动静态液压试验台液压系统设计大学毕设论文.docx

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动静态液压试验台液压系统设计大学毕设论文

摘要

阻尼器是一种能够吸收、衰减冲击与振动的控制装置，随着设计和制造技术的不断提高，其应用越来越广泛．鉴于阻尼器如此广泛的使用，且其对系统的安全性起着至关重要的作用，必须确保阻尼器具备合格的性能指标和制造质量。

因此，研制阻尼器振动试验台对测试阻尼器性能，保证产品质量具有重要意义。

本文调研了阻尼器振动试验台的发展现状，在分析了各类振动试验台性能特点的基础上，提出使用液压振动试验台检测阻尼器的方法，并针对国内外液压振动试验台研究中存在的不足，研究开发了一套具备高精度、大载荷、宽频响等特点的百吨级液压振动试验台系统，并完成了系统具体设计。

对液压振动试验台的系统原理进行阐述，根据试验台的技术指标，对试验台液压系统主要元件和试验台机架进行设计，并针对试验台设计中的技术难点进行分析。

关键词：

阻尼器；液压试验台；性能检测；伺服控制

Abstract

Damperasanabsorptionandattenuationofshockandvibrationcontroldevice,asthedesignandmanufacturingtechnologyThecontinuousimprovementofoperation,itsapplicationismoreandmorewidely.Inviewofthedamperissowidelyused,andthesystemSecurityplaysanimportantrole,mustensurethatthedampingapparatusformanufacturingqualityandqualifiedperformanceindicators.Therefore,thedevelopmenttotestthetesterdampervibrationdamperperformance,ensurethequalityofproductsisofgreatsignificance.Inthispaper,theresearchofvibrationdampertestbenchdevelopmentpresentsituation,theanalysisofthevariouscharacteristicsofvibrationtableBasedontheanalysisofusinghydraulicmethodtodetectdampervibrationtestrig,andinviewofthehydraulicvibrationtestathomeandabroadTestplatformoftheinsufficiencyinresearch,theresearchdevelopedahighprecision,largeload,bandwidth,etcThetonnagehydraulicvibrationtestsystem,andcompletedthesystemdesign.Onthesystemprincipleofhydraulicvibrationtestbench,accordingtothetechnicalindexofthetestbench,maincomponentsandhydraulicsystemontestbenchtestbedframedesign,andinviewofthetechnicaldifficultiesinthedesignoftestbedareanalyzed.Basedontheaboveresearchresults,thetonnagehydraulicvibrationdampertestrigisdeveloped,andinjiangsuelectricpowerRuntheinstallationforco.,LTDThedampertestshowedthatthispaperdevelopedtestrig,Loadcontrolaccurate,reliabletestdata,fullymeettheneedsofenterprisesonthedamperperformancetest.

Keywords:

damper;Hydraulictestbench;Performancetesting;Servocontrol

绪论

阻尼器是一种对速度反应灵敏的振动控制装置，它能够吸收、冲击能量与衰减振动，减少结构的动力反应，控制冲击性的流体振动（如主汽门快速关闭、安全阀排放、水锤、破管等冲击激扰）和地震激扰的管系振动，主要适用于核电厂、火电厂、化工厂、钢铁厂等的管道及设备的减振。

阻尼器是利用充满液压油的液压缸，借助液压缸内活塞上的小孔来获得阻尼作用。

其基本工作原理是，当阻尼器的活塞受到外力冲击时，通过阻尼控制阀和阻尼节流孔，在液压缸两腔产生压力差，从而对外产生阻尼力，该阻尼力的大小与负载速度有关。

近年来,随着阻尼器的设计和制造技术的不断改进,各种各样的测试和检验阻尼器的测试技术的改进,应用越来越广泛。

不仅现在,阻尼器应用于重要军事工程,并已大量应用于土木工程。

针对阻尼器的使用广泛,系统安全起着至关重要的作用。

因此,为了测试和保证阻尼器的技术性能指标和产品制造质量,必须建立相应的阻尼器进行测试系统,阻尼性能测试和质量检验。

第一章液压振动试验台的现状和发展趋势分析

液压振动台的残余,长冲程,承载能力强的优点,阻尼器测试领域获得了极其广泛的应用。

随着计算机技术的发展,计算机振动台可以预先设置参数,如振幅、频率、负载测试方法和起止时间等等。

这使得液体压力振动台具有更好的可操作性和较高的工作效率,成为最广泛使用的阻尼器方法。

国内外对液压振动试验台进行了广泛而深入的研究,具体的研究接口绍如下：

1.1国外液压振动试验台的发展现状

液压振动试验台在国外企业技术方面的研究和应用起步较早，到20世纪九十年代初，国外试验台行业几大公司比较知名的，如美国的MTS、英国的Iasdn、德国的Shenck、日本岛津等，已推出其代表性的数字控制试验台系统。

