基于有限元的2D阀控电液激振器的研究.docx

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基于有限元的2D阀控电液激振器的研究

中职教师在职攻读硕士学位

硕士学位论文

论文题目：

基于有限元的2D阀控电液激振器的研究

作者姓名韩叶忠

指导教师阮健

学科专业机械电子工程

所在学院教科学院

提交日期2010年4月10日

浙江工业大学硕士学位论文

基于有限元的2D阀控电液激振器的研究

作者姓名：

韩叶忠

指导教师：

阮健

浙江工业大学教科学院

2010年4月

DissertationSubmittedtoZhejiangUniversityofTechnology

fortheDegreeofMaster

ResearchofElectro-hydraulicVibrationTableUsingaTwoDemensionalValueBasedonFiniteElement

Candidate:

HanYezhong

Advisor:

Ruanjian

CollegeofEducation

ZhejiangUniversityofTechnology

Apr2010

浙江工业大学

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的研究成果。

除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。

对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人承担本声明的法律责任。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

本学位论文属于

1、保密□，在______年解密后适用本授权书。

2、不保密□。

（请在以上相应方框内打“√”）

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

基于有限元的2D阀控电液激振器的研究

摘要

随着现代工业技术的发展，尤其是国防工业的迅猛发展，对设备的可靠性要求越来越高，同时由于设备本身所处的恶劣环境以及对其动态特性的要求越来越高，系统面临着严重地考验。

振动环境试验的目的在于确定所设计、制造的机器设备在运输、工作过程中能承受外来振动或者自身产生的振动而不被破坏，并能正常发挥其性能，并达到预定的使用寿命。

现代工业中对产品可靠性的要求越来越高，使得振动环境试验成为产品设计制造过程中一项必不是可少的例行试验。

目前，振动测试技术已广泛应用于导弹、火箭、飞机等军工产品的研发，水坝、高层建筑抗震性能的研究，以及汽车、列车的道路模拟实验等。

所以对振动环境的研究有着重要的意义。

传统的阀控缸或马达构成电液阀控激振器的方案，在很大程度上受到伺服阀频响特性的限制，其激振频率难以提高到较高的水平，为此本文采用了2D伺服阀控制液压执行元件的方案，旨在大幅度提高电液激振器的频率。

通过对2D阀阀芯的旋转运动和轴向移动的控制来实现对激振频率和振幅的独立控制。

本文在介绍电液激振器工作原理、结构设计及控制系统的基础上，对激振器的主要部件2D伺服阀、激振缸和振动支架进行了有限元分析，经有限元分析和测试试验表明当激振频率约为800～1000Hz时，共振对载荷输出波形的影响较大。

本文的主要工作和成果如下：

1、阐述了本课题的研究背景及研究意义，介绍了振动台的研究现状和发展趋势。

2、介绍了2D阀控电液激振器的原理、结构，及激振器控制系统。

3、以AnsysWorkbench为平台，对激振器的主要部件2D伺服阀、激振缸、振动支架进行了模态分析，对2D伺服阀进行了静力学刚性分析，对激振缸和支架进行了谐响应分析，从而对振动结构的动态特性进行评价。

4、为了验证有限元模型和分析结果，以及为了测试激振器的性能，对激振器进行了测试实验，分析了激振器的工作特性。

关键词：

电液激振器，2D伺服阀，AnsysWorkbench，模态分析，谐响应分析

ResearchofElectro-hydraulicVibrationTableUsingaTwoDemensionalValueBasedonFiniteElement

ABSTRACT

Withthedevelopmentofindustrialtechnology,especiallytherapiddevelopmentofdefenseindustry,Increasingthereliabilityofequipment.Meanwhile,becauseoftheharshenvironmentinwhichthedeviceanditsdynamicshavebecomeincreasinglydemanding,systemfacesseriouschallenges.Thepurposeofvibrationtestistodeterminetheabilityofequipementtoresistentdamage,Andtoplayitsnormalperformance.Thereliabilityoftheproductshavebecomeincreasinglydemanding,itmakesthevibrationtesttobeaabsolutelynecessarytestinprocessofproductdesigningandmanufacturing.Atpresent,thevibrationtesttechnologyhasbeenwidelyusedinmissiles,rockets,aircraftandothermilitaryproductsresearchanddevelopment.Therefore,itisimportanttoresearchvibrationtestansexperimentequipement.

