振动台的结构及工作原理
.1 振动台的应用和发展
振动台是在各种条件下，环境下测定金属材料、非金属材料、机械零件、工程结构等的机械性能、工艺性能、内部缺陷和校验旋转零件动态不平衡的仪器[1]
。在研究探索新材料、新工艺、新技术和新结构的过程中，振动台是一种不可缺少的重要测试仪器，它广泛应用于机械、冶金、石油、化工、建筑、航空、造船、交通运输等工业部门及各类研究机构，因此在国民经济发展中占有相当重要的地位，它的发展水平在某种程度上反映了一个国家的工业发展水平，因而世界各国都很重视结构试验技术和试验系统的研究开发工作[2]。
从六十年代开始我国为了满足航天领域的需求，各类振动台应运而生。用于振动试验的振动台系统从其激振方式上可分为三类：机械式振动台、电液式振动台和电动式振动台。从振动台的激振方向，即工作台面的运动轨迹来分，可分为单向(单自由度)和多向(多自由度)振动台系统[4]。从振动台的功能来分，可分为单一的正弦振动试验台和可完成正弦、随机、正弦加随机等振动试验和冲击试验的振动台系统。由于机械式振动台、电液式振动台和电动式振动台工作原理不同，因此他们的性能也大不相同。表1-1对三种类型振动台的主要性能进行了比较，图1-1对三种类型振动台频率、振幅的常用区域进行了比较。通过比较，我们可以看出，机械式的振动台由于出力小、结构复杂而且不能结合计算机进行自动编程，一旦制造以后就无法根据具体要求进行更改，因此在实际应用中受到很大的限制，很少使用。电液式振动台的作用力大，既可以在较低频、较长行程下工作，也可以在较高频、较短行程下工作，而且配合计算机进行控制能任意改变其试验波形而方便的实现自动化控制;在需要很大作用力的时候，由于体积较小、结构紧凑，还可以用几个液压缸并联进行工作，但它的频率范围比电动式振动台略低，波形失真也比电动式振动台略大些。但电液振动台仍然是今后发展的方向。
表1.1三种类型振动台主要性能的比较[4]
种类
参数 |
机械振动台 |
电动振动台 |
电液振动台 |
zui大推力 zui大位移 频率范围 波形种类 波形失真度 自动编程 控制参数 抗偏载能力 控制精度 性能价格比
|
小 小 窄 正弦 较大 不能 位移 小 差 高 |
中 中 宽 正弦随机 小 能 位移速度，加速度 波形再现好 小推力的高 大推力时高 |
大 大 较宽 正弦方波随机等 较小 能 位移速度，加速度 功率谱再现好 小推力的低 大推力时高 |
1.2 电液振动台的发展方向
二十一世纪的今天随着航天航空技术的飞速发展，对振动试验的要求越来越高。需要大吨位(1000KN以上)、高工作频串(1000Hz以上)的振动台的上限工作频率能够达到2000Hz[5]。这样就可以在一个振动台上完成整个频段的振动环境模拟实验，因此一般振动台已经远远不能满足试验的需求，而这个重任就落到了电液高频振动台的身上，如何设计出频率高频宽大精度高的电液振动台已经是一个当务之急，国内外各类研究所对高频电液振动台的研究也取的了很大的成就，然而电液伺服系统的工作频率的高低，主要取决于伺服阀频宽的高低。因此，如何提高电液伺服阀频宽的研究更是重中之重。 80年代初期随着电液伺服系统在工业中的大量应用，电液专家开始寻找各类先进的电液控制元件和驱动放案，放案之一就是采用步进电机驱动，数字脉冲控制的步进式数字元件[7]。与模拟量控制的比例阀和伺服阀相比，步进式数字元件具有重复精度高，无滞环、和直接数字控制等优点[8]。但是这类元件按步进的工作方式工作，存在着响应速度和量化误差之间的矛盾，设计时往往保证前者，所以响应速度没有得到改善，难以在控制系统中得到广泛的应用。然而本人导师zui近几年一直潜心从事电液伺服数字阀的技术研究，从三个方面解决了以上伺服阀的不足，设计出了一中新型的数字阀。*方面直接式数字控制元件的设计，关键是要解决导控方面设计采用了阀芯双运动自由度的放案，即2D阀的设计放案。第二放弃这类阀的步进控制方式，采用一种特殊的步进电机连续跟踪控制的方式，以便解决步进电机控制的响应速度和量化误差之间的矛盾，并对跟踪控制算法和步进电动机各特性进行了研究。第三解决了阀数字控制器和系统控制器之间通过标准数字接口的数字控制信号的传送和通信[9]。因此本课题是基于先进数字阀控系统的电液振动台的研究设计，对将来的高频电液伺服振动台研究具有一定的意义。
