生了周期性变化的磁场。这个磁场和电磁铁所产生的磁场会发生相互作用,从而对软铁施加了轴向的电磁力即激振力。电磁式激振器以周期性变化的电磁力作为激振力来维持其持久而稳定的振动,通。过调节输入电流的频率和大小可以控制电磁式激振器的激振频率和振幅【软铁悬 挂:之气隙 气隙
11、圭:乏辜 簧弹刃荔劳 蕊线圈 线圈图.电磁式激振器由于电磁式激振器具有工作频带宽、体积和重量较小和激振力自重比大等优点,所浙江工业大学硕士学位论文以可以配合适当的仪器,如信号发生器或功率放大器等使用【】。电磁式激振器在工业生产中拥有广泛的应用,其可用于结构部件或零件的疲劳试验和大型金属结构、零部件的时效处理。随着电磁电子技术和新材料技术的不断发展,越来越多的新型电磁式激振器出现在人们面前。磁致伸缩式激振器就是一种新型的微型电磁式激振器,它具有极高的振动频率和振动波形基本不失真等特点,可被应用于非圆车削。.电液式激振器电液式激振器是一种利用液压力作为激振力的激振器,其具有激振力大、输出功率大、能
12、量利用率高等优点。同时,电液式激振器可实现频率和振幅的无级调节,还具有体积较小、结构紧凑等特点。图.为电液式激振器的结构示意图,其主要由电液伺服阀、缸体、活塞杆等组成。外部油源的液压油经过电液伺服阀进出油缸,由外部信号控制电液伺服阀后改变液压油切换,从而使缸体内活塞两侧的液压油体积发生变化,则活塞杆就会向两侧往复运动。电液式激振器的激振频率可以通过改变外部信号来进行调节。杆图电液式激振器虽然电液式激振器具有如上的优点,但是由于液压油的可压缩性和液压油流动时的高速摩擦,造成电液式激振器的高频特性不太理想,而且其振动波形较电动式激振器也第章绪论差些。除此之外,电液式激振器结构也较复杂,制造精度要求
13、较高,且液压系统对于工作条件的要求也较高,无形中缩小了电液式激振器的应用范围。表. 四类激振器主要性能比较.电液激振技术的研究现状分析电液激振技术利用电液控制阀控制液压执行元件液压缸或马达做往复直线振动或扭转振动,它可以实现随机振动及多个振动缸同步振动【 。电液激振技术拥有能量密度大、容易实现冷却和过载保护等特点,所以在传统的激振设备中有着无法取代的优势。,比如,种类各异的液压振动试验台被普遍应用航空航天中关键部件的振动测试试验【汽车的道路模拟试验和地震的模拟试验【。 ,水利工程和房屋建筑等重要工程的结构抗震性试验等中。.国外研究现状自从上世纪年代中期,国外就先后开展了对电液激振技术的研究,美
14、国、日本、加拿大、苏联、联邦德国等国家通过探索交流液压理论,开发了交流液压元件,并研制了各类液压振动试验台【】。开始阶段,多数振动试验台一般采用传统的机电控制方式来浙江工业大学硕士学位论文对振动过程进行控制,而且操作过程过于繁琐、振动精度偏低、结果数据的存储不便,这些因素都在不同程度上限制了激振设备的应用和发展。随着现代信息技术的发展,计算机控制技术己被越来越多的引入到激振设备中,较好地满足了现代工业对于激振试验设备的需求。国外的一些著名大学,如美国十大学伯克利分校、德国亚琛工业大学、日本东京大学等研究电液激振技术的历史比较长远,在振动模拟技术研究方面一直处于世界领先水平【。年代末期加州大学伯
15、克利分校首先建成了世界上第一台水平和垂直同时工作达.的双向地震模拟振动台,紧接着在年,日本三菱公司为日本国家防灾中心研制了最大的大型单向模拟地震台一水平和垂直方向为】。如今国外激振试验设备以公司、 公司、公司、公司、 公司、公司和公司等的产品最为技术先进和功能完善,在国际市场占据大部分市场份额。图.为公司研制的双轴疲劳加载测试系统【】,在和两个方向上可同时加载载荷,并且在方向还可同时完成加载扭矩和监测角位移变化。该系统通常用于喷气式飞机涡轮发动机材料的疲劳试验和设计过程中设计元件、子系统或微小零部件的失效测试。图一双轴疲劳加载测试系统先生是共振试验机测试技术的首创人.年在工作的先生创造了世界第
