【正文】 液壓阻尼器振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)在要求推力、頻率、壓力、波形等條件下的液壓阻尼器的檢測工作，通過力和速度傳感器等多種傳感器將試驗(yàn)中采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出，應(yīng)用計(jì)算機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將處理結(jié)果與預(yù)定的合格數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而確定液壓阻尼器合格與否。本課題以液壓阻尼器振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)這一產(chǎn)品的研制與開發(fā)為中心，通過運(yùn)用已學(xué)的對于機(jī)、電、液領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí)，在一些成熟技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，對液壓阻尼器的試驗(yàn)臺(tái)的主要系統(tǒng)以及重要部件的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體說來本課題研究主要有以下幾個(gè)方面：1液壓阻尼器振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的液壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。完成液壓阻尼器振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的總體系統(tǒng)的規(guī)劃和開發(fā)。① 進(jìn)行液壓系統(tǒng)原理研究，繪制相應(yīng)的液壓控制原理圖。② 結(jié)合設(shè)計(jì)要求計(jì)算出系統(tǒng)中的重要的參數(shù)，例如流量、壓力、液壓缸的橫截面積等等。③ 重要部件的機(jī)械結(jié)構(gòu)（液壓缸、閥塊）的研制與開發(fā)。④ 完善整個(gè)系統(tǒng)，完成其他部件的開發(fā)（油源、試驗(yàn)臺(tái)架等等）。通過以上四步基本可以完成試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械和液壓部分設(shè)計(jì)，課題研究任務(wù)基本完成。 2 液壓阻尼器振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的臺(tái)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。完成試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械部分設(shè)計(jì)。課題是大推力、高精度液壓阻尼器振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的開發(fā)與研究，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)和理論意義。液壓阻尼器振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)是集機(jī)械結(jié)構(gòu)開發(fā)、液壓系統(tǒng)開發(fā)、電路控制開發(fā)于一體的高新技術(shù)產(chǎn)品，在產(chǎn)品檢測方面有著極為重要的應(yīng)用。目前，國內(nèi)高精度、大推力的液壓阻尼器振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)多為日本和德國的產(chǎn)品，說明國內(nèi)在高精度、大推力的液壓阻尼器振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)研制與開發(fā)方面與外國在不小的技術(shù)差距。本課題就是要在高精度液壓阻尼器振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)研制與開發(fā)方面尋求突破和創(chuàng)新，從而能促進(jìn)我國高精度、大推力液壓阻尼器振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的技術(shù)發(fā)展。