Thenomalelectro-hydraulicvibrationexciterislimitedbythefrequencyandresponsecharactristicsofservovalue.Itishardtohigertheexcitationfrequency.Theelectro-hydraulicvibrationexciterisusedintheissue,inordertoincreasethefrequency.Theexcitationfrequencyiscontroledbyrotationofspool,andamplitudeiscontroledbyaxialmovementofspool.Inthisissue,theworkingprinciple,structureandcontrolsystemofelectro-hydraulicexciterisintroduced.Ansysisusedtoanalyze2Dservovalueandvibratingcylinder.Analysisshowedthatresonancecouldbehappen,whentheexcitationfrequencyisapproximatedto800~1000Hz.Atlast,2Dservovalueandexciteristested.Exprimentismadetotestthecharactristicof2Dvalueandexciter.Themainresultsofthisissueasfollows:

1.Thebackgroundandresearchsignificanceofthisissueisdescribed.Researchstatusanddevelopmenttrendofvibrationtableisintruduced.

2.Theworkingprinciple,structureandcontrolsystemofelectro-hydraulicexciterareintruduced.

3.Themodalof2Dvalue,vibritoncylinderandsupportisanalyzedwithAnsysWorkbench.Rigidof2Dvalue,harmonicresponseofvibritioncylinderandsupportareanalyzed.

4.Theexciteristested,inordertoverifythefiniteelementmodalandanalysisresult.Thecharactristicofexciterisanalyzed.

Keywords:

electro-hydraulicexciter,2Dservovalue,AnsysWorkbench,modalanalysis,harmonicresponseanalysis

目录

摘要i

ABSTRACTii

第一章绪论1

1.1课题的研究背景及研究意义1

1.2振动台的研究现状及发展趋势2

1.2.1振动台的类型及基本原理2

1.2.2电液振动台的研究现状8

1.2.3电液振动台的发展趋势9

1.3本课题主要研究的内容10

第二章2D阀控高频电液激振器的设计11

2.12D阀控高频电液激振器的工作原理11

2.2激振器结构设计15

2.2.1激振缸的设计15

2.2.22D高频伺服阀的设计16

2.3电液激振器控制系统17

2.3.1激振器激振频率的控制18

2.3.2激振器振幅的控制20

2.3.3数据采集系统的设计22

2.4本章小结24

第三章2D阀控高频电液激振器有限元建模分析25

3.1AnsysWorkbench简介25

3.2激振器的模态分析27

3.2.1有限元模态分析的理论27

3.2.22D伺服阀的模态分析30

3.2.3激振缸的模态分析34

3.2.4振动支架的模态分析37

3.2.5液压—机械综合谐振频率的计算41

3.32D伺服阀刚性分析42

3.4激振器谐响应分析44

3.4.1谐响应分析的理论基础及分析方法44

3.4.2激振缸谐响应分析45

3.4.3振动支架谐响应分析48

3.5本章小结51

第四章2D阀控高频电液激振器实验分析53

4.1实验平台及测试系统53

4.2传感器的标定55

4.3激振器的实验分析56

4.4本章小结59

第五章总结与展望60

5.1全文总结60

5.2展望61

参考文献62

致谢66

攻读学位期间参加的科研项目和成果67

第一章绪论

1.1课题的研究背景及研究意义

振动是自然界广泛存在的现象。

强烈而持续的振动，尤其是随机振动，会导致结构的疲劳损坏。

据有关部门统计，在结构损坏中有80％是属于疲劳损坏。

交通车辆的车轴、弹簧、轴承、构架、钢结构等损坏都是在随机载荷作用下引起的，绝大多数都属于疲劳损坏。

振动也会造成仪器仪表的精度降低，元器件参数的变化，甚至损坏。

另外振动会导致动态特性欠佳的设备的总体性能下降。

而工程中很多机械设备或者武器都是在振动环境下工作的[1]。

随着现代工业技术的发展，尤其是国防工业的迅猛发展，对设备的可靠性要求越来越高，同时由于设备本身所处的恶劣环境以及对其动态特性的要求越来越高，系统面临着严重地考验[2]。