16、一台共振测试机。在公司先生与测先生技术合作。他们第一次设计并创造了共振测试技术性试试机部高级总工程币验机器,为世界共振测试行业带来了新的技术贡献。在年,.建立了第章绪论他自己的公司。他的特殊目标是在新公司重点将设计和建立动态材料检验系统是高频率共振脉动器共振测试机。的高频疲劳试验机多用于进行测定金属、合金材料及其构件如操作关节、固接件、螺旋运动件等在室温状态下的拉伸、压缩或拉压交变负荷的疲劳特性、疲劳寿命、预制裂纹及裂纹扩展试验。其在配备相应试验夹具后,可进行正弦载荷下的三点弯曲试验、四点弯曲试验、薄板材拉伸试验、厚板材拉伸试验、强化钢条拉伸试验、链条拉伸试验、固接件试验、连杆试验、扭转疲劳试
17、验、弯扭复合疲劳试验、交互弯曲疲劳试验、试验、试验、齿轮疲劳试验。其中生产的一款立式疲劳试验机的频率范围为,单向最大拉伸或压缩静态载荷不小于,如图.所示【】。图.为日本的岛津公司设计生产的.系列电液伺服疲劳试验机【 ,该系列试验机是采用液压伺服机构的疲劳试验机,加载油缸在主机的上部,除用于标准样品的静态、疲劳、断裂韧性等性能的测试以外,主要适合部件的疲劳性能测试。可进行应力疲劳、应变疲劳的试验。配置高温炉或环境箱后可进行高温应变、低温应变疲劳试验。其载荷容量最高可达,行程为。图. 的立式疲劳试验机 图. ./系列电液伺服疲劳试验机上世纪年代初期,前苏联 教授等采用液压自激振荡技术开发了一种新结
18、构的电液激振器,并研究了油液流经振动体油道时的动态特性。进入世纪,国外学者在不断研制电液激振系统的同时,更多地关注基本理论和系统稳定性的研究,从而使电液激振技术的发展又迈入了一个阶段。日本学者浦井隆宏教授提出了一种新型浙江工业大学硕士学位论文结构的液压激振系统,通过一个比例螺旋阀和一个高速启闭的螺旋阀控制两个单杆活塞,从而产生液压激振,同时对其频率和振幅的控制进行了深入研究。.国内研究现状我国对于电液激振技术的研究较国外较晚,始于上世纪年代中期,通过引入国外电液激振设备来进行激振技术试验研究。年至年,机械部和电子部合作成功研制出我国第一台国防系统专用的电液式振动台,此后国内许多高校和科研机构也
19、开展了对电液激振技术的研列,如同济大学利用美国公司的向水平地震模拟振动台,将其改造为三向六自由度。到了年代末期,国内已经成功研制出用于军工系统中导弹、卫星、飞机及武器装置等振动环境模拟的高频大推力电液式振动台。国内研究电液激振台的单位主要有:哈尔滨工业大学电液伺服仿真及试验系统研究所、浙江大学、西安交通大学、武汉理工大学、中国水科院、航空所、中国地震局工程力学研究所等【 ,并取得了一定的研究成果。年月,中国地震局工程力学研究所与哈尔滨工业大学联合研制出了三轴六自由度振动台,最大加速度可达,台面负载质量为吨,频率范围为.,如图.所示。浙江大学研究的电液比例控制激振系统获得了良好的控制效果,它采用
20、了基于总线的高性能、低成本的全数字式电液激振台测控系统,并提出了可拓智能控制策略的解决办法【引。浙江工业大学阮健教授所在的课题组为浙江宝业集团研制了的单自由度电液激振地震模拟台引,如图所示。该激振台最高载荷重量,采用控制算法实现加速度波形的较好再现,可以输入方波、正弦波和随机地震波形等,取得了较好的模拟地震效果。图. 中国地震局地震模拟激振台第章绪论图.浙江工业大学研制的地震模拟台年,太原理工大学的郝建功和廉红珍等学者提出了一种利用转阀阀芯连续转动驱动的液压激振器,结构如图.【】所示,此激振器的激振频率较普通激振器大幅提高。其有杆腔长通高压油,阀芯转动时使无杆腔的压力在高压和低压之间周期性转变