2 液壓阻尼器試驗(yàn)臺(tái)方案設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)在推力、頻率、壓力、波形等條件下的液壓阻尼器的檢測工作，通過力和速度傳感器等多種傳感器將試驗(yàn)中采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出，應(yīng)用計(jì)算機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將處理結(jié)果與預(yù)定的合格數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，確定液壓阻尼器的合格與否。其主要技術(shù)要求有：最大動(dòng)、靜態(tài)力：1000KN；工作頻率：1－33 Hz（逐個(gè)頻率點(diǎn)）最大位移（振幅）：1Hz時(shí)，177。20mm；10Hz時(shí)，177。5mm；激振器最大行程：177。150 mm；最大速度：30 cm/s（要求）， cm/s（實(shí)際取值）；最大加速度：40 m/s2；高頻振動(dòng)持續(xù)時(shí)間：2s（要求），5s（實(shí)際取值）；運(yùn)動(dòng)（沖擊振動(dòng)）方向： 水平單向；動(dòng)態(tài)試驗(yàn)控制波形：正弦波系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測試精度：1％；被試件質(zhì)量：450～500kg；①阻尼器靜態(tài)特性試驗(yàn)阻尼器低速小阻力試驗(yàn)振動(dòng)臺(tái)在設(shè)定速度（～2mm/s）下，進(jìn)行低速行定檢測運(yùn)動(dòng)阻力。即：設(shè)定速度，繪出低速運(yùn)動(dòng)“阻力—時(shí)間”曲線。阻尼器釋放速度試驗(yàn)在額定載荷作用下，阻尼器的控制閥處于關(guān)閉狀態(tài)后，檢測其活塞移動(dòng)速度。即：設(shè)定載荷，繪出“速度—時(shí)間”曲線。②阻尼器動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)阻尼器閉鎖速度試驗(yàn)在133Hz頻率范圍內(nèi)，在不同振動(dòng)載荷作用下，阻尼器的控制閥在2～10mm/s速度內(nèi)在某個(gè)速度下自動(dòng)關(guān)閉（閉鎖），這個(gè)速度為閉鎖速度。即：設(shè)定頻率，繪出“負(fù)載（載荷）—速度”曲線。阻尼器動(dòng)態(tài)剛度試驗(yàn)在100%額定載荷及133Hz范圍內(nèi)，測定載荷與位移關(guān)系，繪制出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)剛度圖。(1)提出設(shè)計(jì)方案根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)要求擬定試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)方案有：一、采用機(jī)械設(shè)備，機(jī)械設(shè)備具有性價(jià)比高的特點(diǎn)。但機(jī)械式振動(dòng)臺(tái)直接承載能力小，振動(dòng)形式簡單，波形的失真較大，由于該系統(tǒng)所需的力較大（達(dá)到100T）需要通過復(fù)雜的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化后才能使用常規(guī)動(dòng)力源，故系統(tǒng)較為笨重，而且機(jī)械零件易磨損，其精度會(huì)受影響。二、采用機(jī)電設(shè)備，通過采用電動(dòng)式振動(dòng)臺(tái)等一系列電氣化的措施，電動(dòng)式振動(dòng)臺(tái)的功能較機(jī)械式有的較好的完善，它可以模擬正弦，隨機(jī)波等各種形式的振動(dòng)，但其承載能力還是有限，使用壽命也不盡如人意，不能夠滿足本試驗(yàn)系統(tǒng)所提出的大推力的要求。三、采用液壓激振器為響應(yīng)元件，電液伺服系系統(tǒng)為控制系統(tǒng),完成試驗(yàn)測試。液壓振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)是一種多功能、高精密度、快響應(yīng)的電液伺服系統(tǒng)，它不僅可以進(jìn)行新型液壓阻尼器的各種性能試驗(yàn)，而且可以進(jìn)行其它設(shè)備的振動(dòng)和疲勞試驗(yàn)。