液压阻尼器试验台的设计.docx

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1、1 绪论1.1 论文研究背景及意义1.1.1 液压阻尼器1.1.2 振动台1.1.3 电液伺服系统 1.2.1阻尼器试验台的发展现状 1.2.2 阻尼器性能的检测 1.2.3 课题的意义1.2 本课题拟解决的关键问题和研究方法2 液压阻尼器试验台的设计2.1 试验台试验系统设计要求2.2 液压阻尼器的试验要求2.3 控制系统方案的确定2.4 试验台液压系统的确定3 试验台液压系统结构设计3.1 激振器设计 3.1.1 静态设计3.1.2 计算激振器的性能参数3.2 伺服阀选择计算3.2.1 大流量伺服阀的选取3.2.2 小流量伺服阀的选取3.3 系统的流量供给及油源设计3.3.1 液压伺服油源

2、的要求3.3.2 液压能源的种类和确定方案3.3.3 油源设计计算3.4 蓄能器组选择3.5 系统油箱的设计3.5.1 油箱的分类3.5.2 设计油箱需考虑的因素：3.5.3 油箱的设计3.5.4 油箱附件的选择3.5.5 过滤器的选择3.5.6 冷却器3.6 管道尺寸确定3.6.1 管路材料3.6.2 管接头3.6.3 管路的选择安装3.7 管道的密封3.8 系统阀块设计4 液压阻尼器试验台结构设计4.1 试验台架设计4.1.1 计算设计左、右支撑立板4.1.2 左右滑动板设计4.1.3 导向轴的设计计算4.2 试验台的电控系统4.2.1 油源的电控系统4.2.2 振动台传感器应用5 总结1

3、 绪论1.3 引言 所谓阻尼，是指使自由振动发生衰减的各种摩擦与其他阻碍作用。而阻尼器，是一种以安置在系统结构上的阻力来消耗运动能量，从而加快振动衰减，以用来减缓冲击的装置。阻尼器可分为固体粘滞阻尼器、 空气阻尼器和油阻尼器等。具体应用有脉冲阻尼器，粘滞阻尼器，液压阻尼器，阻尼铰链等。而其中，液压阻尼器则利用能够对速度反应灵敏这一特点广泛应用于大型工程的管道及设备，来达到减振消能的目的，使设备不至于因振动过快而损坏。 近些年来，随着社会技术的发展，对阻尼器的研究技术也进一步的提高，对其进行试验、检验的技术也日益增进，因此液压阻尼器在很多场合都得以应用。既在军工产业中占据重要地位，也在民用产业中

4、发挥作用。对于阻尼器的广泛运用，其安全性对与系统有着重要的作用。因此，为了保证阻尼器在各项参数上达到所需要的标准，要使用专门的试验系统来检测其性能。1.1.1 液压阻尼器 液压阻尼器是阻尼器的一种具体应用，它是一种液压式进给速度控制装置，能够在从低速到高速的范围内自由调节气缸的进给速度。液压阻尼器的控制方式分为弹簧返回型和空气返回型两种。液压阻尼器，无论是于军工、航天领域，还是民用工程领域，均有大量应用。相较于其他阻尼器，液压阻尼器具有防腐性好，结构紧凑，动态响应快等特点，更多的应用于大型工厂的管道及设备的抗振动方面。1.1.2 振动台 振动台可以提供典型振动条件，它可以用来评价和检验各类工程

5、设备装置的机械力学性能。振动台一般可分为液压式，振动式和机械式等三种。其中，液压振动试验台具有快速响应，高精度，多功能等特点，可以很好的完成新型液压阻尼器及其他设备的各种性能试验。因此，液压振动试验台对液压阻尼器的性能检验起了极为重要的作用。1.1.3 电液伺服系统 电液伺服系统是一种液压控制系统，它的控制核心是伺服元件。电液伺服系统一般由指令装置，放大器，控制器，伺服元件，执行元件，液压源，反馈传感器，及负载等组成。（一） 电液伺服系统的发展史 液压伺服技术最初的发展是在二战期间。在当时，采用单纯的电磁元件的控制系统，已经不能满足军事上如先进武器的控制系统的大功率、高精度等的一系列高性能要求

