概述

1.1 振動(dòng)臺(tái)的應(yīng)用和發(fā)展 

    振動(dòng)臺(tái)是在各種條件下，環(huán)境下測(cè)定金屬材料、非金屬材料、機(jī)械零件、工程結(jié)構(gòu)等的機(jī)械性能、工藝性能、內(nèi)部缺陷和校驗(yàn)旋轉(zhuǎn)零件動(dòng)態(tài)不平衡的儀器[1]

。在研究探索新材料、新工藝、新技術(shù)和新結(jié)構(gòu)的過程中，振動(dòng)臺(tái)是一種*的重要測(cè)試儀器，它廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、石油、化工、建筑、航空、造船、交通運(yùn)輸?shù)裙I(yè)部門及各類研究機(jī)構(gòu)，因此在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有相當(dāng)重要的地位，它的發(fā)展水平在某種程度上反映了一個(gè)國(guó)家的工業(yè)發(fā)展水平，因而世界各國(guó)都很重視結(jié)構(gòu)試驗(yàn)技術(shù)和試驗(yàn)系統(tǒng)的研究開發(fā)工作[2]。 

從六十年代開始我國(guó)為了滿足航天領(lǐng)域的需求，各類振動(dòng)臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生。用于振動(dòng)試驗(yàn)的振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)從其激振方式上可分為三類：機(jī)械式振動(dòng)臺(tái)、電液式振動(dòng)臺(tái)和電動(dòng)式振動(dòng)臺(tái)。從振動(dòng)臺(tái)的激振方向，即工作臺(tái)面的運(yùn)動(dòng)軌跡來分，可分為單向(單自由度)和多向(多自由度)振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)[4]。從振動(dòng)臺(tái)的功能來分，可分為單一的正弦振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)和可完成正弦、隨機(jī)、正弦加隨機(jī)等振動(dòng)試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)的振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)。由于機(jī)械式振動(dòng)臺(tái)、電液式振動(dòng)臺(tái)和電動(dòng)式振動(dòng)臺(tái)工作原理不同，因此他們的性能也大不相同。表1-1對(duì)三種類型振動(dòng)臺(tái)的主要性能進(jìn)行了比較，圖1-1對(duì)三種類型振動(dòng)臺(tái)頻率、振幅的常用區(qū)域進(jìn)行了比較。通過比較，我們可以看出，機(jī)械式的振動(dòng)臺(tái)由于出力小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且不能結(jié)合計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)編程，一旦制造以后就無(wú)法根據(jù)具體要求進(jìn)行更改，因此在實(shí)際應(yīng)用中受到很大的限制，很少使用。電液式振動(dòng)臺(tái)的作用力大，既可以在較低頻、較長(zhǎng)行程下工作，也可以在較高頻、較短行程下工作，而且配合計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制能任意改變其試驗(yàn)波形而方便的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制;在需要很大作用力的時(shí)候，由于體積較小、結(jié)構(gòu)緊湊，還可以用幾個(gè)液壓缸并聯(lián)進(jìn)行工作，但它的頻率范圍比電動(dòng)式振動(dòng)臺(tái)略低，波形失真也比電動(dòng)式振動(dòng)臺(tái)略大些。但電液振動(dòng)臺(tái)仍然是今后發(fā)展的方向。

表1.1三種類型振動(dòng)臺(tái)主要性能的比較[4]   