例如由于飞机的颠簸、爬升、俯冲等会对机载设备造成强烈的振动、冲击。

振动环境试验的目的在于确定所设计、制造的机器设备在运输、工作过程中能承受外来振动或者自身产生的振动而不被破坏，并能正常发挥其性能，并达到预定的使用寿命。

现代工业中对产品可靠性的要求越来越高，使得振动环境试验成为产品设计制造过程中一项必不是可少的例行试验。

目前，振动测试技术已广泛应用于导弹、火箭、飞机等军工产品的研发，水坝、高层建筑抗震性能的研究，以及汽车、列车的道路模拟实验等。

所以对振动环境的研究有着重要的意义[3]。

激振器作为振动台的振动发生装置，其性能好坏，技术水平的高低直接影响到各个工业领域技术的进步和发展，同时也是衡量一个国家的工业技术发展水平的重要标志，在国民经济发展中占有相当重要的地位[4]。

由于振动台关系到航空航天等高科技领域的发展，所以高频响大吨位的振动台在许多国家实施禁运政策。

因此，对振动台的研究是非常重要的基础研究，世界各国都很重视振动试验系统和振动测试技术的研究开发工作。

鉴于有限元法在工程分析上的优点，其在工程设计和分析中得到了广泛的应用。

本文以AnsysWorkbench为平台，对激振器进行了有限元动力学分析，旨在为测试试验及后续研究奠定理论基础。

1.2振动台的研究现状及发展趋势

1.2.1振动台的类型及基本原理

研究机械振动通常采用理论分析和测试两种手段。

用测试方法测量机械的振动量（如位移、速度和加速度等）和系统特征参数（如固有频率、阻尼、振型等），以及振动环境的模拟等。

通过测试可验证理论分析计算的正确性，并为理论研究提供所需的修正依据。

振动测试的基本内容包括：

①已知激励和系统的振动特性情况下求响应，即振动量的测量；②已知激励和响应的情况下求系统的振动特性，即系统特征参数的测定，也称参数识别；③已知系统的振动特性和响应的情况下求激励，即环境预测，这种测试称为振动环境模拟试验[5]。

20世纪80年代以来，振动测试仪器有了显著的进步，如传递函数分析仪、实时频率分析仪和快速傅里叶分析仪的相继应用，并与电子计算机相结合，为振动测试和测试结果的分析处理提供了方便的条件，从而也进一步推动了振动理论的研究和发展[6]。

系统的振动特性也可以应用激光全息照相法拍下实物或模型在振动时的全息照片，根据全息照片中的干涉条纹图案来分析。

振动测试技术在结构动力特性测试、抗地震性能试验、机械设备的状态监测、结构动力检测、仪器设备的故障诊断、重大工程设施强震安全监测、振动源的寻找等方面有广泛的应用[7]。

比如：

在振动疲劳试验中，用低于破坏强度的载荷对被测物体进行长时间的振动加载，直到物体发生疲劳机械损坏。

通过疲劳试验可以研究或检测被测物体材料疲劳寿命，为设计长期处于振动环境中的结构或产品设备提供必要的依据；在动力强度试验过程中，某些结构、设备、仪器仪表等往往不得不在振动或冲击的环境中使用或运行，因此必须在满足实际使用环境所规定的振动或冲击条件下对产品设备进行振动或冲击试验，以检查产品的耐振寿命，性能的稳定性，设计、制造、安装的合理性等，这也称为环境模拟振动试验。