这些公司在其原有模控技术的基础上，采用了计算机控制与电液伺服相结合的技术，提高了试验精度和增强了系统功能。

目前，液压振动试验台生产主要以美国、英国和德国为主，另外日本岛津制作所也有少量的产品f。

美国的MTS公司作为世界上液压振动试验台生产、销售量最大的厂商，其产品在技术和品种方面处于绝对的领先地位。

MTS数字控制系统TeStstar具有灵活的多参量控制补偿功能，实现了P、I、D参数数字设定和对系统的非线性修正，配置灵活、适应面广，性能指标很高。

减小摩擦力方面，MTS公司采用的方式有：

静压支撑、动压支撑、特殊喷涂技术等。

伺服作动器滑动配合表面采用非金属喷涂处理，实现了较小的阻尼。

在标准液压振动试验台产品上，MTS公司拥有全系列的标准振动试验台产品。

该公司生产的824系列液压振动试验台除有MTs通用的液压伺服系统外还有谐振系统，对试样施加平均载荷，并以其固有频率激励质量振动，以便提供和控制动载荷。

英国的Insaon公司的液压振动试验台有1300系列、8000系列和8500系列等。

在8000系列中，原有的全部电子控制柜被一台计算机系统取代。

所有的试验程序均录于微型盒式磁带上，通过按键指令的操作，可快速自动完成整个试验过程。

而8500系列可以连接计算机，使用数字信号处理器和动态响应自适应控制，具有P、I、D参数数字设定和测量系统自动调零，对材料试验全过程进行32位全数字化闭环控制和高速数据采集。

由于引入了各种功能附件及计算机，其功能、可靠性、测试精度大大提高。

但由于其量程小，价格昂贵，在国内应用较少嗍。

德国的Schenck公司推出了谐振／非谐振液压振动试验台，这种试验台有双作动器和单作动器两种。

其中750KN谐振／非谐振液压振动试验台为四立柱双作动器。

该试验台有两个伺服控制通道，一是在试样上产生平均载荷，另一是以其固有频率激励弹簧／质量系统，谐振状态工作完全是自动进行的．以谐振状态工

作时，试验台在谐振曲线的峰值工作，此时只需低功率便可在高频率下获得高试验负荷。

伺服控制器的每个通道都有独立的PID控制，具有最佳的伺服控制回路的响应特性。

国内液压振动试验台的发展现状国内液压振动试验台的研制起步较晚，技术储备与研究水平落后于国外先进企业。

直至上世纪七十年代，长春试验机研究所以及甘肃天水红山试验机厂研制出液压振动试验台，才迈出我国动态试验台研制的步伐。

上世纪八十年代后期，国内许多单位加强了相关方面的研究。

如天津大学研制了PwS．100A液压振动试验台，开发的预拉应力横梁央紧结构、非金属支撑高速作动器、拉压对称循环的液压强迫夹头等多项技术属国内首创。

现已开发出lOKN。

1000l

国内单位在与国外企业的合作中也取得了不错的成果。

如在上世纪九十年代，长春试验机研究所与美国MTS公司合作研制了CSS．280系列液压振动试验系统。

其双向伺服作动器采用组合滑动密封，耐磨性能强、灵敏度高；高刚度的主机框架和横梁全行程液压控制使得动态力灵敏、对称精度高；控制系统采用MTS公司的TestL址自动控制与数据采集系统，具有试验参数显示、人机对话、多种语言编程和自动诊断功能。

济南试验机厂与日本岛津公司合资生产了WAW二500试验机。

该机具有恒速率试验力、恒速率应变、恒速率行程控制等特点，具备故障自我诊断和人机对话功能，可以高精度自动完成试验过程，并对试验结果进行处理。

1.2阻尼器性能检测方法

为了检测阻尼器各项技术性能参数，需要进行大量的振动试验．目前，主要使用振动试验台对阻尼器进行此类试验，振动试验台的性能直接影响阻尼器性能检测结果。

根据阻尼器试验要求，驱动器驱动振动台提供所要求的振动波形，振动传递至所连接的阻尼器从而实现加载和冲击试验，传感器将采集的试验数据（位移和力）传送到计算机，由计算机对试验数据进行实时显示与分析，从而完成阻尼器的相关性能检测。