21、,进而使缸内活塞往复运动,向外输出振动。但是振动幅值的变化需要通过改变外部油源压力来实现,造成控制精度和响应速度不易提高,且偏置控制较难实现。缸体图一转阀式电液激振器国内的一些生产厂家在年代初也对电液激振设备进行了研制,主要是研制相关的浙江工业大学硕士学位论文疲劳试验机,其中前期比较著名的主要有红山试验机厂、长春试验机厂和济南试验机厂等。如今越来越多的厂家开始对电液激振设备进行研究,并逐渐开发出了电液伺服试验机,其中比较有代表性的公司如深圳瑞格尔,图.为其所生产的电液伺服试验机【】,主要用于零部件的动、静性能试验。其最大输出载荷可达,工作频率在.之间,可以实现三角波、正弦波、方波、斜波和组合波
22、等波形的试验测试。对于电液激振器的频率的提高,国内主要通过改善电液激振器的控制算法。哈尔滨工业大学的韩俊伟等采用极点配置方式的三状态控制器提高电液伺服系统的加速度响应频宽,增强系统稳定性;北京机械自动化研究所研制出了基于型动圈式高频伺服阀的电液激振器,并已成功用于线性摩擦焊接系统,其最高激振频率已达到:北京工业大学的宋苏等学者采用谐振控制器利用谐振的能量拓宽激振器频宽。图深圳瑞格尔生产的电液伺服试验机.国内外研究现状分析近些年以来,国内外电液激振技术的研究有着以下新的发展趋势:.电液激振技术朝着高频的方向发展电液激振技术的发展是为了满足工业生产中的实际需要,对航天、航空等关键行业中新开发的产品
23、进行振动环境模拟试验时,常需要大吨位以上、高激振频率以上的电液式激振器,这样就可以利用一个激振器完成整个频段的振动环境模拟试验引。电液激振的激振频率取决于其所使用的伺服阀的频宽,所以对于提高伺服阀频宽的研究就成了电液激振技术研究的一个重要方向。.电液激振技术朝着数字化和智能化的方向发展第章绪论随着现代电子信息技术的长足发展,各种新的控制技术及原件也如雨后春笋不断涌现。如今工业生产对于设备的稳定性及精确性的要求越来越苛刻,这也无形中对激振设备的稳定性和精确性也提出了更高要求,所以数字化和智能化也就成为了电液激振技术未来发展的一个主要方向。.选题的意义及研究内容.论文的选题背景及研究意义液压激振技
24、术虽然具有输出功率大、能量利用率高、输出特性易于调节、结构简单、运行可靠等优点,但受制于液压控制阀频宽的限制,传统的液压激振设备的激振频率一般较低。所以,传统的液压激振设备通常应用于低频和大激振力的场合。近年来,随着科学技术和工业生产的不断进步,机械设备功能化及精密化的发展势头十分迅猛,对零部件小型化和精细化的要求越来越高。为了满足这些要求,则所用材料必须具有高硬度、高韧性和高耐磨性,而具有这些特性的材料其加工难度也特别大,因此又出现了新的难加工材料。难加工材料就是这样随着时代的发展及专业领域的不同而出现,如:不锈钢、耐热钢、钛合金等新材料的应用日益增多。这些材料虽然具有良好的使用性能,但大多
25、加工性能差,对其进行切削和磨削加工相当困难,仅依赖于刀具材料的改进还是远远不能满足加工需求,因此研究出其特有的加工技术一振动切削技术【”。上世纪年代后期,振动切削第一次被应用于传统大尺寸金属切削。振动切削是一种脉冲式的切削。在切削工程中,刀具周期性地离开和接触工件,其运动速度的大小和方向在不断地改变,如图.所示【】。由于振动切削在难加工材料和普通材料难加工工序加工中具有很好的工艺效果,因此世界上各工业发达国家对其不断重视并积极地进行研究开发。日本、美国、苏联、英国、德国等先后开展了振动切削的研究工作,并取得了较大的进展和进入了实际应用阶段【。园葛二份图.振动切削示意图浙江工业大学硕士学位论文振