6、。因此，能够满足这些要求的液压系统发展了起来。后来，随着基本理论的完善，到60年代初期，在军事部门和民用工业中，液压伺服系统已经被大规模的应用起来。虽然液压伺服系统具有优良的动态性能，但它同时具有成本昂贵，维护困难等缺点。因此人们开发了电液比例控制这一相对廉价的一种液压伺服技术。 近些年来，随着在一些重要元件性能上取得突破，机电伺服技术不断发展。除了航空航天领域外，大多数设备都采用了机电伺服系统。但对于直线运动的控制，相对于液压伺服系统，机电伺服系统仍有不足。（二） 电液伺服系统的特点 这里我们采用液压伺服系统，其主要原因是同其它系统（如气动伺服系统等）相比，它具有如下优点：（1） “功率重量

7、”比大（2） 力矩惯量比大（3） 液压马达的调速范围宽（4） 能实现大功率直线伺服驱动，且结构简单（5） 系统刚度较大（6） 润滑性能好1.4 论文研究背景及意义1.2.1阻尼器试验台的发展现状液压阻尼器试验台现阶段具有如下特点：结构紧凑，安装空间小；防腐性能好；阻尼力大；动态响应时间短等。这些优点让液压阻尼器试验台在液压阻尼器试验领域得到广泛应用。现如今随着技术的发展，已能将计算机技术与试验台相结合。这便可以提前设定好参数，进一步提高试验台的工作效率，改善试验台的操作性能。对液压阻尼器试验台性能的改进，国内外都进行了充分的、深入的研究。（1）国外阻尼器试验台的研究发展现状国外企业很早便展开了

8、液压阻尼器试验台方面研究。某些企业在九十年代初期便已推出了具有代表性的系统。他们实现了电液伺服系统与计算机技术的融合。这一创新，实现了试验精度的提高和系统功能的增强。 国外液压阻尼器试验台的优点主要有以下几个方面：1） 系统采用数字化控制方式，使得阻尼器试验台系统反应时间更短，控制更加准确。2） 采用了更加合理的结构技术，如非金属喷涂，动、静压支撑等，增强了试验台运行性能，提高了运行精度。3） 国外试验台智能化，网络化程度更高。这使得试验效率得到提高，试验范围也更大。 国外的液压阻尼器试验台虽然性能优异，但在引进过程中仍然存在一些问题：1） 这些先进试验台的价格比较高，对国内一些中小企业来说，

9、资金不足便成为了一个问题。2） 国外试验台技术复杂，维护成本也就变高。而且引进的机械，资料一般都为外文编写，因此语言问题便又是一个难点。3） 地理上的距离使得供货时间变长。这无疑增加了企业的时间成本。（2）国内阻尼器试验台的研究发展现状 相比于国外，国内企业对于液压阻尼器试验台的研发起步比较晚。整体的研究水平也就相对落后。如今，经过相关科研人员的不懈努力，在计算机控制、高精度测量等方面，已经做出了相当的成果。然而，与国外同行业先进水平相比，我国阻尼器试验台仍有许多不足之处，亟待改进：1） 由国内企业研发的阻尼器试验台尚不能很好的满足大载荷的测试要求。2） 国内企业尚未研发出专业的软件系统，只能

10、受到国外把持。由此，反映出的是国内企业在软件开发领域力量的薄弱。3） 国内试验台整体的集成度不足。国内企业不能很好的将机械、液压、电气等方面的技术融合进试验台中。 1.2.2 阻尼器性能的检测 对阻尼器的性能测试一般通过试验台来完成。一般来说，有以下几项测试内容：（1） 低速运行下阻力测试。即：当阻尼器在设定的低速下运行时，检测其受到的阻力。并绘出阻力与时间的关系曲线。（2） 锁死速度试验：当有不同的负载作用时，找出让阻尼器控制阀自动闭锁的那个速度。并描绘出负载与速度的关系曲线。（3） 阻尼器的抗疲劳试验：检测阻尼器在N次运动中的损耗程度，对其的性能进行评估。（4） 阻尼器的动态刚度试验：设置