液壓振動(dòng)臺(tái)作為振源的模擬輸出設(shè)備其能輸出典型的地震波、正弦波、脈沖波等各種外界波，并能通過傳感器采集信號、計(jì)算機(jī)處理信號生成被試件在不同輸入波形下靜、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，為判斷被試件性能提供依據(jù)。在以上三個(gè)方案中，液壓式振動(dòng)臺(tái)擁有輸出推力大、行程大、振動(dòng)波形種類多等一系列優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)很好的符合了課題的開發(fā)要求，所以課題采用了液壓式振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的作為設(shè)計(jì)方案。(2)擬定設(shè)計(jì)方案在試驗(yàn)臺(tái)要求和具體技術(shù)指標(biāo)中，,～10mm/s,說明系統(tǒng)在做不同試驗(yàn)時(shí)需要的流量變化很大。系統(tǒng)中若只安裝一臺(tái)大流量伺服閥，在高速、大流量試驗(yàn)中系統(tǒng)工作正常，但在低速、小流量試驗(yàn)中因流量輸出過小導(dǎo)致系統(tǒng)控制精度降低。同理，系統(tǒng)中只安裝一個(gè)小流量伺服閥也行不通。解決方案：經(jīng)過分析，試驗(yàn)可以分為動(dòng)態(tài)、高速、大流量試驗(yàn)和靜態(tài)、低速、小流量試驗(yàn)兩種試驗(yàn)類型。為了解決流量變化過大的問題，系統(tǒng)中安裝大、小流量電液伺服閥各一臺(tái)，大流量電液伺服閥完成動(dòng)態(tài)、高速、大流量試驗(yàn)，小流量電液伺服閥完成靜態(tài)、低速、小流量試驗(yàn)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用雙桿液壓缸構(gòu)成的激振器,并用力和速度傳感器作進(jìn)行檢測反饋,從而構(gòu)成伺服閥控制液壓缸的閉環(huán)電液力系統(tǒng)其原理圖和方塊圖如下圖所示。 液壓阻尼器試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)油路分析：① 動(dòng)態(tài)、大流量試驗(yàn)時(shí)油路分析：三臺(tái)泵全部打開，壓力油經(jīng)過濾油器1單向閥19進(jìn)入主油路。此時(shí)換向閥12得電，小部分壓力油經(jīng)減壓閥10降低壓力，為大流量伺服閥的前置級提供壓力油；換向閥11得電，與大流量伺服閥對應(yīng)的液控單向閥打開；電液換向閥4得電，主油路壓力油經(jīng)電液換向閥4進(jìn)入大流量伺服閥5的功率級，經(jīng)打開的液控單向閥774進(jìn)入液壓激振器8推動(dòng)活塞完成試驗(yàn)。此時(shí)小流量伺服閥6不得電，與小流量伺服閥對應(yīng)的液控單向閥772關(guān)閉。② 靜態(tài)、小流量試驗(yàn)時(shí)油路分析：一臺(tái)柱塞泵打開，壓力油經(jīng)單向閥19進(jìn)入主油路。換向閥11不得電，與小流量伺服閥6對應(yīng)的液控單向閥打開；換向閥12不得電，主油路壓力油經(jīng)換向閥12進(jìn)入小流量伺服閥，通過與小流量伺服閥對應(yīng)的液控單向閥772進(jìn)入激振器8推動(dòng)活塞完成試驗(yàn)。電液換向閥4不得電，此時(shí)大流量伺服閥不工作，與大流量伺服閥對應(yīng)的液控單向閥774關(guān)閉。③系統(tǒng)說明●系統(tǒng)采用三臺(tái)液壓柱塞泵聯(lián)合供油，可以根據(jù)不同試驗(yàn)的流量要求選擇啟動(dòng)單泵或多泵供油，起到節(jié)能作用?！裨谌_(tái)柱塞泵的壓力油口分別裝有單向閥2，目的是隔離三臺(tái)油泵，在單臺(tái)或多臺(tái)工作模式切換中防止壓力油倒灌。單向閥3作用是防止比例溢流閥突然失電時(shí)蓄能器中的壓力油通過比例溢流閥沖擊回油管路中的冷卻器和低壓濾油器?！駷榱烁綦x兩個(gè)電液伺服閥，在伺服閥與液壓激振器之間分別安裝有液控單向閥。通過一個(gè)電磁換向閥11控制液控單向閥7的控制油口，使得所選擇的伺服閥與液壓激振器之間的油路相溝通?！駷榱耸瓜到y(tǒng)在做動(dòng)態(tài)試驗(yàn)時(shí)系統(tǒng)參數(shù)的匹配合理，安裝了一個(gè)減壓閥10來調(diào)整大流量伺服閥5的先導(dǎo)級的供油壓力?！