26、动切削和传统普通切削相比,振动切削在许多方面都具有极大优势【。振动切削时可有效减小切削力,刀具在振动的影响下,刀具与工件之间的摩擦大大降低,使切削时的切削力下降到普通切削的/。振动切削时,切削力和切削热都以脉冲形式出现,使切削热的平均值大幅度下降。切屑的平均温度仅左右,切屑完全没有氧化变色,即使用手去摸也不会烫伤。振动切削明显地提高了切削过程中的动态稳定性,减轻或消除了普通切削时经常发生的振动现象,从而大大提高了加工精度与表面光洁度。同时,振动切削时,由于切削力小、切削温度低、冷却充分,使刀具的耐用度明显提高。对等离子喷涂层、高钛合金等难加工材料进行切削时,刀具寿命一般提高倍。但现阶段应用振动
27、切削技术都是通过对刀具进行振动,己达到振动切削的目的。但这种方法应用在重载加工的场合时,由于对刀具施加振动的激振装置无法输出足够的激振力,从而使切削过程无法完成。大量的生产实践经验表明,物体在达到共振状态下,可以达到最节能和省力的效果。因为在共振时,只需要最少的能量就能够使物体实现最大的振幅和附加动应力。在振动切削时,为了达到节能和简便的目的,则激振频率及激振力就成了振动切削过程中两个至关重要的因素。为了满足重载情况下振动切削的应用要求,急需一种新型的大激振力、高频微幅和频率可调的激振器。所以,本文开展了一种高频电液激振器的研制及相关研究工作。.论文的研究内容本课题来源于导师国家自然科学基金项
28、目“高频电液颤振发生器的关键技术基础研究”,本文提出了一种高频电液颤振发生器的结构,并对其进行了仿真分析和实验研究,进而得到颤振器的相关性能指标。具体研究内容如下:依据振动切削加工对于颤振器的需求,在查阅相关技术手册和结构优化的基础上,进行颤振器的结构设计。在软件环境下建立颤振器各个结构部件的三维建模,并将其装配成完整的颤振器整体。本文设计的颤振器主要由颤振模块和高频激振阀这两大部分组成,设计中对结构部件进行了材料选择和强度校核。对本文提出的高频电液颤振器工作原理进行了系统介绍,根据阀口流量方程、液压缸流量连续性方程和力平衡方程建立颤振器整体系统的传递函数,从而建立了颤振器系统的数学模型。第章
29、绪论中进行静力仿真和模态分析,得到弹颤振器弹性端盖导入至性端盖的弹性刚度和前六阶振型。并将得到的颤振器数学模型利用进行系统仿真,得到颤振器在不同频率下的输出振动位移幅值。搭建颤振器系统的实验平台,通过调节高频激振阀的转速,测量颤振器在.下的压力、位移和加速度信号,分析各信号的变化趋势,并对加速度信号进行幅频和频谱分析。最终,对颤振器弹性端盖振动位移的实验波形和理论波形进行对比分析。.本章小结本章主要介绍了各种不同的颤振器和电液激振技术国内外的研究现状及发展趋势,并对论文的选题意义及研究内容进行了具体说明。首先对比分析各种传统激振器的优缺点,最后着重说明本文提出的颤振器相比较于传统颤振器的优点。
30、浙江工业大学硕士学位论文第章高频电液颤振器的模块化设计.引言传统的电液式颤振器多采用双出杆液压缸或差动连接的单出杆液压缸作为振动输出机构,其缸内活塞质量一般较大,同时缸内的振动腔油液体积也相对较大,造成活塞在进行往复运动输出振动时,颤振器的整体系统固有频率较难达到一个较高水平。而且,传统的电液式颤振器采用的控制元件一般为电液伺服阀,受制于其结构特点,伺服阀工作时输出的颤振频率也较低。这些问题使得电液式颤振器在很多场合都不适用,尤其对于振动辅助. 技术,其所适用的颤振器需满足高频、微幅和大颤振力等特性。本文提出的高频电液颤振器采用新型高频激振阀控制无出杆单作用液压缸的结构,同时对颤振控制部分和颤
31、振输出部分进行了改进,可以有效地解决因上述部分的原因造成颤振器系统固有频率难以提高的问题,使得颤振器可以在一个较高的颤振频率下工作,同时能够输出非常大的颤振力,有希望应用于重载的铣削或切削加工。本章首先阐述了高频电液颤振器的工作原理,详细介绍本文提出的高频电液颤振器的结构设计情况,包括颤振缸和高频激振阀,并对颤振器整体系统关键部位进行了强度校核。.高频电液颤振器的工作原理及特点.高频电液颤振器的工作原理电液颤振器输出的激振频率由其控制元件激振阀的频响特性决定,由于普通滑阀结构特点的限制,工作时油路切换的频率响应较低。故本文提出的高频电液颤振器采用一种新型转阀结构作为控制元件激振阀,其相比较与普
