离心机电液振动台液压系统设计.pdf

2 0 1 3年 1月 第 4 1卷 第 1 期 机床与液压 MACHI NE T00L HYDRAUL I CS J a n ． 2 01 3 Vo 1 ． 41 No ． 1 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 0 1 ． 0 2 4 离心机电液振动台液压系统设计 张连朋，叶正茂，韩俊伟 哈 尔滨工业大学机电工程学院，黑龙江哈 尔滨 1 5 0 0 0 1 摘要针对目前离心机电液振动台系统由于短时间流量大和静不平衡力使得系统的平稳性差及波形复现精度低的问 题，设计了振动台系统的水平和垂直激振系统，采用静力平衡系统来减小系统的不平衡力，利用高压蓄能器进行大流量高 压供油、低压蓄能器吸收振动过程中的脉动和冲击。并进行了一系列的振动测试实验 ，结果表明该系统能够高精度且平 稳地复现给定信号，验证了设计方案的可行性。 关键词电液伺服；振动台； 离心机； 静力平衡 ； 蓄能器 中图分类号T H 1 3 7 ． 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 1 0 8 2 4 De s i g n o f Hy dr a u l i c Sy s t e m f o r El e c t r o- hy d r a u l i c Ce nt r i f u g a l S ha ke r Z HANG L i a n p e n g ，Y E Z h e n g ma o，HAN J u n we i S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g，H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n l o g y ，H a r b i n H e i l o n g j i a n g 1 5 0 0 0 1 ，C h i n a Abs t r a c tDu e t o n e e d o f t h e l a r g e flo w h y d r a u l i c o i l wi t hi n s ho r t t i me a n d t he u nb a l a nc e d s t a t i c f o r c e，t he s t a t i o n e r i n es s a n d p r e c i s i o n o f t h e wa v e f o r m r e p r o d u c t i o n o f t h e c e n t ri f u g a l s h a k e r a r e v e r y p o o r ．Ai mi n g t o t h e p r o b l e ms a b o v e ， t h e h o ri z o n t a l a n d v e r t i c a l e x c i t a t i o n s y s t e ms w e r e d e s i g n e d ．Us i n g t h e b a l a n c e d s t a t i c f o r c e s y s t e m ， t h e u n b a l a n c e d f o r c e wa s d e c r e a s e d ．T h e h i g h p r e s s u r e a c c u mu l a t o r w a s i n t r o d u c e d t o p r o v i d e l a r g e h i g h p r e s s u r e o i l a n d l o w p r e s s u r e a c c u mu l a t o r t o a b s o r b t h e p u l s a t i o n a n d i mp a c t ．A s e r i e s o f t e s t i n g e x p e ri me n t we r e p e rfo r me d ．T h e e x p e ri me n t a l r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e d e s i g n e d s y s t e m c a n b e u s e d t o r e p r o d u c e a c c e l e r a t i o n wa v e f o r m s mo o t hl y a nd p r e c i s e l y ． I t p r o v e s t h e f e a s i bi l i t y o f t h e de s i g n． Ke y wo r d s El e c t r o h y d r a u l i c s e F v o ； S h a k e r ；C e n t r i f u g e ；S t a t i c f o r c e b a l a n c e d；Ac c u mu l a t o r 近些年来 ，科学研究 和实验验证表 明 振动离心 机是 目前最先进最有效的岩土工程地震环境模拟实验 设备，在分析地震破坏机制 、抗震设计计算及数值模 拟验证等方面具有巨大的优越性。