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概述

1.1 振動臺的應(yīng)用和發(fā)展 

    振動臺是在各種條件下,，環(huán)境下測定金屬材料,、非金屬材料、機械零件,、工程結(jié)構(gòu)等的機械性能,、工藝性能,、內(nèi)部缺陷和校驗旋轉(zhuǎn)零件動態(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，振動臺是一種*的重要測試儀器,，它廣泛應(yīng)用于機械,、冶金、石油,、化工,、建筑、航空,、造船,、交通運輸?shù)裙I(yè)部門及各類研究機構(gòu)，因此在國民經(jīng)濟發(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國家的工業(yè)發(fā)展水平,，因而世界各國都很重視結(jié)構(gòu)試驗技術(shù)和試驗系統(tǒng)的研究開發(fā)工作[2]。 

從六十年代開始我國為了滿足航天領(lǐng)域的需求,，各類振動臺應(yīng)運而生,。用于振動試驗的振動臺系統(tǒng)從其激振方式上可分為三類：機械式振動臺、電液式振動臺和電動式振動臺,。從振動臺的激振方向,，即工作臺面的運動軌跡來分，可分為單向(單自由度)和多向(多自由度)振動臺系統(tǒng)[4],。從振動臺的功能來分,，可分為單一的正弦振動試驗臺和可完成正弦、隨機,、正弦加隨機等振動試驗和沖擊試驗的振動臺系統(tǒng),。由于機械式振動臺、電液式振動臺和電動式振動臺工作原理不同,，因此他們的性能也大不相同,。表1-1對三種類型振動臺的主要性能進行了比較，圖1-1對三種類型振動臺頻率,、振幅的常用區(qū)域進行了比較,。通過比較，我們可以看出,，機械式的振動臺由于出力小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且不能結(jié)合計算機進行自動編程,，一旦制造以后就無法根據(jù)具體要求進行更改,，因此在實際應(yīng)用中受到很大的限制,，很少使用。電液式振動臺的作用力大,，既可以在較低頻,、較長行程下工作，也可以在較高頻,、較短行程下工作,，而且配合計算機進行控制能任意改變其試驗波形而方便的實現(xiàn)自動化控制;在需要很大作用力的時候，由于體積較小,、結(jié)構(gòu)緊湊,，還可以用幾個液壓缸并聯(lián)進行工作，但它的頻率范圍比電動式振動臺略低,，波形失真也比電動式振動臺略大些,。但電液振動臺仍然是今后發(fā)展的方向。

表1.1三種類型振動臺主要性能的比較[4]   

1.2 電液振動臺的發(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，對振動試驗的要求越來越高,。需要大噸位(1000KN以上),、高工作頻串(1000Hz以上)的振動臺的上限工作頻率能夠達到2000Hz[5]。這樣就可以在一個振動臺上完成整個頻段的振動環(huán)境模擬實驗,，因此一般振動臺已經(jīng)遠遠不能滿足試驗的需求,，而這個重任就落到了電液高頻振動臺的身上，如何設(shè)計出頻率高頻寬大精度高的電液振動臺已經(jīng)是一個當(dāng)務(wù)之急,，國內(nèi)外各類研究所對高頻電液振動臺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)動放案,，放案之一就是采用步進電機驅(qū)動，數(shù)字脈沖控制的步進式數(shù)字元件[7],。與模擬量控制的比例閥和伺服閥相比,，步進式數(shù)字元件具有重復(fù)精度高，無滯環(huán),、和直接數(shù)字控制等優(yōu)點[8],。但是這類元件按步進的工作方式工作，存在著響應(yīng)速度和量化誤差之間的矛盾，設(shè)計時往往保證前者,，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,，從三個方面解決了以上伺服閥的不足,，設(shè)計出了一中新型的數(shù)字閥。*方面直接式數(shù)字控制元件的設(shè)計,，關(guān)鍵是要解決導(dǎo)控方面設(shè)計采用了閥芯雙運動自由度的放案,，即2D閥的設(shè)計放案。第二放棄這類閥的步進控制方式,，采用一種特殊的步進電機連續(xù)跟蹤控制的方式,，以便解決步進電機控制的響應(yīng)速度和量化誤差之間的矛盾，并對跟蹤控制算法和步進電動機各特性進行了研究,。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)的電液振動臺的研究設(shè)計，對將來的高頻電液伺服振動臺研究具有一定的意義,。 

