液压高频颤振发生器的设计与仿真.pdf

2 0 1 1年7月 第 3 9卷 第 1 3期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I CS J u 1 ． 2 0 1 1 Vo 1 ． 3 9 No ． 1 3 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 1 3 ． 0 2 1 液压高频颤振发生器的设计与仿真 林雪，邢彤，俞浙青 ， 阮健 浙江工业大学机械 工程学院，浙江杭州 3 1 0 0 1 4 摘要 设计一种新型的液压高频颤振发生器， 该发生器由一个 2 D两位三通高频激振阀和一个特殊的颤振缸构成。其 振动是通过颤振缸的弹性端盖与进入封闭容腔的受控交流液压油进行流固耦合 ，在耦合边界上形成的。使用有限元分析软 件对弹性端盖进行静力分析 ， 初步求得振动的幅值以及所受的应力 ， 并对 由弹性端盖、负载固定板组成的装配体进行湿模 态分析和干模态分析，分别求得模型的固有频率、振型 ，并将两种分析结果进行比较。 关键词液压颤振发生器；流固耦合振动 ；A n s y s 软件 中图分类号T H 1 3 7 文献标识码A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 1 3 0 6 9 3 De s i g n a n d S i mu l a t i o n o n t h e Hi g h Fr e q u e n c y Hy d r a uli c F l u t t e r Ge n e r a t o r L I N Xu e，XI NG T o n g。YU Z h e q i n g ，RUAN J i a n S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，Z h e j i a n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，Ha n g z h o u Z h e j i a n g 3 1 0 0 1 4 ，C h i n a Ab s t r a c t A n e w k i n d o f h i g h f r e q u e n c y h y d r a u l i c fl u t t e r g e n e r a t o r Wa S d e s i g n e d，w h i c h w a s c o n s t i t u t e d b y a 2 D t wo p o s i t i o n， t h r e e w a y h i g h f r e q u e n c y e x c i t a t i o n v alv e a n d a s p e c i al c y l i n d e r ．Wh e n t h e e l a s t i c e n d c o v e r o f t h e s p e c i al c y l i n d e r i n t e r a c t e d w i t h al- t e r n a t i n g c u r r e n t h y d r a u l i c o i l t h a t e n t e r e d i n t o t h e c l o s e d c h a mb e r ， v i b r a t i o n wa s h a p p e n e d ．An s y s wa s u s e d t o c a r r y o n s t a t i c a n aly s i s t o t h e e l a s t i c e n d c o v e r a n d t h e a mp l i t u d e W aS o b t a i n e d a s w e l l a s t h e s t r e s s ．We t a n d d r y mo d a l a n aly s e s w e r e c a r r i e d o n a n d the i r n a t - u r a l f r e q u e n c i e s a n d mo d e s o f v i b r a t i o n w e r e o b t a i n e d a n d c o mp a r e d ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c fl u t t e r g e n e r a t o r ；F l u i d s o l i d c o u p l e d v i b r a t i o n；An s y s s o f t wa r e 振动切削是一种新型的非传统加工的特种切削加 工方法。