1.2 電液振動(dòng)臺(tái)的發(fā)展方向 

二十一世紀(jì)的今天隨著航天航空技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)的要求越來越高。需要大噸位(1000KN以上)、高工作頻串(1000Hz以上)的振動(dòng)臺(tái)的上限工作頻率能夠達(dá)到2000Hz[5]。這樣就可以在一個(gè)振動(dòng)臺(tái)上完成整個(gè)頻段的振動(dòng)環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)，因此一般振動(dòng)臺(tái)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足試驗(yàn)的需求，而這個(gè)重任就落到了電液高頻振動(dòng)臺(tái)的身上，如何設(shè)計(jì)出頻率高頻寬大精度高的電液振動(dòng)臺(tái)已經(jīng)是一個(gè)當(dāng)務(wù)之急，國(guó)內(nèi)外各類研究所對(duì)高頻電液振動(dòng)臺(tái)的研究也取的了很大的成就，然而電液伺服系統(tǒng)的工作頻率的高低，主要取決于伺服閥頻寬的高低。因此，如何提高電液伺服閥頻寬的研究更是重中之重。     80年代初期隨著電液伺服系統(tǒng)在工業(yè)中的大量應(yīng)用，電液專家開始尋找各類*的電液控制元件和驅(qū)動(dòng)放案，放案之一就是采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，數(shù)字脈沖控制的步進(jìn)式數(shù)字元件[7]。與模擬量控制的比例閥和伺服閥相比，步進(jìn)式數(shù)字元件具有重復(fù)精度高，無(wú)滯環(huán)、和直接數(shù)字控制等優(yōu)點(diǎn)[8]。但是這類元件按步進(jìn)的工作方式工作，存在著響應(yīng)速度和量化誤差之間的矛盾，設(shè)計(jì)時(shí)往往保證前者，所以響應(yīng)速度沒有得到改善，難以在控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。然而本人導(dǎo)師zui近幾年一直潛心從事電液伺服數(shù)字閥的技術(shù)研究，從三個(gè)方面解決了以上伺服閥的不足，設(shè)計(jì)出了一中新型的數(shù)字閥。*方面直接式數(shù)字控制元件的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵是要解決導(dǎo)控方面設(shè)計(jì)采用了閥芯雙運(yùn)動(dòng)自由度的放案，即2D閥的設(shè)計(jì)放案。第二放棄這類閥的步進(jìn)控制方式，采用一種特殊的步進(jìn)電機(jī)連續(xù)跟蹤控制的方式，以便解決步進(jìn)電機(jī)控制的響應(yīng)速度和量化誤差之間的矛盾，并對(duì)跟蹤控制算法和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各特性進(jìn)行了研究。第三解決了閥數(shù)字控制器和系統(tǒng)控制器之間通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字接口的數(shù)字控制信號(hào)的傳送和通信[9]。因此本課題是基于*數(shù)字閥控系統(tǒng)的電液振動(dòng)臺(tái)的研究設(shè)計(jì)，對(duì)將來的高頻電液伺服振動(dòng)臺(tái)研究具有一定的意義。 

1.3 本課題的研究目的和研究?jī)?nèi)容 

本課題的研究目的是設(shè)計(jì)并制造一臺(tái)用于進(jìn)行金屬材料疲勞試驗(yàn)所使用的高頻電液伺服振動(dòng)臺(tái)，充分利用電液振動(dòng)臺(tái)出力大、響應(yīng)快，頻率范圍寬的優(yōu)點(diǎn)。在該課題中我們建立的實(shí)際系統(tǒng)是單自由度垂直往復(fù)運(yùn)動(dòng)的電液式伺服振動(dòng)臺(tái)，相對(duì)于大型多自由度電液式振動(dòng)臺(tái)而言，雖然它的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但卻是大型系統(tǒng)研制的基礎(chǔ)，對(duì)實(shí)際研究有重大的意義。更重要的是本課題采用了一種新型的控制系統(tǒng)即2D閥控液壓系統(tǒng)，他的成功問世，將對(duì)以后大型振動(dòng)臺(tái)和控制閥的研究奠定良好的基礎(chǔ)。 

論文可以分成這樣幾個(gè)部分，首先，詳細(xì)敘述了在實(shí)際應(yīng)用中的該振動(dòng)臺(tái)的結(jié)構(gòu)、各部件的設(shè)計(jì)方法以及工作原理，系統(tǒng)組成等等.然后，著重介紹并分析2D閥的設(shè)計(jì)的具體思路和方法，建立了準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行了MATLAB仿真。zui后，對(duì)整個(gè)振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)的建模與MATLAB仿真，并在此基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了分析。

結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 液壓振動(dòng)臺(tái)的結(jié)構(gòu)和主要技術(shù)參數(shù) 

本液壓振動(dòng)臺(tái)用于材料試驗(yàn)系統(tǒng)的激振。主要包括主動(dòng)力源、控制動(dòng)力源、油箱及附件、各類傳感裝置、2D閥、激振缸、振動(dòng)臺(tái)面。見示意圖圖2-1