32、通滑阀,具有更好的频响特性,可以达到更高的油路切换频率。此时,电液颤振器的激振频率由阀芯转速与每转阀芯沟槽与阀套窗口之间沟通次数的乘积决定,所以改变其上的参数,可以将电液颤振器轻松提第章高频电液颤振器的模块化设计高到一个较高水平。颤振器的工作原理如图.所示,激振阀阀芯的旋转由伺服电机驱动,使沿阀芯台肩周向均匀开设的沟槽与阀套上窗口相配合的阀口面积大小成周期性变化,且相邻台肩上的沟槽相互错位,造成通过激振阀的油液方向实现周期性改变。激振阀的阀芯总共有个台肩,分别为、和台肩。工作时,当阀芯转至图.所示位置时,.连通,液压油通过激振阀从油源进入左右振动模块,使弹性端盖变形突出;当阀芯转至图.所示的位
33、置时,.连通,液压油通过激振阀从振动模块流回油箱,弹性端盖变形回复。电液颤振器的工作频率等于激振阀的阀芯转速和激振阀每周转动中阀芯槽口和阀套窗口间通断次数的乘积。激振阀阀芯为细长结构,转动惯量很小,又处于液压油的润滑状态中,且经过齿轮机构的转速放大作用,因而阀芯可以达到很高的旋转速度,从而获得较高的工作频率。若阀芯沟槽数与阀套窗口数相同,则所有阀芯沟槽和阀套窗口同时通断,这种称为全开口型;反之,称为部分开口型。本文提出的颤振器中采用的激振阀为全开口型,其阀芯每周转动的通断次数即为阀芯沟槽数,最大通流面积即为阀芯沟槽与阀套窗口连通面积和阀芯沟槽数的乘积,从而可通过较大流量,颤振器振幅也相对较大。
34、同时,利用安装在集成阀块上的插装节流阀可以在不改变系统流量的情况下,调节进出左右两颤振模块的油液流量。当颤振器的工作频率达到其谐振频率时,可通过调节插装节流阀使颤振器在较小的流量下仍然输出谐振振幅。这时,颤振器的振幅可以在工作时很方便的进行改变,以满足不同工作条件的需求。浙江工业大学硕士学位论文?图.颤振器工作原理当颤振器处于图.所示的位置时,台肩、处的阀芯与阀套的配合关系如图.所示,此时台肩阀口处于完全开启状态,由于台肩窗口与台肩窗口相互错位,所以台肩阀口正好处于完全闭合状态,?导通,压力油进入颤振缸,颤振缸内压力上升,颤振缸弹性端变形凸出:当颤振器处于图.所示的位置时,台肩、处的阀芯与阀套
35、的配合关系如图.所示,此时台肩阀口处于完全闭合状态,台肩阀口处于完全开启状态,?导通,在弹性端盖回复力的作用下,液压油流出颤振缸,颤振缸弹性端回复。台肩处 台肩处图.端盖凸起时台肩、处阀芯与阀套配合图第章高频电液颤振器的模块化设计台肩处台肩处图.端盖回复时台肩、处阀芯与阀套配合图.高频电液颤振器的的特点这种高频电液颤振器具有如下特点:振动频率高。常规的液压振动都是通过液压缸内活塞往复运动产生振动,由于活塞质量一般较大再加上载荷重量,频率高时加速度大,惯性力和阻尼力都很大,需要极大的回复力来克服惯性力来进行振动,因此,实现高频振动难度非常大。而这种高频电液颤振器是高频交流液流直接作用在弹性刚度较
36、大的弹性端盖上,使弹性端盖产生往复形变,仅需部分克服负载的惯性力且没有阻尼力,再借助弹簧钢具有的很大弹性回复力,可以实现很高的振动频率,振动频率主要取决于交流液流的脉动频率。功率密度大。这是液压技术的显著特点,即较小重量的液压设备可输出较大的功率。除于油源外,这种高频电液颤振器仅由颤振模块和高频激振阀组成,体积很小,但却能输出较大的功率,比同体积的机械或电磁振动器输出的功率要大很多。结构紧凑。将高频激振阀通过连接块与左右两个振动模块体连接在一起,省去了其他的连接油管,而且结构更加紧密牢固,可以方便地在很多场合得到应用。固有频率高。由于省去了连接管路,并且主振动腔内容积很小,油路直接与高频激振阀