目前，国际上建设 成功的大型离心机振 动台只有美 国 j n k l,l 大学戴维斯分 校 、香港科技 大学 和 日本东 京工业大学 3台，并且 在实验过程中出现了很多问题。然而振动离心机的技 术还很不成熟 ，仍处 于摸索 阶段 。 于玉贞等 介 绍 了 电液 式离 心 机振 动 台 系统 的 优点及其发展前景。冉光斌等 提出使用隔振装置 增加系统的波形复现精度 ，却没有提 出具体解决方 案 。M a h a d e v a n I L A N K A T H A R A N 等 建 立 了离 心机 振动台的仿真模型，进行了实际模型和仿真模型实验 对比，并分析了两者之间产生误差的原因，却没有提 出解决措施。章为民等 针对南京水利科学院的离心 机振动台系统开发了基于网络技术的数字采集系统， 该数字采集系统具有很强的抗 干扰 能力和稳定性 。韩 宇航等 提出利用 P L C实现了离心机振动台的通信 功能 、振动台增益控 制功能、不平衡力 功能 的方 法 。张建 民等 主要 针对 清华 大 学研制 的离心 机振 动台系统，介绍其配置、技术指标 、主要部件和特 点 。 目前建 成的离 心机 电液振动 台系统在实验过程中 运行的平稳性差及波形 复现精 度低。针对 以上 问题 ， 作者设计了振动台系统 的水平和垂直激振系统 的主要 参数；采用平衡装置来减小系统运行中的不平衡力对 系统的影响 ；提出了利用高压蓄能器供油 的方法来解 决液压泵系统很难 短时 问提 供大流 量液压 油 的问题 ， 用低压蓄能器吸收振 动过程 中产生 的脉动和冲击 。 1 离心机振动台系统介绍 1 ． 1 离心机的主要组成及工作原理 离心机 的基 本组 成 主要 包括 吊篮 、转 臂 、模 型 箱、振动台、配重 、传动支撑、数据采集系统 、监控 系统和控制系统等 ，结构 图如 图 1 所示 。 收稿 日期 2 0 1 1 1 2 0 8 基金项目中国地震局工程力学研究所基本科研业务费专项项目 2 0 0 9 B 0 1 作者简介张连朋 ，硕士研究生，主要从事电液伺服系统和电液振动控制系统研究。E m a i l z i p _ h i t 1 6 3 ． c o n。 8 4 机床与液压 第4 1卷 其中D为活塞直径，d为活塞杆直径。根据上述关 系和机械设计手册活塞杆直径和活塞直径标准系列 D1 2 5 m m，d l 1 0 m m，则液压缸 的有 效面积 A 2 6 2 7 mm 。 将 2 8 MP a 时的流量折算到7 MP a 时的流量 Q 1 9 0 7, ／ q 9 5 L ／ m i n选 择 M O O G公 司 阀 压 降 7 M P a 时额定 流量 为 1 0 0 L ／ m i n的 D 7 9 1 S 1 0三级 电液伺 服阀。 3 静力平衡系统设计 离心机 的导向装置保持振动 台平动 ，为了防止振 动台发生摇摆 ，承担静力载荷和不承担静力载荷时要 保证其可靠性 ，因此采用静力平衡装置。 该液压系统的静力平衡装置采用液压缸一蓄能器 结合的平衡方式与激振液压缸串联。 静 态平衡装置所受最大静态力为 F m g ／ 21 7 2 k N，为了保证其可靠性 F 1 ． 1 5 F 1 9 7 k N。 静力平衡 装置设计输 入为 最大平衡 重力 为 1 9 7 k N，最大位移变化时 ，平衡 力变化 不大于 5 ％ 。液压 缸最大行程2 0 m m，则最大体积变化为 d Al0． 91 L 其中A 为垂直液压缸活塞杆截面积。 最大平衡压力 P 。 7 ‘ -2 0 ． 7 6 MPa 设平衡蓄能器的最高充气压力为 Pp 00 ． 8 5 pp 1 7． 6 5 MPa 平衡装置的最高压力是 P。 h1 ． 0 5 p 21 ． 8 0 MP a 平衡装置的最低压力为 P p l 0． 9 5 pp 1 9． 7 MP a 则平衡蓄能器的体积 叫为 ＼ p P p 0 p I ／ ＼ p t 一p p I ／ 2 2 L 根据文献 [ 1 O ]选取标准尺 寸 ，选择容 积为 2 ． 5 L的蓄能器 。 4 液压源的设计 4 ． 1 液压源蓄能器的设计 根据设计要求 ，将液压源蓄能器分为高压蓄能器 和低压蓄能器 ，高压蓄能器为振动台提供动力源；低 压蓄能器为系统的回油 ，吸收冲击，减小系统的压力 脉动 。 高压蓄能器的设计根据以下参数 1 满足随机波振动 的时 间为 3 S ； 2 蓄能器最高工作压力为 2 8 MP a ； 3 蓄能器最低工作压力为 2 2 MP a ； 4 蓄能器充气压力为 1 7 M P a 。 振动台水平向和垂直 向同时振动时 ，系统 的流量 最大 Q 。 1 8 0 4 L ／ m i n 。 根据经验值取 系统的平均流量为 Q一3 3 ． 3 ％ Q 。 一6 0 0 L ／ rai n 振动台系统 随机振 动 3 S 振动 台所需 的总油 量 ， 即蓄能器的工作容 积 t3 0 L 则高压蓄能器的总容积 叫 为 f 1 2 2 8 L 1 ～ f 1 ＼ p h 2 ， 其中 p 为高压蓄能器充气压力 ； P 。 为高压蓄能器 最低工作压力； P h 2 为高压蓄能器最高工作压力；n为 指数，因为工作时间很短，按绝热处理取 1 ． 4 。 选取 4个 6 3 L的蓄能器即可。 低压蓄能器的设计根据 以下参数 1 满足 随机波振动的时间为 3 S ； 2 蓄能器最高工作压力为 0 ． 3 MP a ； 3 蓄能器最低工作压力 0 ． 1 5 MP a ； 4 蓄能 器充气压力为 0 ． 1 MP a 。 低压蓄能器的总容积 为 l 0 2 L 一1 一 p I ／ p l2 一 ～ 其 中p 为低 压蓄能器 的充气压力 ；P 。 