激波器-管道液压激振系统及控制规律研究.pdf

2 0 1 2年 9月 第 4 0卷 第 l 7期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAULI CS S e p ． 2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ．1 7 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 1 7 ． 0 0 3 激波器 一管道液压激振系统及控制规律研究 魏秀业 ，寇子明 ，张惠贤 ，陆春月 ，逯子荣 1 ．中北大学机械工程与 自动化学院，山西太原 0 3 0 0 5 1 ； 2 ．太原理工大学机械 工程与 自动化学院， 山西太原 0 3 0 0 2 4；3 ．山西省矿 山流体控制工程技术 中心 ，山西太原 0 3 0 0 2 4 摘要研究了液压波动的机制，构建了激波器 一液压管激振系统，研究液压管道振动的控制规律。通过变频器变频控 制激波器的启闭，使液压管产生周期性的振动。建立由液压泵站、激振液压缸、连接管路 、 激波器驱动电机、激波器组成 激振试验系统，采集管道不同测点处的振动信号进行分析，得出管道振动的规律。实验结果表明在相同的激振频率条件 下，管路的激振频率随系统压力的增大而减小；在频率和压力一定时，管路上不同点处其振动的波形相同，几乎不存在相 位差，但不同点处振幅大小不一致 ，靠近液压缸的管道振动比靠近激波器的管道振动剧烈一些。 关键词 液压激振系统；管道；液压波动；激波器；控制规律 中图分类号T P 2 7 1 ． 3 1 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 l 7 0 0 7 5 St ud y o n Hy d r a ul i c Ex c i t i n g Sy s t e m Co n s i s t e d o f Pi p e l i ne a nd W a v e - e xc i t e r a nd Co nt r o l l i ng Ru l e W EI Xi u y e ，KOU Zi mi ng 。 ZHANG Hu i x i a n ， LU Ch u n y u e 。 ， LU Zi r o n g 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g a n d Au t o ma t i o n，N o r t h Un i v e r s i t y o f C h i n a ，T a i y u an S h a n x i 0 3 0 0 5 1 ，C h i n a ； 2 ． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g，T a i y u a n Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y，T a i y u a n S h a n x i 0 3 0 0 2 4，C h i n a； 3 ． S h a n x i P r o v i n c e Mi n e F l u i d C o n t r o l E n g i n e e r i n g R e s e a r c h C e n t e r ，T a i y u a n S h a n x i 0 3 0 0 2 4 ，C h i n a Ab s t r a c t Hy d r a u l i c fl u c t u a t i o n me c h a n i s m wa s s t u d i e d ， t h e h y d r a u l i c e x c i t i n g s y s t e m c o n s i s t e d o f w a v e e x c i t e r a n d p i p e l i n e w a s c o n s t r u c t e d ， a n d t h e c o n t r o l l i n g r u l e f o r v i b r a t i o n o f h y d r a u l i c p i p e l i n e wa s s t u d i e d ． P i p e p e rio d i c a l v i b r a t i o n w a s p r o d u c e d b y f r e q u e n c y c h a n g e r c o n t r o l l i n g o p e n i n g an d c l o s i n g o f wa v e e x c i t e r ． Hy d r a u l i c e x c i t i n g t e s t s y s t e m c o n s i s t e d o f h y d r a u l i c p o w e r s o u r c e ， e x c i t i n g v i b r a t i o n h y d r a u l i c c y l i n d e r ， c o n n e c t e d p i p e l i n e ， mo t o r f o r d ri v i n g w a v e e x c i t e r a n d w a v e e x c i t e r w e r e s e t u p ． By c o l l e c t i n g a n d an a l y z i n g t h e v i b r a t i o n s i g n a l s o f p i p e l i n e o n d i f f e r e n t me a s u