与普通切削相 比，振动切削具有切削力小、 切削热降低、工件表面质量提高、切屑处理容易、刀 具耐用度提高等优点，解决了难加工材料和普通材料 的难加工工序的加工问题 ，被认为是机械加工的一个 重要 发展方 向。 振动切削装置是指利用外加的能源产生强迫振动 的装置。振动切削在生产中的应用还很少 ，其中原因 之一是振动切削装置还不完善 ，往往由于在加工过程 中的振动频率、振幅以及输出力、疲劳等难于控制， 限制了其在生产中的广泛使用。作者所设计的颤振发 生器实际上就是一种特殊的振动切削装置 ，能在达到 很高频率的同时又能产生很大的输出力。 1 液压颤振器的工作原理 如图 1 所示，所用的阀具有径向的旋转运动和轴 向的直线运动，也称 2 D阀。阀芯台肩周向均匀开设 8个沟槽 ，每个沟槽所对应 的圆心角为 1 1 ． 2 5 。 相 邻 沟槽的圆心角为 4 5 。 ，阀套周 向也均匀开设 8个窗 口，沟槽宽度与阀套窗口宽度大小相同，且相邻台肩 上的沟槽相互错位 错位角度为 2 2 ． 5 。 ，因而使得 b 回油 图 1 液压高频颤振发生器工作原理图 收稿 日期 2 0 1 0 0 6 2 3 基金项 目浙江省机械电子工程重中之重学科开放基金、特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室开放基金资助项 目 2 0 0 9 E P 0 1 0 ；中国博士后科学基金第 4 6批项目 2 0 0 9 0 4 6 0 1 0 6 作者简介林雪 1 9 8 5 一 ，女，硕士研究生，主要从事电液控制系统的研究。电话1 5 0 8 8 6 2 4 7 7 9，Ema i l l i n x u e _ 5 1 1 1 6 3． c o rn。 7 0 机床与液压 第 3 9卷 进 出颤振缸的流量大小及方 向发生周期性的变化。如 图 1 a 所示 ，P - A导通 ，液压油进入颤振 缸 ；如 图 l b 所示 ，A T导通 ，液压油 流 出颤 振缸 。当液压油 进入颤振缸时，和颤振缸弹性端盖发生流固耦合振 动。流体中产生附加的动压力，而附加动压力又通过 界面再度引起结构 的动力 响应，这个过程称 为结 构与 流体的耦合响应。这种液压颤振器的振动是结构 液 压缸与非结构因素 交流液压流体相互耦合时， 在耦合边界上形成的两者之间的耦合振动。其特殊性 在于进入封闭容腔 的油液是受控 的交 流流体 ，并 且 封闭容腔较小，可调节其体积，流体和颤振缸发生流 固耦合振动。弹性端盖颤振的同时会带动负载固定板 及其上面的工件颤振，从而为振动切削提供了条件。 在 2 D阀中，阀芯的旋转运动和轴向滑动分别用 于实现激振频率和幅值的独立控制。激振频率等于阀 芯的转速与每转阀芯沟槽与阀套上的窗口之间的沟通 次数的乘积 ，由于阀芯为细长结构转动惯量很小，又 处于液压油的很好的润滑状态中，因而很容易提高阀 芯的旋转速度获得高的激振频率；此外 ，也容易通过 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。通 过调整这些因素易于实现2 D阀控 液压颤振器 的高频 颤振 ，可 以达到 0～ 4 0 0 0 H z 的频率 。 阀芯的轴向运动由另一伺服电机来控制，伺服电 机带动连在阀芯上的凸轮机构旋转使阀芯产生轴向位 移，从而控制油路通断的面积梯度。 2颤振缸 的结构设计 颤振缸 由负载 固 定板 、弹 性 端 盖 、缸 体 、活 动 端 盖 、固定 端盖几部 分组成 ，如 图 2 所 示。 把待 加工工 件 固 定 在 负 载 固 定 板 上 ， 这样工件就会随着弹 性端 盖 的振 动 而 颤 振 以达 到振 动 切 削 的 目 的。弹性端 盖和缸体 内的流体发生 的流 固 耦合振动 缸体与流 体之间的作用不加以考 虑与 弹性 端 盖 的 结 图 2 颤振缸结构设计简图 构参数 、材料有关 ，二者是影响振动特性 的关键因素。 在进行流固耦合振动研究之前，研究正弦振动源作用 下弹性元件的振动特性，从而初步确定弹性元件的结 构参数。其中对振动陛能较为敏感的结构参数有 r 、Y 。 