37、相连通,油道内油液体积也很小。再加上颤振器整体的结构分布紧凑,颤振器重量也较小,所以颤振器的固有频率较高。颤振振幅大。通过调节颤振模块中可调振动腔容积的大小,可以使颤振器最终工作在其谐振频率下,从而让弹性端盖的振幅达到最大,而且这种情况下颤振器所消耗的能源也较低。容积可变。通过旋转旋塞可以实现主振动腔与可调振动腔之间的通断,当需要浙江工业大学硕士学位论文改变可调振动腔的容积时,将旋塞向外旋转,使主振动腔与可调振动腔连通,此时两腔内压强相等,调节时非常省力。不需要调解时,只需将旋塞旋进就可以了。工作可靠。可靠性主要取决于高频激振阀,由于高频激振阀的阀心转动惯量小,又处于很好润滑状态中,能够长时间
38、可靠工作。成本低。相比较于传统的机械电磁式的激振器,在同等体积和重量的情况下产生高频振动和输出大激振力的情况下,本论文所提出的高频电液颤振器具有成本上的优势,而且在节能方面也较普通的颤振器具有更好的经济性。可见,这种高频电液颤振器在工作性能、节能性和经济性等方面较其他颤振器具有很多的优点,是实现大激振力、高频和微幅振动的一种非常理想的解决方案。.高频电液颤振器的模块化结构设计传统的电液式激振器一般由控制元件和执行元件组成,其控制元件多选用普通液压控制阀或电液伺服阀,利用反馈的方式使执行元件液压缸进行周期性地往复运动,进而对外输出激振。但传统电液式激振器只能在一个较低的频段内进行激振,由于电液式
39、激振器的激振频率取决于其控制元件的工作频率,而普通液压控制阀和电液伺服阀基本都为滑阀结构,造成传统的电液式激振器激振频率难以提高。本论文提出的高频电液颤振器采用了转阀结构的激振阀,其阀芯可在伺服电机的驱动下沿周向高速旋转。激振阀通过这种结构可显著提高油路的切换速度,从而大幅度提高激振阀的工作频率。传统的电液式激振器除了控制元件制约其激振频率的提高,执行元件对于激振频率的影响同样不容忽视。传统的电液式激振器执行元件一般为双杆活塞液压缸或差动连接的单杆活塞液压缸,液压缸缸内活塞质量一般较大,而且液压缸内油液体积也较大,造成激振器整体系统固有频率很难达到较高水平。同时,液压缸的尺寸恒定,工作时固有频
40、率无法进行调节。本论文提出的高频电液颤振器所采用的执行元件采用工作容腔体积可调的结构,可实现随被振工件的不同而调节系统固有频率的功能,从而使激振器可工作在其谐振频率处,达到利用较少能量即可使工件在较大振幅处振动的目的。.高频电液颤振器振动模块的设计振动模块的结构设计本文提出的高频电液颤振器采用一种模块化的设计思想,将传统电液式激振器的执第章高频电液颤振器的模块化设计行元件用模块来代替,从而可以利用一个颤振器驱动不同数目的振动模块,完成对不同重量负载的振动。图.颤振器三维模型图本文提出的高频电液颤振器的振动模块数目为,主要包括左右振动模块和连接块,如图.所示。左右振动结构相同,均包括一个模块体、
41、一个弹性端盖和一个振动容腔调节机构,弹性端盖固定于模块体上,弹性端盖与模块体形成主振动腔;振动容腔调节机构包括活塞、活塞杆、丝杆、连接板、调节杆和旋塞,活塞与模块体形成振动可调腔,如图.所示。通过旋转旋塞,可以实现主振动腔和可调振动腔在模块体内油路的通断,同时,左右振动模块通过连接块连通。当工作负载超出左右振动模块输出的颤振力上限时,可以通过增加振动模块的数量来满足不同场合下颤振力的要求。外部油液经过连接块流向左右振动模块,进入振动模块内的主振动腔,驱动弹性端盖输出振动。主振动腔与可调振动腔的容积之和恒定,改变可调振动腔容积大小,即可实现对主振动腔容积的调节。调节可调振动腔时,旋转外侧的调节杆