r e me n t p o i n t s ， t h e p i p e l i n e v i b r a t i o n l a w wa s o b t a i n e d ． T h e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e p i p e e x c i t i n g fre q u e n c y i s r e d u c e d alo n g w i t h s y s t e m p r e s s u r e i n c r e a s i n g o n t h e s a me c o n d i t i o n o f e x c i t i n g f r e q u e n - c y ． T h e v i b r a t i o n wa v e s h a p e s o n p i p e d i f f e r e n t p o i n t s a r e t h e s a l n e a n d a l mo s t h a v e n o p h a s e d i f f e r e n c e，b u t the v i b r a t i o n a mp l i t u d e s o f d i f f e r e n t me a s u r e me n t p o i n t s a r e n o t t h e s a me ， w h i c h n e a r t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r a r e mo r e s t r e n u o u s t h a n t h a t n e ar t h e wa v e - e x c i t e r ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c e x c i t i n g s y s t e m； P i p e l i n e ； Hy dra u l i c fl u c t u a t i o n； W a v e - e x c i t e r ； C o n t r o l l i n g rol e 经过几十年的发展 ，液压振动技术取得 了长 足的 发展 ，并 在 生产 实践 中得 到 了广 泛 应用 ，涉 及到 工 业 、农业 、医疗 、环境 、化工 等多行 业领域。丁凡⋯ 介 绍 了电液控制强制配流式液压振动冲击 系统 ，该系 统充分利用 电信号频率准确 、稳定 、调整方便和液压 振动冲击装置输 出功率体积 比大 、效率高 的特点 ，在 液压剁锉机上获得 了成功应用 ，并取得 了良好 的经济 效益。太原理工大学许步勤教授，设计了一种激波式 液压激振器，并将其成功应用在振动砌块成形机上； 该激波器具有结构简单、效率高等优点，与液压缸组 成一种新型的液压激振器 。但对系统管路中的压 力变化 、振幅 、速度 、加速度的变化并 未取得 有用 的 实际测试数据。在液压振动机构的结构研究方面，我 国已自行设计制作 了 自控式 阀控活塞随动系统 的各类 结构，其中包括外阀式各种类型的液压振动器，内阀 式的 阀芯结构和 阀套结构液压振 动器 ，还有按液体弹 簧原理制作的无阀式结构液压振动器。 目前比较成熟的有液压伺服振动系统的理论研 究 ，应用方面有液 压锤 、凿 岩机 的理论研究 比较 多。 但是液压振动理论 还没有像机械振动理论那样成 熟 。为促进液压振动技术的发展，寻求新的激振 理论 和方法 ，运用计算机仿真技术及现代实验测试手 收稿 日期 2 0 1 1 0 9 0 9 基金项目国家 自然科学基金资助项目 5 0 7 7 5 1 5 4 ；山西省自然科学基金资助项 目 2 0 1 1 0 1 1 0 2 6 - 2 作者简介魏秀业 1 9 6 5 一 ，女，l g ，副教授 ，主要从事机械故障诊断、液压传动与控制等方面的研究工作。Em i l we i x i u y e 1 63 ．c o m。 8 机床与液压 第 4 0卷 段进行液压激振系统的设计和实验研究，为振动机械 提供新型的激振源，仍然是 2 1世纪振动机械发展的 关键问题。以下介绍以激波器为激振元件的液压管的 激振机制 ，通过管道激振实验系统研究激振系统振 动的可控的规律 ，为拓展脱介、筛分等工业应用奠定 理论基础 。 1 液压波动激振产生的机制 液体具有流动性 ，能充满整个容积空间，只有当 液体充满其容积空间时才能产生压力。液压管路中周 期性压力波的产生是由于管路中流量发生波动而引起 的 ，即流量波动 的相位要超 前压力 波的相位 9 O 。 。对 于一般液压 系统而言 ，流量波动主要是 由于系统的突 然变换 如换向阀的突然换 向或关闭等而产生的 按液压管路系统固有频率震荡的阻尼 自由波动，也就 是液压系统的冲击波，即有压瞬变流。液压冲击波的 最大值约为稳定压力值的 1 ． 5～ 5倍。冲击波在管路 中的传播速度极快 8 0 01 2 0 0 m ／ s ，液压冲击波 具有很高的能量，这种流量波动引起的压力冲击波动 一 般是有害的，在实际中应设法消除或减小。但若能 主动 控制这 种压力波 的产生 ，也能化害为益 。如合理 地设计液压系统可把这种液压冲击波的高能量用于冲 击和破碎机械振动输出。还有一种液压波动就是通过 强制或自动配流在油液管路 中形成周期性流量脉动， 通过液压执行元件输出规则的激振力，作为机械振动 系统的激振力。 2 激振 系统的组成及工作原理 2 ． 1 激振 系统 的组 成 激波器 一管道 一液压缸激振系统采用液压缸反接 方式。其由液压泵站、激振液压缸、连接管路、 激波 器驱动电机 、激波器组成 ，如图 1 所示 。 