根据弹性力学和液压控制系统理论初步分析得知 r 和 Y的值影响了振幅以及端盖所受的应力，颤振缸的 工作体积 影响了颤振机构的液压固有频率，而工作 体积 可通过调节活动端盖的位置决定。调节螺杆就 可以改变活动端盖的位置从 而确定颤振缸 的工作体积 ， 即液压油的体积。正是这些参数决定了颤振机构的振 动特性与振动模态。弹性端盖设计简图如图3所示。 图 3 弹性端盖设计简图 弹性端盖所用的金属材料除必须严格要求化学成 分和冶炼条件外，还应具备下列性能 强度极限以及 弹性极 限高 、弹性模量具有 良好的时间稳定性 且温度 系数小 、具有小的弹性滞后、冲击韧性好，以便使弹 性端盖有较好的耐冲击 、振动和抗疲劳性能。要使某 一 金属材料同时具备上述各项性能是不可能的，为确 保准确度 和稳定性 ，不能只突 出某一项单项 指标 ，一 定要综合性能良好。 作者 选用 4 0 C r N i Mo A作 为 弹 性 端 盖 的材 料。 4 0 C r N i Mo A是合结钢其中的一种，也称合金钢。此材 料具有以下特点 强度极限和屈服极限高；弹性模量 温度系数小 ，且接近 于常数 ；线膨胀系数小 ；弹性滞 后和蠕变小；冷加工与热加工工艺好 ；加工后残余应 力小。这些优良的性能决定了该材料具有较好的综合 技术性 能。故 为弹性端盖选择此材料 。 按无限寿命考虑， 4 0 C r N i Mo A在受到脉动循环应 力作用下，疲劳极 限为 7 2 0 MP a ，安全系数为 1 ． 3 ， 得到弹性元件的许用应力[ ] 5 5 3 M P a 。 3 弹性端盖的有限元分析 流固耦合问题的重要特征是两相介质 的相互作 用 ，结构在流体作用下产生变形或运动，而反过来结 构的变形和运动又影响流场，改变流体载荷分布及大 小 。一般而 言 ，流 固耦 合 问 题 具 有 以 下 两 点 特 征 1 流体域和固体域均不可能单独地求解； 2 无 法显式地消去描述流体运动的独立变量或描述固体运 动的独立变量 。 首先对弹性端盖及负载固定板组成的装配体进行 静力分析 ，以初步求得弹性端盖所受的应力和位移 ， 得到颤振的振幅以及端盖的受力情况。将 S o l i d Wo r k s 中建立的弹性端盖及其负载固定板模型导入 A N S Y S ， 并对其进行网格划分，设通入的流体的压力恒为 1 0 MP a ，对不同Y 值的弹性端盖进行静力分析并且加以 对 比，如表 1 示。 表 1 不同Y值分析结果 第 1 3期 王少福 等基于改进的 R B F神经网络的热轧板冲击功预报模型 。 5 1 毯 螋 瓣 图5 I G A函数输出和 适应度变化曲线 辞 0 0 ． 2 0 ． 4 0 ． 6 0 ． 8 1 输 图6 使用了I G A算法 的函数变化曲线 仿真结果可知，当 G A的交叉率取值为 0 ． 8时， 可有最小的遗传代数 8代。得到局部最优值的次数为 4次；而改进的遗传算法 I G A由于交叉率和变异率 自 适应可调，因此，最优遗传代数为 5 ，进入局部最优 值的次数为 2次。从而可知改进的算法提高了响应速 度，解决了种群早熟问题 ，具有 良好的控制性能。 利用文中所设计的 I G A ． R B F模 型和常规 的 R B F 网络模型分别预测冲击功，其中遗传算法初始种群大 小为 5 0个 ，其中M 1 6为输入节点数，P2 1为隐 层节点数，N 1为输出节点数。 暑 丑 黎 剥 复 赠 轴 图7 R B F神经网 络建模结果 图8 I G A R B F神经 网络建模结果 经过多次试验并选取最优结果可知 普通的R B F 模型的拟合误差为 0 ． 0 0 2 5 ，拟合命 中率为 8 1 ． 3 ％， 检验误差为0 ． 0 0 4 5 ，检验命 中率为 8 0 ． 5 ％；而文中 设计的 I G A ． R B F网络拟合均方误差为 0 ． 0 0 1 ，拟合命 中率为9 5 ． 1 ％，检验误差为 0 ． 0 0 1 3 ，检验命中率为 9 2 ． 3 ％。具体如图7和 8 示。 仿真结果表明文中提出的改进 自适应遗传算法 在保证全局收敛和收敛速度等优化性能上明显优于标 准遗传算法。利用 I G A所设计 的 I G A R B F冲击功预 测模型相对于常规的 R B F预测模型的性能有 比较大 的提高。 4结论 1 针对 Q 3 4 5 B热轧中厚板 ，建立了常温冲击 吸收功和化学成分、工艺参数 、终轧厚度、强度间关 系的神经网络预报模型，该模型具有较高的精度。 2 在给定化学成分、终轧厚度、实测强度或者 预报强度时，I G A R B F模型仿真结果表明所建立的 模型能较好地反映微观组织和化学成分对冲击吸收功 的影响，为实现对冲击吸收功的预报提供了有效的方 法 。 