42、,则连接板通过丝杆前后运动,带动振动模块体内的活塞也前后运动,实现可调振动腔容积的调节。当调节可调振动腔时,首先将可调振动腔与主振动腔连通,可以方便省力地完成调节可调振动腔:当振动模块输出振动时,再将可调振动腔与主振动腔断开,以保证工作时主振动腔容积恒定,使振动模块工作时的固有频率恒定。为了实现上述目的,在主振动腔和可调振动腔油路间设置了一个旋塞。旋塞向外旋起,主振动腔与可调振动腔连通:旋塞向内旋入,主振动腔与可调振动腔断开。可调振动腔与主振动腔断开时,可调振动腔内油浙江工业大学硕士学位论文液保有一定压力,可以承受部分主振动腔传递来的压力,从而减小丝杆所承受的压力。可图?振动模块结构图颤振器工
43、作时,被振物体固定在左右弹性端盖上,伴随弹性端盖一起振动。由于左右颤振模块结构相同,且左右对称,油液从激振阀流出后到左右振动模块的距离相同,所以左右弹性端盖的振动特性也是完全相同,即振幅和振动频率一致。振动模块对外的振动输出通过弹性端盖的往复变形来实现,所以弹性端盖的特性很大程度上影响着振动模块的振动效果,对颤振器而言是其非常重要的一个部件。弹性端盖选用何种的材料就基本决定了弹性端盖可以达到什么样的性能,所以弹性端盖的材料在初始设计颤振器时是一个需要重点考虑的参数。由颤振器工作时需实现的一些要求,弹性端盖材料必须具有较高的弹性比和较高的弯曲疲劳强度,同时还需要具有较好的均匀性。本文提出的颤振器
44、选用钢作为弹性端盖材料,其属于?系弹簧钢,具有较高的强度、硬度、回火稳定性及淬透性,在工业生产中拥有广泛的应用。一般情况下,其力学性能如表.所示?。表?一般情况下钢的力学性能第章高频电液颤振器的模块化设计振动模块的结构尺寸主要包括主振动腔内径和可调振动腔内径砬,而此时主振动腔和可调振动腔可被视为传统意义上的液压缸【】,所以和优先选取国家标准/.中尺寸,也为下一步密封件的选择提供便利。同时,由振动模块对外输出振动力的要求,可大致确定主振动腔内径日和可调振动腔内径。确定可调振动腔内径,后,由油腔内压力及/ .确定活塞及活塞杆的直径。可调振动腔调节机构中丝杆直径根据主振动腔内最大工作压力来确定,同时
45、考虑到可调振动腔内油液的保压作用,丝杆直径可适当减小。振动模块内密封件基本采用形橡胶密封圈,参考/.。颤振模块的主要尺寸参数如表.所示。表.振动模块主要尺寸参数名称 参数尥主振动腔直径/如可调振动腔直径/啪可调腔深度/捌 ,眦柏振动模块外形尺寸/拗弹性端盖外径/弹性端盖厚度/加活塞杆直径,四丝杆螺纹 如连接板厚度/由上述颤振模块的参数,可得单个颤振模块的主振动腔的固定容积为怪万譬蛙.。肌,并且因为可调振动腔大小的变化,主振动腔的容积最大容积可达吩撇住十嗬调.。.。关键部位的强度校核颤振器工作时,颤振模块内充入了高压油液,弹性端盖在油液的作用下往复运动,所以为保证颤振器工作时的稳定和安全,颤振器
46、关键部位的受力情况须在许用范围内。本文提出的高频电液颤振器按照传统意义上的液压缸分类属于端盖类液压缸,即端盖通浙江工业大学硕士学位论文过螺栓固定在缸体上【】。颤振器的颤振模块体相当于传统意义上的缸体,其要求有足够的强度和冲击韧性,这里选用的材料为钢,可以满足工作时的要求。可调振动腔在调节容积时,活塞杆与可调振动腔内表面会产生摩擦,所以可调振动腔内表面尺寸公差等级和形位公差等级须能够保证活塞杆密封件的密封性。颤振器设计时的最高工作压力为,其关键部位的校核都以能满足在这个工作压力下保证颤振器稳定和安全工作为目标。.缸体壁厚的校核首先对颤振器中的缸体壁厚进行校核,由于缸体壁厚与缸体内径的比值大于.,所以缸体壁厚的校核公式选用:.万氧辟磊一,其中,万为缸体壁厚:为缸体内径;。一为缸体内的最高工作压力;盯为缸体材料的许用应力。颤振模