阻尼器振动试验框图如图1．1所示。

图1．1阻尼器振动试验框图

阻尼器振动试验台从振动台的激励方式上分为三类：

机械式、电磁式和液压式，三类振动试验台具体介绍如下：

（1）机械式振动试验台

机械式振动试验台可以分为不平衡重块离心式和凸轮偏心式两类。

不平衡重块离心式是在不平衡重块旋转时，所产生的离心力来激励振动台台面实现振动，激振力与不平衡力矩及转速的平方成正比。

通过控制不平衡重块的旋转实现振动

波形的加载。

这类振动台的优势是可以产生正弦振动，结构组成简单、成本低廉。

不足是工作频率范围仅约为5～100Hz，实现的最大振幅和加速度较小，失真度大，

且不能进行随机振动。

凸轮偏心式的运动位移取决于凸轮的偏心量和曲轴的臂长，激振力大小受运动部件的质量影响。

通过凸轮和曲轴的设计实现相关振动波形的运行。

这类振动台的优势是在低频、激振力大时，可以实现很大的位移。

不足是其工作频率仅限于低频，上限频率约为20Hz左右，实现的最大加速度为39左右，加速度波形失真较大。

总之，机械式振动试验台的优点是：

结构简单、安装容易、价格便宜、维护方便及可长时问进行试验。

缺点是：

工作频率范围窄、最大振幅和加速度较小、出力能力低、波形种类较少、波形失真大、不能采用反馈控制、及难以实现随机振动等。

这些缺点大大限制了机械式振动试验台在现代科学研究与实际生产中的应用．

（2）电磁式振动试验台

电磁式振动试验台是根据电磁感应原理设计而成的，主要由驱动线圈、运动部件、励磁单元、台架、导向及支承装置等组成，其核心是驱动线圈和运动部件。

振动台的工作原理比较简单，驱动线圈处于高磁感应强度的空间内，信号发生器产生的交变电流信号通到驱动线圈上时，通电驱动线圈和所处磁场由于电磁感应原理产生电动力，从而驱动振动台面直线性往复振动，这时振动台就会产生需要的振动波形。

电磁式振动台驱动线圈电流的产生方式有直接式和感应式两种。

直接式是将输出的电流信号直接加到驱动线圈上，这种方式应用较为广泛。

感应式是将交变电流通入一个固定线圈，通过感应方式在驱动线圈内产生电流，这种方式结构简单，但效率相对较低。

电磁式振动试验台的优点是：

工作频率范围宽，约为2Hz~20Hz；可获得很大的加速度，加速度波形良好，失真度小；方便产生随机波；可实现手动或自动控制。

此类振动台缺点是：

体积和重量较大、价格较高；位移小、出力能力较低；承载能力低，对于大型试件需要另设支撑装置；磁场非完全均匀分布；大激振力振动台的驱动线圈需要冷却，使得试验台结构复杂等。

工作频率范围宽、加速度大以及易于控制等优点，使得电磁式振动台在国防科技、航空航天技术、武器装备研制及汽车、电子等民用工业上得到了较为广泛的应用。

（3）液压式振动试验台液压式振动试验台的工作原理是通过电信号驱动伺

（4）阎，控制液压油进入液压缸作用于活塞上，将液压能转换为运动或力，并以此作为阻尼器的激励，使阻尼器产生振动并将振动数据采集传递至上位机，完成阻尼器性能试验。

振动台主要由液压动力源、液压缸、伺服阀、伺服控制器和上位机等组成。

振动台核心是伺服阀与伺服控制器，伺服控制器将目标信号与反馈信号进行比较运算，输出相应电信号至伺服阀，伺服阀根据输入电信号改变进入液压缸的高压油液的方向和流量，使得活塞在两端液压油压差的作用下作往复运动，运动频率与振幅由伺服控制器输出的电信号决定嗍。

液压振动台的主要优点是：

激振力大（可达到104KN）、振幅大；工作频率范围较宽，下限可以达到零赫兹，而且在较低的频率下可以得到很大的激振力和振幅；采用反馈控制、实现高精度加载；承载能力高；可实现随机振动及几个振动台的同步运行。

振动台的缺点是：

高频性能较差；上限工作频率低，仅可以在低频区及中频区进行振动试验；为实现高精度控制，振动台结构复杂；振动台的性能容易受液压系统温度的影响，对油液要求较高；油泵的压力脉动、油液压缩性引起的共振及液压密封件的摩擦使得波形失真度比电磁式振动台大。