主要技術(shù)參數(shù)如下:   

zui大激振力：Fmax=2T=1.96×104N

油源工作壓力：Ps=21MPa=2.1×107Pa  

油源提供的zui大流量：Q0=60L/min=1.0×10-3m3/s

zui大負(fù)載質(zhì)量：M=200Kg

運(yùn)動(dòng)部件自重：m=30 Kg

頻率范圍：fmin=1Hz，fmax=100Hz

2.2 電液振動(dòng)臺(tái)工作原理  

鑒于提高振動(dòng)臺(tái)的頻率范圍和輸出推力的重要意義，本文提出了一種電液激振的新方法，其工作原理見圖2-2。該方法采用閥芯雙自由度電液控制閥（簡(jiǎn)稱2D閥）控制液壓缸 [10] 。該閥采用閥芯旋轉(zhuǎn)和 軸向雙自由度設(shè)計(jì)而成（簡(jiǎn)稱2D電液控制閥）。在2D閥中閥芯由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，使得沿閥芯臺(tái)肩周向均勻開設(shè)的溝槽（相鄰溝槽的圓心角為q）與閥套上的窗口相配合的閥口面積大小成周期性變化，由于相鄰臺(tái)肩上的溝槽相互錯(cuò)位（錯(cuò)位角度為2/q），因而使得進(jìn)出液壓缸的兩個(gè)容腔的流量大小及方向以相位差為180°發(fā)生周期性的變化，驅(qū)動(dòng)液壓執(zhí)行元件油缸（或馬達(dá)）做周期性的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)閥芯在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中位于圖2-2a所示的位置時(shí)，P口和A口溝通，B口和T口溝通，液壓缸左腔進(jìn)油、右腔回油，油缸活塞向右運(yùn)動(dòng)；當(dāng)閥芯旋轉(zhuǎn)過2/q角度處于圖2-2b所示位置時(shí)， P口和B口溝通，B口和T口溝通，油缸右腔進(jìn)油、左腔回油，油缸活塞向左運(yùn)動(dòng)。當(dāng)閥芯在伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)時(shí)，油缸活塞將作周期性的往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生激振。在2D電液激振閥中，臺(tái)肩上的溝槽與閥套上窗口構(gòu)成的面積除因閥芯旋轉(zhuǎn)發(fā)生周期性變化外，其變化的幅度通過閥芯的軸向運(yùn)動(dòng)從零（閥口*關(guān)閉）到zui大實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制。閥芯的的軸向運(yùn)動(dòng)由另一伺服電機(jī)通過偏心機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)閥芯實(shí)現(xiàn)，通過控制該伺服電機(jī)轉(zhuǎn)角的大小從而改變閥口面積周期性變化的幅度，進(jìn)而改變液壓缸的振動(dòng)幅值（輸出推力）。

顯然，圖2-2所示2D電液激振閥控液壓執(zhí)行元件所構(gòu)成的電液激振器的工作頻率與閥芯的轉(zhuǎn)速成正比。由于閥芯為細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，又處于液壓油的很好潤(rùn)滑狀態(tài)中，因而很容易提高閥芯的旋轉(zhuǎn)速度獲得高的激振頻率。 

2D電液閥控激振器的工作頻率f等于閥芯的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速n與閥芯溝槽每轉(zhuǎn)與閥套窗口之間的溝通次數(shù)m的乘積。因而除通過提高閥芯的轉(zhuǎn)速提高工作工作頻率外，還可以通過增加閥芯臺(tái)肩上的溝槽數(shù)及選擇閥芯與閥套之間的配合關(guān)系來提高閥芯溝槽與閥套窗口每轉(zhuǎn)溝通次數(shù)。閥芯每轉(zhuǎn)溝通次數(shù)m除與閥芯溝槽數(shù)Z有關(guān)，還與閥芯溝槽與閥套窗口的配合關(guān)系有關(guān)。如果閥芯溝槽數(shù)與閥套窗口數(shù)相等，則這種配合形式稱為全開口型，如圖2-3a所示。全開口型2D閥閥芯每轉(zhuǎn)的通斷次數(shù)即為閥芯溝槽數(shù)Z（閥套窗口數(shù)）。如果閥芯溝槽數(shù)與閥套窗口數(shù)不相等，則這種配合形式稱為部分開口型，如圖2-3b所示。部分開口型2D閥閥芯每轉(zhuǎn)的通斷次數(shù)等于閥芯溝槽數(shù)Z與“拍數(shù)”的乘積，“拍數(shù)”等于閥芯溝槽數(shù)與閥芯溝槽數(shù)和閥套窗口數(shù)差之比（閥芯溝槽數(shù)和閥套窗口數(shù)必須選擇合適的值，從而保證拍數(shù)為整數(shù)）。圖2-3b閥芯溝槽為8，閥套窗口數(shù)為10，閥芯每轉(zhuǎn)溝通32次。通過以上簡(jiǎn)要分析可以看出采用2D閥構(gòu)成的電液激振器易于實(shí)現(xiàn)高頻激振。