癜仓迷诖罅髁克欧y前的蓄能器組，在試驗(yàn)初期充入壓力油，試驗(yàn)正式開始后可以為系統(tǒng)提供短時(shí)間的大流量液壓油，并可減少系統(tǒng)液壓脈動(dòng)沖擊。●系統(tǒng)中安裝有電磁泄荷溢流閥15，其回油口直接與油箱溝通。當(dāng)該電磁泄荷溢流閥15失電時(shí)，將蓄能器中的高壓液油直壓接注入油箱，避免蓄能器組中的高壓油直接沖擊回油管路中冷卻器和回油濾油器，防止事故的發(fā)生。3 液壓阻尼器試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)液壓激振器是系統(tǒng)的執(zhí)行元件，輸出力和位移、速度、加速度等運(yùn)動(dòng)參量。除了要滿足液壓激振器動(dòng)靜態(tài)出力、位移行程要求以外，還關(guān)系到油源系統(tǒng)的開發(fā)、電液伺服閥的選取，同樣也關(guān)系到激振器本身的安裝、活塞軸的密封、支撐型式等具體要求[9][10]。 靜態(tài)設(shè)計(jì)由已知條件分析得表1：表311 液壓阻尼器試驗(yàn)臺(tái)電液力伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求和參數(shù)項(xiàng)目符號參數(shù)單位工作要求被試件質(zhì)量M500Kg最大靜態(tài)力Fm1000KN工作頻率ω133Hz最大速度Vmaxcm/s最大加速度a40m/s2最大行程s177。150mm控制系統(tǒng)性能參數(shù)輸入信號下的控制精度ef≤177。5高頻持續(xù)時(shí)間t2s(1)選取供油壓力Ps從本系統(tǒng)特點(diǎn)出發(fā)來說，由于負(fù)載數(shù)值較大，不能按常規(guī)計(jì)算，故取系統(tǒng)供油壓力。(2)確定液壓缸活塞面積根據(jù)力控制系統(tǒng)的控制特性，應(yīng)保證伺服閥閥口上有足夠的壓降，以確保伺服閥的控制能力，故取負(fù)載壓力則液壓缸有效面積Ap為因?yàn)橐簤焊椎挠行Чぷ髅娣e按工作壓力選取活塞桿直徑與缸筒內(nèi)徑的比為/=按GB/T23481993《液壓缸氣缸內(nèi)徑及活塞桿外徑系列》圓整為=320mm,取=220mm,校核有效面積得查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》選取液壓缸型號為YHG1G320/220150LF3L1Q系統(tǒng)的最大流量為：由上液壓激振器的活塞面積A（有效活塞面積）104，()。采用蓄能器組后，其系統(tǒng)所需的平均流量QN根據(jù)下式計(jì)算［11］：得系統(tǒng)平均流量QN=。系統(tǒng)的最小流量Qmin為31L/min()。在激振器的兩個(gè)控制油口上分別裝有壓力傳感器用來檢測兩腔壓力。液壓激振器參數(shù)：① 激振器活塞桿直徑 Φ220 mm② 激振器活塞直徑 Φ320 mm③ 激振器活塞面積 cm2④ 激振器最大動(dòng)態(tài)力 993 KN⑤ 激振器最大靜態(tài)力 1050 KN⑥ L/min⑦ 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)時(shí)所需平均流量 L/min⑧ 靜態(tài)試驗(yàn)時(shí)所需最大流量 31 L/min（）⑨ 靜態(tài)試驗(yàn)時(shí)所需平均流量 L/min液壓激振器由活塞軸缸體前后端蓋防塵法蘭聯(lián)接螺母及其密封圈螺釘?shù)葮?gòu)成的標(biāo)準(zhǔn)件組成。前端蓋通過12個(gè)M20高強(qiáng)度內(nèi)六角螺釘安裝在試驗(yàn)臺(tái)架上。在激振器的兩個(gè)控制油口上分別裝有壓力傳感器用來檢測兩腔壓力。大流量電液伺服閥采用一個(gè)由標(biāo)準(zhǔn)“噴嘴－擋板”式兩級伺服閥驅(qū)動(dòng)一個(gè)功率放大級所構(gòu)成的三級電液流量伺服閥。無載流量是指當(dāng)供油壓力Ps全部降到閥上時(shí)伺服閥的流量。大流量電液伺服閥的無載流量按照下式進(jìn)行計(jì)算：代入數(shù)據(jù)得由滑閥壓力－流量方程式：式中：－伺服閥的流量－流量系數(shù)－液壓油密度－液壓油壓力－執(zhí)行元件的壓降由上式可以看出，當(dāng)計(jì)算滑閥無載流量時(shí)，取Pl=0，即壓降全部作用在滑閥上。此時(shí)系統(tǒng)的壓力－流量公式可以簡化為式（）：已知伺服閥在25Mpa供油壓力下無載流量為978L/min，（普通系統(tǒng)壓力多為7Mpa、21Mpa、35Mpa，故元件的性能多給出的是在上述壓力下的性能參數(shù)，此處需要將25Mp供油壓力下的無載流量進(jìn)行“標(biāo)準(zhǔn)化”）。