这类振动台因其大推力、大位移、高精度而弥补了电磁振动台的不足，在阻尼器试验领域获得了极为广泛的应用。

上述三类振动台的工作性能和使用范围比较如表1．1所示。

表1.1三类振动台的工作性能和适用范围比较

综上所述，液压式振动试验台以其激振力大、行程长、承载能力强的特点，较机械式振动台或电磁式振动台具有很明显的优势。

采用液压式振动台检测阻尼器，可以针对性地安排试验方案，极大缩短新型阻尼器开发设计周期。

因此本文对液压振动试验台进行研究，对于液压振动台在阻尼器检测领域的应用具有一定的理论指导及工程实际意义。

第二章液压振动试验台的功能分析

2.1液压振动试验台研制方案的提出

对于越来越多的阻尼测试要求,以及考虑到液压振动台存在于国内外各种各样的缺陷和不足,如昂贵、复杂,维修费用高,软件安装的专业化程度低问题,本研究提出了一个吨位液压减振器试验台设计方案,设计液压振动试验台对阻尼器产品应用交替）替代行动（拉伸和压缩负荷测试阻尼动态性能的单元循环荷载的作用下,阻尼器位移时间、力矩和位移-力动态性能曲线,实现阻尼性能测试的要求。

针对每个未被测量的阻尼性能参数同样的试验台,可以装载100吨的最大动载荷,33赫兹最大工作频率。

后一年多的设计、制造、安装、调试和试验台已顺利通过技术验收,投入的阻尼性能测试工作。

本研制方案通过伺服阀向液压缸供油来实现活塞杆运动，活塞杆运动传递至相连接的阻尼器上。

伺服控制器利用其内部的闭环控制回路，将采集到的反馈信号与目标信号作比较，对偏差信号进行控制运算并驱动伺服阀改变进入液压缸的液压油流向与流量，从而实现阻尼器的振动加载。

该液压振动试验台的实现方案如图1．2所示。

图1.2液压振动试验台表

此液压振动试验台与上述国内、外其他液压试验台相比具备以下几个优点：

1）性能优良、技术先进，与国内同类产品相比，由于采用国外著名品牌的电机、液压泵、伺服阀等部件，使部件及其整机性能得到很大的提升，完全满足试验台工作频率最大达到33Hz，试验载荷最大为1000KN的要求。

在借鉴国内、外液压振动试验台研究技术的基础上，结合在机械、电气、液压、软件控制等方面的研发实力，设计出的百吨级液压振动试验台技术水平先进。

2）产品精度高、可靠性好，此试验台采用数字式伺服控制器，充分发挥了数字控制系统的抗干扰能力强、闭环控制以及人工智能等特点，实现了P、I、D参数设定和对系统的非线性修正，大大提高了试验台试验精度。

本液压振动试验台采用高刚度的主机框架和横梁全行程液压控制，使得试验过程平稳、可靠。

3）软件专业化程度高，基于LabvIEW2009平台开发的试验台系统软件，

4）充分结合了电液伺服与计算机控制技术，实现了数据采集与分析处理等功能，其结构合理、层次分明，完全可以满足用户的个性化需求，从而实现试验的自动化、智能化，提高试验效率，增强系统功能。

4）操作方便、简单，整套液压振动试验台系统的设计都是国内完成，相关

技术文件、使用手册、操作界面都是中文描述，方便工程师进行试验操作。

试验台按照用户要求设计，满足用户的个性化需求，使阻尼器的试验更加简便。

5）维护费用低，因为液压振动试验台系统的大量元件都是国内产品，性价比较高，设备故障失效后更换费用较低，为用户节约成本开支。

2.2本文的主要研究内容

根据本文提出的百吨级阻尼器液压振动试验台研制方案，对试验台硬件系统和控制系统进行设计。

其中，液压振动试验台的硬件系统设计，包括液压部分（液压源、液压缸、伺服阀、蓄能器组、连接管路等）、机械部分（主要是试验台架）、电气部分（电气控制柜、显示仪表等），本文主要完成液压系统关键元件选型和试验台机架设计。

2.3论文组织架构

根据百吨级阻尼器液压振动试验台的技术方案，并且结合试验台的生产、安装、调试情况来开展本文的编写工作。

本文以液压振动试验台控制系统的设计为核心，实现上位机系统软件对试验台的操作控制，设置伺服控制的PID参数，测试液压阻尼器在交变载荷作用下的动态性能，完成液压阻尼器检测工作。

2.4液压振动试验台的设计

根据本文提出的液压振动试验台研制方案，本章介绍试验台的系统原理和技术指标，对试验台液压系统的关键元件和试验台机架进行设计，并对设计过程中存在的技术难点提出解决方法。