这些研究在航天、航空、航海、交通运输、机械电子以及国防工业等部门有着特别重要的意义[8]。

激振设备是产生振动的装置，通过它给需要进行测试的机械产生振动。

激振设备主要有振动台、起振机力锤等。

振动台是将被测对象至于振动平台上，振动台产生一个变化的振动位移，从而使被测对象产生强迫振动[9]。

振动台根据其结构原理的不同可分为机械式、电磁式、液压式、电液式等几种类型。

一、机械式振动台

机械式振动台有惯性离心式和连杆离心式两种。

他们的工作原理如图1-1所示。

惯性离心式振动台是基于旋转体偏心质量的惯性力而引起振动平台振动来工作的[10]。

偏心质量旋转时，两质量的惯性力的合力在铅直方向以简谐规律变化，在水平方向合力为零，则激振力的大小为：

（1－1）

其中：

－偏心块质量；

－偏心块的偏心距；

－旋转角速度。

图1-1机械式振动台的工作原理

此类振动台一般用直流电动机带动，改变直流电动机的转速即可调节激振频率。

惯性离心式振动台的优点是，制造简单，能获得从较小到很大的激振力（0至几千公斤）；缺点是工作频率范围很窄，一般为10至70Hz，由于受转速的影响，激振力大小无法单独控制[11]。

另外惯性离心式振动台本身质量较大，对被测系统的固有频率有一定影响。

连杆离心式振动台是基于偏心轮转动时，通过连杆机构而使工作台交变正弦运动来工作的。

振幅大小可用改变偏心矩的大小来调节，频率可用改变电动机转速来调节。

由于机械摩擦和轴承损耗的影响，这种振动台频率一般不能超过50Hz[12]。

连杆偏心式振动台的主要优点是能够得到很低的频率，且振幅与频率的变化无关。

主要缺点是不能进行高频激振，小振幅振动时失真度较大。

一般来说，连杆偏心式振动台的有效频率范围为0.5～20Hz。

二、电磁式振动台

电磁式振动台的结构原理如图1-2所示，它的驱动线圈绕在线圈骨架上，通过连杆与台面刚性连接，并由上下支撑弹簧悬挂在振动台的外壳上[13]。

振动台的固定部分由高导磁材料制成，上面绕有励磁线圈，当励磁线圈通过直流电流时，磁缸的气隙间就形成强大的恒定磁场，而驱动线圈就悬挂在恒定磁场中。

当驱动线圈通过交流电流

时，由于磁场的作用，在驱动线圈上就产生电磁感应力

，从而使驱动线圈带动工作台面上下运动[14]。

电磁感应力

的大小为：

（1-2）

式中：

－空气气隙中的磁感应强度；

－驱动线圈导线的有效长度；

－驱动线圈中的电流幅值；

－驱动交流电流的圆频率。

因此，改变驱动交流电流的大小和频率，就能改变工作台的振动频率和幅值。

图1-2电磁式振动台结构原理图

电磁式振动台的控制系统如图1-3所示。

控制系统分为三路：

一路是励磁部分，主要给励磁线圈提供励磁电流而产生恒定的磁场；另一路是激磁部分，主要有信号发生器和功率放大器等组成，其输出信号接到振动台的驱动线圈上，以使其产生频率和幅值可调的振动信号；第三路是测量部分，其传感器装在台体内，测量放大器的输出可接各种显示和记录设备。

该部分用来测量台面的位移、速度和加速度[15]。

电磁式振动台的优点是，噪音比机械式振动台小，频率范围宽，振动稳定，波形失真度小，振幅和频率的调节都比较方便。

缺点是有漏磁场的影响，有些振动台低频特性较差。

图1-3电磁式振动台控制系统

三、液压式振动台

液压式振动台是将高压油液的流动转换成振动台台面的往复运动的机械设备，其原理如图1-4所示。

其中台体由电动力式驱动装置、控制阀、功率阀、液压缸、高压油路（供油管路）和低压油路（回油管路）等主要部件组成。

电动力式驱动装置由信号发生器、功率放大器供给驱动线圈驱动电信号，从而驱动控制阀工作。

由于液压缸中的活塞同台面相连接，控制台与功率阀有多个进出油孔，分别通过管路与液压缸、液压泵和油箱相连，这样在控制阀的控制下，通过不断改变油路就可使台面按控制系统的要求进行工作[16]。

图1-4液压式振动台结构原理图

振动台处于平衡位置时，即电动力式驱功装置中的驱动线圈未加驱动信号时振动台处于平衡位置，控制阀和功率阀的滑阀均关闭，使高压油不能通过控制阀和功率阀而进入液压缸，于是活塞处于静止平衡位置。