額定流量是指當(dāng)閥上的壓降為7Mpa時(shí)的伺服閥的流量。伺服閥額定流量計(jì)算公式如式（）所示： 帶入數(shù)據(jù)，則所需伺服閥的額定流量（7MPa閥壓降下）為518L/min。，即最少要留有10%的余量。大流量電液伺服閥采用噴擋結(jié)構(gòu)三級閥形式的大流量電液伺服閥。用一個(gè)噴擋結(jié)構(gòu)的二級伺服閥作為先導(dǎo)級，驅(qū)動(dòng)一個(gè)帶位移電反饋的大流量功率級伺服閥（壓力25MPa，額定流量506L/min）進(jìn)行系統(tǒng)控制，大流量伺服閥需要進(jìn)口。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，最終選用MOOG公司的伺服閥。型號D792S80JOPOGVSAO，D792系列，3級閥，額定流量800L/min，315bar供油壓力，4通、軸向配磨、線性特性，先導(dǎo)級為D761標(biāo)準(zhǔn)型，先導(dǎo)壓力≥15bar，先導(dǎo)外部供油、內(nèi)部回油，密封材料FPM，電連接器6針、DIN43563，滿量程主控信號177。10V、輸出信號177。10V，供電電壓177。15VDC177。3％，紋波50mVpp。其計(jì)算過程與大伺服閥相似，按上述步驟算出小流量伺服閥的流量最后選定小伺服閥額定流量（7Mpa閥壓降下）為40L/min的噴擋結(jié)構(gòu)的兩級電液伺服閥，型號為QDY6G10040mA，伺服閥工作壓力25MPa，額定流量63L/min[11]。液壓振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)不同于一般的電液伺服系統(tǒng)，它具有頻響高、控制精度高、出力較大的特點(diǎn)，且系統(tǒng)的無功功率和壓力脈動(dòng)很大。作為環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備的振動(dòng)臺(tái)，還應(yīng)具有較長的使用壽命。這些特點(diǎn)決定了振動(dòng)臺(tái)配套油源的開發(fā)特點(diǎn)。在開發(fā)振動(dòng)臺(tái)油源時(shí)，除了對油源的主參數(shù)——系統(tǒng)壓力、流量給予足夠的重視外，還應(yīng)該對油源的液壓輔件，特別是關(guān)鍵輔件（過濾器、冷卻器、蓄能器）的選用與開發(fā)給予足夠的重視，以提高整個(gè)液壓振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)的開發(fā)質(zhì)量[12]。 (1)油液的理化性能由于伺服閥的閥口的高壓降下工作,并且通過閥口的流速很高,因此對工作液的物理性能和化學(xué)性能有著嚴(yán)格的要求:① 適宜的粘度和優(yōu)良的粘溫特性；② 良好的潤滑性；③ 良好的抗剪切性、抗氧化性和穩(wěn)定性；④ 良好的消泡性，以降低油中混入的空氣含量，提高油液的容積彈性模量。(2)壓力的穩(wěn)定性閥控動(dòng)力元件的分析都是以供油壓力的恒定為基礎(chǔ)的,供油壓力的較大變化,對伺服油源的穩(wěn)定性方面的要求包括：① 供油流量滿足負(fù)載流量的要求，并有一定的裕量；② 供油壓力基本恒定，壓力波動(dòng)控制在10%以內(nèi)；③ 油源調(diào)壓的穩(wěn)定性好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較高；④ 回油壓力基本恒定。(3)油液的清潔度液壓振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)中的核心控制元件——電液伺服閥對液壓介質(zhì)的清潔度有著嚴(yán)格的要求。若因過濾器的布置不當(dāng)，使液壓介質(zhì)達(dá)不到伺服閥對介質(zhì)的使用清潔度要求，振動(dòng)臺(tái)輕則振動(dòng)波形失真，重則使振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)自激失控，甚至使振動(dòng)臺(tái)根本無法閉環(huán)，不能正常工作。振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)要求液壓介質(zhì)的清潔度達(dá)到NAS 6級，起碼也要達(dá)到NAS 7級。液壓介質(zhì)的清潔度若超過NAS 8級，振