11、某一频率，将阻尼器最大载荷设置成额定载荷。绘出载荷与位移关系图。 1.2.3 课题的意义 本课题为高精度，大载荷液压阻尼器试验台的研发。液压阻尼器试验台是一种高新技术产品。它集机械结构开发，液压系统开发，电路控制开发于一体，在液压阻尼器性能检测方面起着极为重要的作用。目前，美、日等国几乎垄断了我国在高精度、大载荷液压阻尼器试验台方面的市场。这说明我国产品同国外先进产品之间仍有不小差距。本课题就是希望能在高精度、大载荷试验台的研发上能够有所突破，为我国的试验台发展做出贡献。因此本课题具有很强的理论意义和现实意义。1.5 本课题拟解决的关键问题和研究方法 调查研究阻尼器试验台的工作情况，熟悉阻尼器

12、试验台各零部件之间的合理组装。根据阻尼器试验台的形状、尺寸、性能等要求的分析结果，确定阻尼器试验台基本设计方案，液压系统的设计和状态分析，并对液压系统的效能及效能的恒定进行评估，使其满足各项参数的要求。 首先根据已知条件确定初始设计方案，根据方案计算各项参数。然后，根据参数检验方案是否满足设计的要求。根据比较结果调整所得参数。这样通过多次的分析、检验、修改，指导整个系统的工作性能完全满足所需的要求。 2 液压阻尼器试验台的设计2.1 试验台试验系统设计要求 在推力、压力、频率等不同条件下，阻尼器试验台完成对阻尼器性能的检测工作。收集数据后，利用力和速度等多种传感器将数据输出。将输出的数据在计算

13、机中整理，并依据这些数据对阻尼器性能进行检验。其主要技术要求有： 最大动、静态力：1000kN； 工作频率：1-33Hz(逐个频率点)； 振幅要求：1Hz时20mm；10Hz时5mm； 激震器最大行程：150mm； 激震器最高速度31.4cm/s（10Hz时为5mm）； 激震器最大加速度：40； 高频振动持续时间：2s; 动态试验控制波形：正弦波；系统具有数据采集、查询、存储、打印功能。2.2 液压阻尼器的试验要求1） 低速运行下阻力测试。即：当阻尼器在设定的低速下运行时，检测其受到的阻力。并绘出阻力与时间的关系曲线。2）锁死速度试验：当有不同的负载作用时，找出让阻尼器控制阀自动闭锁的那个速度

14、。并描绘出负载与速度的关系曲线。3）阻尼器的抗疲劳试验：检测阻尼器在N次运动中的损耗程度，对其的性能进行评估。4）阻尼器的动态刚度试验：设置某一频率，将阻尼器最大载荷设置成额定载荷。绘出载荷与位移关系图。2.3 控制系统方案的确定（1） 提出设计的方案 根据液压阻尼器的试验要求，设计出试验台的设计方案： 一 、采用机械化设备。机械设备的优点是性价比高。但机械式振动台直接承载能力小，波形的失真程度较大，振动的形式较为简单。而且该系统负载较大，且不能直接使用常规动力源，而是需要经过复杂结构转化。因此，系统较为笨重。同时机械零件磨损较快，会影响其精度。二、 采用机电一体化设备。相比于机械式振动台，电

15、动式振动台性能更为优异。使用电动式振动台，其可以模拟正弦，随机波等形式的振动，但它的承载能力范围小，不符合本试验系统所提出的要求。三、 响应元件选用液压激振器，控制系统选用液压系统。液压阻尼器试验台可以很好的完成液压阻尼器及其他设备的性能试验。 在以上的几个方案中，液压式振动台相对于其他两个振动台控制范围大、测量精准、波形种类多等优势，因此本设计最终选定的方案是液压式试验台。（2） 拟定设计方案 在阻尼器试验台的技术指标中，液压阻尼器试验的最高速度为31.4cm/s，而在低速时仅为2mm/s10mm/s。说明，当所做的试验不同时，系统的流量不同，变化很大。只安装一台大流量伺服阀使，系统在某些情