1.3 本課題的研究目的和研究內(nèi)容 

本課題的研究目的是設(shè)計并制造一臺用于進行金屬材料疲勞試驗所使用的高頻電液伺服振動臺,，充分利用電液振動臺出力大、響應(yīng)快,，頻率范圍寬的優(yōu)點,。在該課題中我們建立的實際系統(tǒng)是單自由度垂直往復(fù)運動的電液式伺服振動臺，相對于大型多自由度電液式振動臺而言,，雖然它的結(jié)構(gòu)相對簡單,，但卻是大型系統(tǒng)研制的基礎(chǔ)，對實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，將對以后大型振動臺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部分,，首先，詳細敘述了在實際應(yīng)用中的該振動臺的結(jié)構(gòu),、各部件的設(shè)計方法以及工作原理,，系統(tǒng)組成等等.然后，著重介紹并分析2D閥的設(shè)計的具體思路和方法,，建立了準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型并進行了MATLAB仿真,。zui后，對整個振動臺系統(tǒng)進行了系統(tǒng)的建模與MATLAB仿真,，并在此基礎(chǔ)上對系統(tǒng)的動態(tài)特性進行了分析,。

結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 液壓振動臺的結(jié)構(gòu)和主要技術(shù)參數(shù) 

本液壓振動臺用于材料試驗系統(tǒng)的激振,。主要包括主動力源、控制動力源,、油箱及附件,、各類傳感裝置,、2D閥,、激振缸、振動臺面,。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大負載質(zhì)量：M=200Kg

運動部件自重：m=30 Kg

頻率范圍：fmin=1Hz,，fmax=100Hz

2.2 電液振動臺工作原理  

鑒于提高振動臺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)計而成（簡稱2D電液控制閥）,。在2D閥中閥芯由伺服電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn),，使得沿閥芯臺肩周向均勻開設(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，由于相鄰臺肩上的溝槽相互錯位（錯位角度為2/q）,，因而使得進出液壓缸的兩個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)動液壓執(zhí)行元件油缸（或馬達）做周期性的往復(fù)運動。當(dāng)閥芯在轉(zhuǎn)動過程中位于圖2-2a所示的位置時,，P口和A口溝通,，B口和T口溝通，液壓缸左腔進油,、右腔回油,，油缸活塞向右運動；當(dāng)閥芯旋轉(zhuǎn)過2/q角度處于圖2-2b所示位置時,， P口和B口溝通,，B口和T口溝通，油缸右腔進油,、左腔回油,，油缸活塞向左運動。當(dāng)閥芯在伺服電機驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)時,，油缸活塞將作周期性的往復(fù)運動產(chǎn)生激振,。在2D電液激振閥中，臺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動從零（閥口*關(guān)閉）到zui大實現(xiàn)連續(xù)控制,。閥芯的的軸向運動由另一伺服電機通過偏心機構(gòu)驅(qū)動閥芯實現(xiàn)，通過控制該伺服電機轉(zhuǎn)角的大小從而改變閥口面積周期性變化的幅度,，進而改變液壓缸的振動幅值（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。由于閥芯為細長結(jié)構(gòu),，轉(zhuǎn)動慣量很小,，又處于液壓油的很好潤滑狀態(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,。通過以上簡要分析可以看出采用2D閥構(gòu)成的電液激振器易于實現(xiàn)高頻激振,。