1.3 本课题的研究目的和研究内容
本课题的研究目的是设计并制造一台用于进行金属材料疲劳试验所使用的高频电液伺服振动台，充分利用电液振动台出力大、响应快，频率范围宽的优点。在该课题中我们建立的实际系统是单自由度垂直往复运动的电液式伺服振动台，相对于大型多自由度电液式振动台而言，虽然它的结构相对简单，但却是大型系统研制的基础，对实际研究有重大的意义。更重要的是本课题采用了一种新型的控制系统即2D阀控液压系统，他的成功问世，将对以后大型振动台和控制阀的研究奠定良好的基础。
论文可以分成这样几个部分，首先，详细叙述了在实际应用中的该振动台的结构、各部件的设计方法以及工作原理，系统组成等等.然后，着重介绍并分析2D阀的设计的具体思路和方法，建立了准确的数学模型并进行了MATLAB仿真。zui后，对整个振动台系统进行了系统的建模与MATLAB仿真，并在此基础上对系统的动态特性进行了分析。
结构及工作原理
2.1 液压振动台的结构和主要技术参数
本液压振动台用于材料试验系统的激振。主要包括主动力源、控制动力源、油箱及附件、各类传感装置、2D阀、激振缸、振动台面。见示意图图2-1
主要技术参数如下:
zui大激振力：Fmax=2T=1.96×104N
油源工作压力：Ps=21MPa=2.1×107Pa
油源提供的zui大流量：Q0=60L/min=1.0×10-3m3/s
zui大负载质量：M=200Kg
运动部件自重：m=30 Kg
频率范围：fmin=1Hz，fmax=100Hz
2.2 电液振动台工作原理
鉴于提高振动台的频率范围和输出推力的重要意义，本文提出了一种电液激振的新方法，其工作原理见图2-2。该方法采用阀芯双自由度电液控制阀（简称2D阀）控制液压缸 [10] 。该阀采用阀芯旋转和 轴向双自由度设计而成（简称2D电液控制阀）。在2D阀中阀芯由伺服电机驱动旋转，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q）与阀套上的窗口相配合的阀口面积大小成周期性变化，由于相邻台肩上的沟槽相互错位（错位角度为2/q），因而使得进出液压缸的两个容腔的流量大小及方向以相位差为180°发生周期性的变化，驱动液压执行元件油缸（或马达）做周期性的往复运动。当阀芯在转动过程中位于图2-2a所示的位置时，P口和A口沟通，B口和T口沟通，液压缸左腔进油、右腔回油，油缸活塞向右运动；当阀芯旋转过2/q角度处于图2-2b所示位置时， P口和B口沟通，B口和T口沟通，油缸右腔进油、左腔回油，油缸活塞向左运动。当阀芯在伺服电机驱动下旋转时，油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，其变化的幅度通过阀芯的轴向运动从零（阀口完全关闭）到zui大实现连续控制。阀芯的的轴向运动由另一伺服电机通过偏心机构驱动阀芯实现，通过控制该伺服电机转角的大小从而改变阀口面积周期性变化的幅度，进而改变液压缸的振动幅值（输出推力）。
显然，图2-2所示2D电液激振阀控液压执行元件所构成的电液激振器的工作频率与阀芯的转速成正比。由于阀芯为细长结构，转动惯量很小，又处于液压油的很好润滑状态中，因而很容易提高阀芯的旋转速度获得高的激振频率。
2D电液阀控激振器的工作频率f等于阀芯的旋转转速n与阀芯沟槽每转与阀套窗口之间的沟通次数m的乘积。因而除通过提高阀芯的转速提高工作工作频率外，还可以通过增加阀芯台肩上的沟槽数及选择阀芯与阀套之间的配合关系来提高阀芯沟槽与阀套窗口每转沟通次数。阀芯每转沟通次数m除与阀芯沟槽数Z有关，还与阀芯沟槽与阀套窗口的配合关系有关。如果阀芯沟槽数与阀套窗口数相等，则这种配合形式称为全开口型，如图2-3a所示。全开口型2D阀阀芯每转的通断次数即为阀芯沟槽数Z（阀套窗口数）。如果阀芯沟槽数与阀套窗口数不相等，则这种配合形式称为部分开口型，如图2-3b所示。部分开口型2D阀阀芯每转的通断次数等于阀芯沟槽数Z与“拍数”的乘积，“拍数”等于阀芯沟槽数与阀芯沟槽数和阀套窗口数差之比（阀芯沟槽数和阀套窗口数必须选择合适的值，从而保证拍数为整数）。图2-3b阀芯沟槽为8，阀套窗口数为10，阀芯每转沟通32次。通过以上简要分析可以看出采用2D阀构成的电液激振器易于实现高频激振。