为低压蓄 能器的最低工作压力 ； p 为低压蓄能器 的最高工作压 力 ；n按绝热处 理取 1 ． 4 。 选取 2个 6 3 L的蓄能器即可满足要求。 4 ． 2液压 源的设 计 1 液压泵工作 压力 的确定 根据设计要求，液压泵的工作压力为2 8 M P a 。 2 液压泵流量的确定 考虑 4个静压支撑液压缸和 4个伺服 阀的泄漏量 约为 8 0 L ／ m i n ，选择排量为 8 0 m L ／ r 的泵 ，输 出的额 定流量 为 1 2 0 L ／ m i n 。 3 电动机功率的确定 液压泵的 供油 压 力为 2 8 MP a ，最 大流 量 为 1 2 0 L ／ m i n ，取泵的总效率为 叼 0 ． 8 ，则泵的总驱动功率 为 P p Q Q 7 0 k W 竹0 ． 86 01 0 由于振动台的工作 时间不超 过 3 S ，而且 电动机 短 时间工作一般允许有 2 5 ％ 的超载 ，因此选用 7 5 k W 的电机 。 第 1 期 张连朋 等离心机电液振动台液压系统设计 8 5 4 油箱有效容积的确定 Va q 80 ．1 20． 9 6 L 取油箱 的有效容积为 1 L 。 5 设计方案的实验验证 由于振动台所模拟的地震波信号多是加速度信 号，因此进行振动实验时给定 的都是加速度信号。 设计的系统流量是确定不变的 ，在同样的幅值条件 下给定加速度信号 的频率越 小，所需要 的流量越 大 ，这就说 明 由于 系统 流量 的限制 ，在 低频 范 围 内 给定加速度信号幅值不能太小 ，需要满足一定的条 件。设给的加速度信号为 aA s i n 2 t 。给定 的 限制条件 为 1 最大加速度 a 3 0 g ； 2 最大速度 限制 ～ A ／ 2 ,r rf 1 m ／ s ； 3 最大位移限制 A A ／ 2 1 0 m m。 根 据 以 上 3个 限 0 制条件可以绘制出离 蓬 心 机 振 动 台加 速 度 幅 l 0 值 一频 率 曲 线 图 ，图 0 3所 示 曲线 即 为 所 对 应 频 率 系统 所 能 达 到 的最大加速度 幅值 。 图 3 加速度幅值 一 频率曲线图 在图3中选取 3 0 、5 0 、1 5 0 H z等几个频率点代 表的极限加速度幅值进行实验 ，所得结果 如图 4 _ _ 6 所示 。 一一 输入 输 出 墨 燃 时 间， s 图4 幅值 l 9 ． 2 g频率 3 0 图5 幅值 3 0 g频率 5 0 H z 的正弦信号 Hz 的正弦信号 霎 由上述 几 幅图可 以看 出 该振 动 台 系统 的加 速 度信号波形复现 曲线很平滑，并且复现精度很高。 这表 明该振 动 台液压 系 统能 够很 好地 复 现在 不 同频 率点处的最大加速度 幅值的加速度信号 ，从而验证 了设计 的振 动 台液 压 系统满 足 技术 指标 ，该 方案 具 有可 行性 。 6结论 设计 了离心机振 动 台液压控制 系统 的激 振系统 、 静力平衡系统 和液压 源系统 ，并且进行 了一系列最 大 加速度幅值的实验。该系统能够高精度且平稳地复现 给定加速度波形信号，表明该振动台液压系统达到了 设计的最大流量要求 ，有效地减小了干扰信号引起的 脉动 和冲击对 实验 的影响 ，以及 系统在离心力场中的 静不平衡力 对系统的影响 ，从 而改善了系统运行的平 稳性能 ，提高系统的波形复现精度 ，验证了该方案的 可行性 ，对下一步的振动控制系统的设计奠定了良好 的基础 。 参考文献 【 1 】 孙锐 ， 袁晓铭， 王永志 ， 等． N E E S系统中振动离心机最 新进展及国内振动离心机发展设想 [ J ] ． 世界地震工 程 ， 2 0 1 0， 2 6 1 3 1 3 9 ． 【 2 】于玉贞， 陈正发． 土工离心机振动台系统的发展研究 [ J ] ． 水利水电技术 ， 2 0 0 5 5 1 9 2 1 ． 【 3 】 冉光斌． 土工离心机及振动台发展综述[ J ] ． 环境技术， 2 0 0 7 3 2 5 2 9 ． 【 4 】 冉光斌 ， 洪建忠， 刘小刚． 巨型多功能土工离心机吊篮的 设计[ J ] ． 机械设计 ， 2 0 1 1 1 0 3 3 3 6 ． 【 5 】I L A N K A T H A R A N Ma h a d e v a n ， K U T r E R B r u c e ． N u me ri c a l S i mu l a t i o n o f a S o i l Mo d e l - mo d e l C o n t a i n e r -- c e n t ri f u g e S h a k e r i n g T a b l e S y s t e m[ C] ／ ／ G e o t e c h n i c a l E a r t h q u a k e a n d E n g i n e e r i n g a n d S o i l Dy n a mi c s I V C o n g r e s s ， 2 0 0 8 1 1 0． 【 6 】 章为民， 赖忠中， 徐光明． 电液式土工离心机振动台的研 制[ J ] ． 水利水运工程学报， 2 0 0 2 1 6 3 6 6 ． 【 7 】 韩宇航， 宁菲， 王宇飞． 振动离心设备 控制技 术研究 [ J ] ． 装备环境工程 ， 2 0 1 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