当给驱动装置的驱动线圈加一驱动信号使驱动装置的可动部分向上移动时，控制阀即离开平衡位置向上运动，从而打开控制阀的高压油孔，高压油经下面的油路进入功率阀，迫使功率阀向上运动，继而使功率阀的高压油孔打开，高压油从下面进入液压缸，并推动活塞向上运动，这样振动台台面就向上运动，而处在控制阀、功率阀和活塞上端的油经回油管流入油箱中[17]。

当外加驱动信号使驱动线圈的可动部分向下运动时，控制阀即向下运动，高压油从上面进入功率阀，迫使功率阀向下运动，高压油从上面进入液压缸而推动活塞向下运动，这样振动台就向下运动。

不难看出，液压振动台就是利用控制阀和功率阀控制高压油流入液压缸的流量和方向来实现台面的振动，台面振动的频率和电驱动装置的驱动线圈的振动频率相同。

图1-5液压振动台控制系统

液压振动台控制系统如图1-5所示，信号发生器产生的振动信号与各反馈回路传感器测量得到的阀位移、液压脉动及台面位移信号一起在控制部分进行处理，最后产生误差信号送到电动驱动装置的驱动线圈中，然后经控制阀和功率阀使振动台产生稳定的振动[18]。

由于液压振动台可比较方便地提供大的激振力，台面能承受大的负载，因此一般都做成大型设备，以适应大型结构的模型试验。

它的工作频率段下限可低至零赫，上限可达几百赫。

由于台面由高压油推动，国而避兔了漏磁对台面的影响。

但是，台面的振动波形直接受油压及油的性能的影响。

因此，压力的脉动、油液受温度的影响等都将直接影响台面的振动波形。

所以，与电磁式振动台相比，它的波形失真度相对来说要大一些。

四、电液式振动台

电液式振动台主要由液压源系统、伺服阀、伺服模拟控制器、台面和计算机控制系统等组成（如图1-6所示），利用伺服阀控制液压缸输出激振力驱动振动台作周期性正弦运动或随机振动。

频率范围取决于伺服阀的频宽，频率范围一般为2Hz～100Hz，最大可达1000Hz；台面负载可达数万牛顿。

电液振动台的主要优点是：

激振力大、承载能力大、振幅大；在某个频率范围内，为了保证电液振动台台面得到所需要的运动量（例如位移或激振力），可以采用反馈控制，也可以实现随机振动及几个电液振动台进行同步运行；另外单位体积的激振力大、体积比较小、台面没有磁场影响。

可做大型结构或部件的模型和实物试验，结构牢固，抗横向负荷能力强，但电液振动台的缺点是：

难于在高频区工作仅适用于在低频区及中频区进行振动试验；液压系统的性能容易受温度的影响，对油液要求高、造价贵、维修复杂；由于油泵的压力脉动，油液压缩性引起的共振、液压密封件的因素等，使得波形失真比电动振动台大。

目前世界上已安装了数百套多轴振动试验系统，其中电液式振动试验系统主要用于地震模拟试验、汽车工业领域的路面仿真试验和大结构试件的振动试验。

图1-6电液式振动台原理图

以上三种不同激振方式的振动台各具特点，在一定程度上能满足不同的需要。

但是，随着现代工业，尤其航空航天等高科技领域的不断发展，对振动台的工作频率范围及输出推力的要求也越来越高，提高工作频率范围及增大输出推力作为重要的主题，始终贯穿振动台技术的发展的整个历程。

在业内曾有过“一吨推力一吨金”的说法，足以证明在高频区域增大输出推力的难能可贵。

对于机械式振动台，由于机械激振所固有的特点，其激振频率及输出推力难以有大的突破；对于电磁式振动台，由于电磁激振系统所固有的磁路饱和、功率损耗及发热限制，其激振频率和输出推力也难以有大的跨越；目前，最大推力可达28.9KN，频率可达近4000Hz。

对于电液式振动台，通过改进伺服阀的频响