图 1 管道激振系统 液压管道在一种转速可控的旋转激波器产生周期 性交变 液压 激振 波 的作 用 下 ，管 道 振动 的振 幅 、频 率、速度 、加速度与液压系统设定压力、激波器旋转 频率、管道流量之间存在耦合关系。 2 ． 2激振 系统 的 工作 原理 这种激振系统属于交流液压系统，液体可以在管 道中往复流动，或者液压管道中的液体根本不流动， 只是其压力作正弦波交变，利用液压管道中的流体波 动流量或波动压力传递功率或传递信号。该波动流量 或波动压力可以是正弦波、矩形波或是以 为周期的 其他波形。其 目标则是实现振动。液压系统原则上不 需要 过滤装置 ，其 中液压缸起 到补液装置或蓄能器储 能装置的作用。 3 液压缸管道激振试验 管道激振试验系统如图1 所示 ，系统的组成及主 要参数如下 1 液 压 泵站 泵 的 型号 6 3 S C Y l 1 ． 2 1 B ，额 定 转速 1 4 7 0 r ／ ra i n ，额定压力 3 1 ． 5 MP a 。 2 激振系统① 激振液压缸 8 0 ／ 5 5 缸径／ 活 塞杆径 ；② 连接管路。试验采用的管道为高压橡胶 软管，壁厚 5 I I l m。各管路接 口均选用快速接头。进 油主管路与 回油管 路均采用外径为 4 0 m m，内径为 3 O 11 1 1 ／ 1 的高压胶管；③ 激波器驱动电机型号 9 0 L - 6 ， 功率 i ． 1 k W，额定转速 9 1 0 r ／ ra i n ；④ 激波器。采用 大流量低频激波器，阀口 通液口宽度 b 1 0 l ／ l n l ， 长度 L 4 0 ra i n ，阀芯外径 r 2 5 m m。 3 信号 采样频 率为 2 0 0 0 H z ；数据用低通滤波 器进行 了数字滤波处理 ，截止频率 4 0 0 H z 。 4 变频 器频率 范 围3 2 H z一5 0 H z ，低 于 3 2 H z ，在振动过程中电机 出现停转 。 激波器 一管道激振实验中，通过激波器的调控控 制管道液体的流动，激波器起到换向、扰动液体产生 有压瞬变流的作用，该系统中管道成为激振器 ，即振 动的执行元件 ，液压缸起到蓄能 器的作 用。 4 试验结果分析 4 ． 1 管道 中点横 向 、轴向Y及垂直方向 的频率 比较 1 系统压力 6 M P a ，频率为 3 2 H z ① 向比较 图 2 a 所示为设定变频器的频率为 3 2 H z ，系统 的压力为 6 MP a 时，充液管道 方向的时域振动波形 图，图 2 b 为一个周期的波形 图。从 图中可 以看 出 振动有一定的规律，按 为周期计算，频率f_- 7 ． 2 4 H z ；若按 为周期计算 ，频率厂1 3 ． 7 9 H z 。 ② Y向比较 图 3 a 所示 为设定 变频器 的频率为 3 2 H z ，系统 的压力为 6 M P a时 ，充液管道 Y方向的时域振动波形 第 1 7期 魏秀业 等激波器 一 管道液压激振系统及控制规律研究 l 1 图 1 0所示是变频器频率为3 2 H z 、4 0 H z 、 5 0 H z 时的 压力 与管路振 动频率的关 系曲线 。 从 表 1 和 图 7 1 0总结出管道激振系统具有如下 规律 1 在相 同的激振 频率 条 件下 ，管 路 的振 动频 率随系统压力的增大而减小 ； 2 在变频器频率较低时，管路的振动频率与 激 波器激振频 率相差 较大 ；在变频器频率较 高时 ，管 路的振动频率与激波器激振频率相差减小； 3 当变频器频率为 5 0 H z 时，激波器激振频率 为3 0 ． 3 H z ，管路的主振动频率在 3 1 H z 左右，这也 正好印证 了前面系统 的固有频率为 3 1 ． 2 H z 时 ，系统 在共振点上运行 。 4 在频率压力一定时，管路上不同点处其振动 的波形相同，几乎不存在相位差，但不同点处振幅大 小不一致，靠近液压缸的管道振动比靠近激波器的管 道振动剧烈一些。因为激波器起到换向作用，液体振 动总是从油缸开始 。 5 在进油 管上 加节 流 阀，随 流量 的减 小管 路 振动的强度减小 ，说 明激振 系统 中 ，必须有足够 的流 量 ，系统才能产生振动。 表 1 管路的振动频率与变频器频率、激波器激振频率之间的关系 图8 变频器频率 3 2 H z 图9 变频器频率4 O H z 时的压力与管路 时的压力与管路 振动频率的关系 振动频率的关系 图 1 0 变频器频率 5 0 H z时的压力与管路振动频率的关系 5结论 研究 了液压波 动的机 制 ，构建 了激波器 一液压管 激振系统 ，研究液压管道振动 的控制规律 。通过变频 器变频控制激波器的启闭，使液压管产生周期性的振 动。建立 由液压泵站 、激振液压缸 、连接 管路 、 激波 器驱动 电机 、激波器组成激振试验系统 ，采集管道不 同测点处的振动信号进行分析，得出管道振动的规 律。实验结果表明在相同的激振频率条件下，管路 的激振频率随 系统压力 的增大而减小 ；在频率 和压力 一 定时，管路上不同点处其振动的波形相同，几乎不 存在相位差，但不同点处振幅大小不一致，靠近液压 缸的管道振动比靠近激波器的管道振动剧烈一些。 参考文献 【 1 】丁凡． 电液振动冲击系统在剁锉机上的应用[ J ] ． 中国 机械工程 ， 1 9 9 9 8 8 6 68 6 8 ． 【 2 】许步勤． 液压激振器 中国， Z L O 0 1 0 2 0 0 9 ． 9 『 P ] ． 2 0 0 3 081 3． 【 3 】于宝成 ， 许步勤， 冯海星， 等． 激波式液压激振器的设计 与应用[ J ] ． 液压与气动 ， 2 0 0 1 6 1 0 1 1 ． 【 4 】闻邦椿． 振动利用工程 [ M] ． 北京 机械工业 出版社， 2 0 0 4． 【 5 】 赵野平． 试述矿山振动机械的发展和技术进步[ J ] ． 甘 肃科技 ， 2 0 0 5 5 8 ． 1 9 ． 【 6 】寇子明． 变频液压激振装置 中国， Z L 2 0 0 4 1 0 0 1 2 3 5 2 ． 5 f P] ． 2 0 0 61 21 3 ．