16、况下，如大流量，高速的实验中是稳定的。但是在小流量、低速的试验中则是不稳定的。因为系统的精度会因流量输出量小而降低。同理，若只安装小流量伺服阀，则也是不可行的。 解决方案： 由分析可知，我们可以将阻尼器的试验分为两种类型。一种是低速，小流量的静态试验。另一种是高速，大流量的动态试验。由此，我们可以安装两台（大，小流量）电液伺服阀。这样能满足液压系统在不同流速、流量下的需求，解决动、静态实验时流量变化过大的问题。 由此，最终确定符合设计要求的液压阻尼器试验系统设计方案。系统组成为：激振器、电液伺服阀、液压油源、油源控制、拉压式力传感器等。系统设计方框图如下。液压原理图2.4 试验台液压系统的确定

17、 试验台液压系统图如图2.2图2.2 液压系统图1油箱焊接图 2液压空气滤清器 3液位液温计 4蝶阀 5液位控制继电器 6手动变量柱塞泵 7压力管路过滤器 8、13单向阀 9.电机1 0.回油滤油器 11.板式冷却器 12.比例溢流阀 14.先导式溢流阀 15、26高压球阀 16蓄能器 17压力继电器 18、25耐震压力表 19压力表开关 20.电液换向阀 21.减压阀 22 、23电磁换向阀 24压力管路过滤器 27高压蓄能器 28.电液伺服阀 29.三级电液伺服阀 30、31液控单向阀 32压力传感器 33液压激振器34位移传感器 35拉压式力传感器 36电磁水阀 37电接点温度计液压系统

18、的油路分析：1） 动态试验时的油路分析： 首先，打开三台液压柱塞泵，压力油经过压力管路滤油器7、单向阀8进入主油路。这时换向阀22得电；一小部分的压力油流经减压阀21，整个油路压力降低，为大流量伺服阀29的提供压力油；换向阀23得电；液控单向阀30打开；电液换向阀20得电；主油路压力油进入大流量伺服阀29，然后通过打开的液控单向阀30进入液压激振器33推动活塞完成试验。此时小流量伺服阀28不得电，液控单向阀31关闭。2）静态、小流量试验时的油路分析：一台柱塞泵时打开时，压力油经单向阀8进入主油路。换向阀23不得电，液控单向阀31打开；换向阀22不得电，主油路压力油通过换向阀22进入小流量伺服阀

19、，通过液控单向阀31进入激振器33推动活塞完成试验。电液换向阀20不得电，此时大流量伺服阀不工作，而液控单向阀30关闭。 3）系统说明系统采用三台液压泵供油时，是为了在不同试验的需求下，可以自由的选择泵的多少来供油，这样做的目的是为了节约。在泵的都装有单向阀8，这样做的目的是为了隔离三台油泵，在静态、动态试验的转换过程中为了避免压力油倒灌。而当比例溢流阀12突然失电时，单向阀13能够保护冷却器11和低压滤油器10，使其不被蓄能器组27中的压力油冲击。同时，在伺服阀与液压激振器之间安装液控单向阀。这样便将两个电液伺服阀隔离开。3 试验台液压系统结构设计3.1 激振器设计 液压激振器能够输出力、位

20、移、速度等一系列参量。它是系统的执行元件。液压激振器要符合静态试验下各参量的输出要求。同时还要考虑油源系统的开发，激振器本身的安装，电液伺服阀的选取，活塞轴的密封等具体要求。 3.1.1 静态设计由已给出的条件分析得出下表3.1：表3.1 试验台电液力伺服控制系统设计要求和参数项目符号参数单位工作要求被试件质量M500Kg最大静态力Fm1000KN工作频率1-33Hz最大速度Vmax31.4cm/s最大加速度a40m/s2最大行程s150mm控制系统性能参数输入信号下的控制精度ef5高频持续时间t2s 选取供油压力Ps在本课题中，负载数值比较大。故供油压力不能根据常规计算来算。现在，取液压系统