第三章拟定动静态液压试验台的液压原理图

3.1试验台架功能和组成

液压阻尼器在静态时,不会对正常的膨胀进行阻止,当遇到超出限定速度的突然运动时,震动吸收器立刻锁住,形成刚性连结件。

所以其性能包括静态和动态特性,相应地,试验台也需要完成这两种功能。

其中:

动态试验包括正弦波振动试验、半正弦波冲击试验等。

静态试验包括低速阻力试验、锁死试验和释放试验等。

试验台的主要性能指标如下:

冲击振动方向为水平双向;最大静态负载为±1100kN;最大动态负载是当2Hz时为±1000kN,15Hz时为±700kN;振幅为f=1Hz,X0=100mm;f=15Hz,X0=6mm;工作频率范围为0.01～33Hz;试验台的静态精度小于1%。

试验台的组成包括冲击试验台架、液压动力源、电气控制系统和计算机测控制系统等。

3.2液压系统

油源主要是满脚3要求:

a.夹紧缸,夹紧束;b.气缸推和拉,把梁运动;c的伺服缸完成。

根据静力测试的要求,选择25MPa系统工作压力,致动器活塞杆d=180毫米,活塞d=300毫米,有效面积=452。

16平方厘米。

根据测试的动态性能指标可以计算时的最大流量704L/min,低速时阻力测试,0—6mm/s的速度,负载所需的流量16.3L/min。

在此条件下,以下问题需要解决。

3.3效率问题

阻尼器的振动冲击试验和疲劳试验不同,在试验过程中的冲击振动时间一般都很短,一般在5s之内。

根据动态试验时所需要的最大流量来配制流量显然是没有必要。

基于这样的考虑,油源配置两个排量为80mL/r,额定转速为1500r/min的恒压轴向柱塞变量泵,其余流量则由蓄能器来供给。

按照f=25Hz,X0=4mm时的流量要求来选择蓄能器,此时所需要的最大流量qm=1704L/min（28.4L/s）,采用蓄能器后的平均流量qe=（2/π）,qm为1091L/min（18.2L/s）。

考虑到容积效率,泵源能供给的流量VP为216L/min（3.6L/s）,则单位时间内需要补充的流量体积为VA=Vm-VP=18.2-3.6=14.6L,选用气囊式折合型蓄能器。

维持5s时间,经计算可得蓄能器的容积为1183L。

选择12个蓄能器,每个蓄能器的容积为100L。

泵和蓄能器一起供油,可以满足峰值流量要求。

3.4动静态试验问题

试验台在动态和静态流量所需的两个条件很差不要很大。

根据需求的动态测试,选择1000升/分钟（阀压降7MPa）喷嘴挡板式三级流量伺服阀的动态测试伺服阀。

但是静态测试,阀门太大,所以也占30L/min（阀压降至20伺服阀的动态测试。

静态测试,阀门显然太大了,所以也使得30L/min（阀压降7mPa）流量伺服阀作为伺服阀的静态测试,辅助喷嘴挡板式伺服阀的阀。

两个阀在不同工作情况时通过球阀间断。

图3.1试验台液压系统原理图

1.吸油过滤器;2.液压泵;3.电机;4.回油过滤器;5.冷却器;6.空气滤清器;7.液位计;8.温度计;9.油箱;10.单向阀;11.高压过滤器;12.电磁卸荷阀;13.压力继电器;14.高压蓄能器;15.高压截止阀;16.低压截止阀;17.低压蓄能器;18,19,22,23.高压截止阀;20.大伺服阀;21.小伺服阀;24.伺服缸;25.三位四通电磁换向阀;26.两位四通电磁换向阀;27.液压锁;28.推位缸;29.夹紧缸

第四章选择液压元件

伺服液压缸:

闭环伺服控制,控制精度0.01毫米,精确控制的推力,提高压力传感器,控制精度可以达到1%;轻松连接到PLC控制系统,比如高精度运动控制的实现。

低噪音、节能、清洁、高硬度、抗冲击、寿命长、操作简单和维护。

伺服油缸可以无故障糟糕的环境下,可以达到IP66保护等级。

工作很长一段时间,实现高强度、高速度、高精度定位,运动平稳,噪音低。

所以它可以广泛应用于造纸工业、化学工业、汽车工业、电子工业、机械自动化行业、焊接等行业。

低成本维护:

伺服油缸工作复杂环境下只需要普通润滑脂注入,没有需要维护部分,比液压系统、气动系统更换,减少大量的售后服务成本。

最好的选择:

液压缸缸伺服油缸液压缸和气缸完全可以替代,更环保,更节能