参考文献 【 1 】 邢进生． 数据挖掘在冶金产品质量控制中的应用 [ M] ． 北京 国防工业出版社 ， 2 0 o 4 ． 【 2 】 M I N T Z B ． S t r u c t u r e P r o p e r t y R e l a t i o n s h i p s f o r N o r m a l i s e d F l a n g e s f o r L o w T e m p e r a t u r e S e r v i c e[ J ] ． I r o n m a k i n g a n d S t e e l ma k i n g ， 1 9 9 9 ， 2 6 1 3 6 4 0 ． 【 3 】M I N T Z B ， P E T E R S O N G ， N A S S A R A ． S t r u c t u r e P r o p e a y R e l a t i o n s h i p s i n F e r r i t e 2 P e a r l i t e S t e e l s [ J ] ． I r o n m a k i n g and S t e e l m a k i n g ， 1 9 9 4， 2 1 3 2 1 5 2 2 2 ． 【 4 】 D U N N E D， T S U E H， S T E R J O V S K I Z ． A r t i fi c i a l N e u r a l N e t - w o r k s f o r Mo d e l l i n g o f t h e I m p a c t T o u g h n e s s o f S t e e l [ J ] ． I S I J ， 2 0 0 4 ， 4 4 9 1 5 9 91 6 0 7 ． 【 5 】 谭文， 刘振宇， 吴迪 ， 等． 热轧中厚板冲击功的神经网络 预报模型[ J ] ． 钢铁 ， 2 0 0 7 ， 4 2 3 5 1 5 5 ． 【 6 】李换琴， 万百五． 基于小波神经网络的大型多轧辊连轧 机产品质量模型[ J ] ． 系统工程， 2 0 0 2 ， 2 0 5 5 5 5 8 ． 上接第 7 1页 4结论 作者设计了一种新型振动切削装置液压高频 颤振发生器，是用新型的 2 D二位三通高频激振阀控 制一个特殊的颤振缸，进入缸体的具有一定压力的液 压油和颤振器的弹性端盖进行流固耦合 ，使弹性端盖 发生颤振，为待加工的工件提供了所需振动。主要对 弹性端盖进行 了研究 ，采用 A N S Y S 进行 了静力学分 析，得到颤振器不同Y值时输出的最大位移以及等效 应力 ，Y 6 m m时，最大位移为 3 9 ． 9 m，所受的最 大等效应力为 1 3 7 MP a ；又对其进行了模态分析 ，包 括干模态分析和湿模态分析 ，得到了由弹性端盖及其 负载固定板组成的装配体的固有频率及其振型，并将 两种分析所得的结果加以比较，表明结构在流体中的 固有频率略小于在空气中的固有频率，但是两种分析 所得到的振型基本相一致。 参考文献 【 1 】 王应彪， 刘传绍， 杨永发． 振动切削技术特点及其应用研 究[ J ] ． 机械研究与应用， 2 0 0 8 1 2 7 2 8 ． 【 2 】任燕． 2 D阀控缸 电液激振器激振波形研究 [ D ] ． 杭州 浙江工业大学 ， 2 0 0 8 ． 【 3 】 李卫民， 杨红义 ， 王宏祥． A N S Y S工程结构实用案例分 析[ M] ． 北京 化学工业出版社 ， 2 0 0 7 ． 【 4 】R U A N J ， B U R T O N R ． A n E l e c t r o h y d r a u l i c V i b r a t i o n E x c i t - e r U s i n g a T w o - d i m e n s i o n a l V a l v e[ J ] ． S y s t e m s a n d C o n t r o l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 9 2 1 3 51 4 7 ． 5 】 刘九卿． 称重传感器弹性元件金属材料的分析与选择 [ J ] ． 衡器 ， 2 0 0 1 5 1 0 一 l 6 ． 1 9 8 7 6 54 3 2l 0 0 O 0 0 00 O 0 0