21、的供油压力 确定液压缸的活塞面积 在保证伺服阀阀口有足够的压降的前提下，取负载压力为：则液压缸有效面积Ap为因为液压缸的有效工作面积对于未知数缸筒直径D与活塞杆直径d,按工作压力可取为/=0.7，代入上式得查相关手册得直径圆整为=320mm,且取=220mm。则校核有效面积得查机械设计手册选取液压缸型号为 YHG1G320/220150LF3L1Q图3.1液压缸结构示意图3.1.2 计算激振器的性能参数液压系统的最大流量为（速度按照31.4cm/s计算）：由前面的计算可知，液压激振器有效活塞面积为4.24104mm2。由此可得此时系统所需要的最大的峰值流量为798.6L/min(速度按31.4

22、cm/s计算)。选择蓄能器组，计算系统所需的平均流量：得系统平均流量系统的最小流量为(速度按照计算)。为了检测两腔的压力，将压力传感器安装在液压激振器的两个控制油口。液压激振器的相关参数： 激振器活塞杆直径 激振器活塞直径 激振器活塞面积 激振器最大动态力 激振器最大静态力 动态试验时最大峰值流量 动态试验时所需平均流量 静态试验时所需最大流量 （速度按照计算）静态试验时所需平均流量 3.2 伺服阀选择计算3.2.1 大流量伺服阀的选取大流量电液伺服阀是三级电液流量伺服阀。无载流量是指当供油的压力全部落到阀上时伺服阀的流量。计算大流量电液伺服阀的无载流量的公式为：代入数据得由滑阀压力流量方程式

23、：式中：伺服阀的流量 流量系数液压油密度 液压油压力执行元件的压降由上式可以得到，当滑阀无载流量时，取Pl=0。此时系统的压力流量公式可以简化为下式：在25供油压力下，电液伺服阀无载流量为。由此可求得，供油压力下时伺服阀的无载流量为。额定流量是指当阀上的压降为时的伺服阀的流量。伺服阀额定流量计算公式如下式所示： 带入数值，则额定流量（阀压降）为。选择伺服阀时，所选伺服阀的额定流量应为计算结果的1.1倍。大流量电液伺服阀采用标准式的“喷嘴挡板”结构三级阀形式的大流量电液伺服阀。根据最后的计算结果，最终选用MOOG公司的伺服阀。型号D792S80JOPOGVSAO，D792系列，3级阀，额定流量，

24、315bar的供油压力，四通、轴向配磨、线性特性，先导级为D761的标准型，先导压力15bar，先导外部供油、内部回油，密封材料FPM，电连接器6针、DIN43563，满量程主控信号10V、输出信号10V，供电电压15VDC3，纹波80C），对液压系统正常工作会产生很大的影响，如泄露严重等。如果通过冷却器来降低油温，使其满足液压系统的工作要求。在泵站装配中，冷却器装在系统的回油路上，使回油冷却后再回油箱。 冷却器的选择 在本设计环境中，通过管道管壁，冷却器可以吸收一部分液压油中的热量，加快热量散发。同时还能在液压油中制造紊流，来增加油液的传热系数。对冷却器的基本要求是：保证散热面积足够大，散热

25、效率高和压力损失小的前提下，要求结构紧凑，坚固，体积小，重量轻，最好有自动控制油温装配，以保证油温控制的准确性。冷却器分为水冷式和风冷式，设计中选用的是水冷式，水冷式又分为多管式，板式，片式等。这里选用的是较常用的多管式。这种冷却器采用强制对流的方式，因此有较好的冷却效果。冷却器对油液由一定的阻力，使油液通过冷却器有压力损失。因此可在冷却器上并联一截止阀，当油液不需要冷却时打开截止阀，使油液直接会油箱。3.6 管道尺寸确定3.6.1 管路材料 根据本试验台的工作条件选用无缝钢管，其材料的机械性能为：b=400MPa；s=195MPa；=45%；s=22%。无缝钢管拥有耐压高，变形小，耐油，抗腐

26、蚀等优点。虽装配时不易弯曲，但装配后能长久保持原状，用于中高压系统。无缝钢管由冷轧和热轧两种。在泵站中，主泵与电机正常工作时一般会产生振动。可以在泵的进出油口加软管或在电机座下安装减震垫消除震动，以防止油液将这种震动传递到系统或油箱从而影响系统正常工作，。设计中可采用是橡胶补偿接管和胶管接头总成，安装在泵的进出油口。不合理的管路安装，会不便于设备的安装维护。而且会造成大的压力损失，以至于出现震动噪声等现象。3.6.2 管接头在液压系统中，金属管之间，金属管与元件之间的连接，可采用多种方式。如焊接连接，法兰连接和管接头连接等。若采用焊接连接的方式，由于采用焊接手法及焊接技术的不同，焊接质量不能得

27、到保证。而且焊接连接容易断裂，故不建议采用。采用法兰连接有工作可靠，拆卸方便等优势，但缺点是尺寸较大，因此，只有在管道外径较大时采用。一般情况下，多采用管接头连接。管接头连接的形式分为三大类，包括焊接管接头，卡套式管接头，快速接头。焊接式管接头，具有结构简单，制造简单，密封性能好等优点。工作压力可达31.5MP，应用较为广泛，在泵站装配图中，选用此接头形式。因此设计中没使用，不再叙述。在泵站的装配中，主要使用焊接时管接头连接。但缺点是焊接量小，要求焊缝的质量高。注意各端直通管接头与各元件结合时，结合面上的密封圈不能漏掉。管夹:管道应选用管夹固定好，以防止管道的震动。管夹分为三类：一类是普通管夹

28、。根据管子数量分为单管夹，双管夹和多管夹。另一类是高压管夹。主要用于中高压环境下的管道，其中间木块为增加阻尼，避免震动。第三类是用木块托住钢管。用螺栓固定 ，多用于中低压管路中。3.6.3 管路的选择安装 管子的内径按流速选取式中 Q液体流量 m2/s v流速 m/s。对于本系统取1.2m/s。油管的内径 d根据式：式中：q1通过油管的流量(L/min) V油管中的允许流速（m/s）其中：压力管路流速：v=57m/s回油管路流速：v=25m/s吸油管路流速：v=0.53m/s代入数据：控制油管路：q1=63L/min;v=3m/s得d=22mm回油管路：q1=530L/min;v=5m/s得d

29、=48mm压力油管路：q1=261L/min;v=5m/s得d=34mm油管壁厚的确定油管壁厚按公式式中：p关内最高工作压力（MPa） d油管内径（） 油管材料许用应力对于钢管，p=b/n（b为材料的抗拉强度，n为安全系数）当p时，n为6；当p时，n=4代入数据得压力油管路：p=，n=4，4.76回油管路：p=3.5MPa，n=6，1.26控制油管路：p=3.5MPa，n=6，1.26（3） 油管安装要求由于系统对油液的精度要求较高，全部管路应进行一次管道拆卸，要清洗后干燥，并且涂油以及进行压力测试。最后安装时要保证管道和阀内的清洁。当全部安装后，必须保持油路，油箱的清洁度，使整个系统能正常工作。在设计中，泵占用空间应尽量小，所以整个泵站各个元件在位置布置上显得紧凑，辅助泵，吸油滤油器及回油滤油器都装在油箱盖板侧壁上。3.7 管道的密封 为了保证系统的正常工作和使用寿命，应该系统的管道采取密封，这样做的目的可以保证系统的清洁度以及油液的清洁度。所以在管道连接处应该采用适当的密封圈来使管道达到密封的效果。密封圈的型号主要有O型密封圈、O