基于不同阀口形状的阀芯旋转式电液激振器振动波形研究.pdf

第 5 1 卷第 2 4期 2 O l 5 年 1 2 月 机械工程学报 J OURNAL 0F MECHANI C AL E NGI NE E RI NG V_0 1 ． 51 De c ． N0． 2 4 2 0 1 5 DoI l 0． 39 0 1 ／ J M E． 2 01 5 ． 24 ． 1 4 6 基于不同阀口形状的阀芯旋转式电液激振器 振动波形研究冰 王 鹤 龚国芳 周鸿彬 廖湘平 王 伟 浙江大学流体动力与机电系统 国家重点实验室杭州3 1 0 0 2 7 摘要为了给阀芯旋转式电液激振器的阀口形状设计提供依据，设计三角形阀口、半圆形阀口以及矩形阀口的阀芯旋转式四 通换向阀，分别对三种不同阀口建立对应的过流面积模型。在分析该电液激振器工作原理的基础之上，建立数学模型，对该 电液激振器在三种 不同阀口形状下 的振动波形进行理论数值仿真和试验验证研 究 。 研究结果表 明 矩 形阀 口的过流面 积呈线 性变化 ，三角形阀 口和 半圆形阀 口的过流面积呈非线性变化 ；在三种不 同阀口形状 中，矩 形阀口的过流面积 峰值最大 ，半圆 形阀口的过流面积峰值最小； 采用矩形阀口可以在供油压力一定的情况下获得振幅最大的振动波形， 但同时加速度波动最大； 采用半圆形阀口可以在振幅一定的情况下获得加速度波动最小的振动波形，但需要提供最大的供油压力。 关键词电液激振器；阀口形状；振动波形；振幅；加速度 ． 中图分类号T H1 3 7 Re s e a r c h o n Vi br a t i o n W a v e f o r m o f El e c t r 0 - h y dr a u l i c Ex c i t e r wi t h Ro t a r y Va l v e Ba s e d o n Di f f e r e n t Va l v e Po r t S ha p e s WANG He GONG Guo f a n g ZHOU Ho n g bi n LI AO Xi a n g pi n g WANG We i T h e S t a t e Ke y L a b o f F l u i d P o we r T r a n s mi s s i o n a n d C o n t r o l ， Z h e j i a n g Un i v e r s i t y , H a n g z h o u 3 1 0 0 2 7 Abs t r a c t I n o r d e r t o p r o v i d e t h e r e f e r e n c e f o r d e s i g n o f v a l v e p o r t s h a p e o f e l e c t r o - h y d r a u l i c e x c i t e r wi t h r o t a r y v a l v e ， r o t a r y v a l v e s wi th t r i a n g l e v a l v e p o r t ， h a l f r o u n d v a l v e p o r t a n d r e c t a n g u l a r v a l v e p o r t are d e s i gne d ， a n d f l o w a r e a mo d e l o f t h r e e d i ff e r e n t v a l v e p o rt s h a p e s i s e s t a b l i s h e d ． Ba s e d o n a n a l y s i s o f t h e wo r k p r i n c i r I l e o f t h e e l e c t r o h y d r a u l i c e x c i t e r , ma t h e ma t i c a l mo d e l o f t h e e x c i t e r i s e s t a b l i s h e d ， a n d v i b r a t i o n wa v e f o r ms o f t h e e l e c t r o h y dra u l i c e x c i t e r a r e n u me ric a l l y s i mu l a t e d a n d e x p e r i me n t a l l y v a l i d a t e d ． T h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e fl o w a r e a o f r e c t a n g u l a r v a l v e p o r t i s l i n e a r a n d t h e fl o w are a o f t r i a n g l e v a l v e p o rt a n d h a l f r o u n d v a l v e p o r t i s n o n l i n e ar． Amo n g t h e t hre e d i ffe r e n t v a l v e p o rt s h a p e s ， t h e fl o w are a p e a k o f r e c t a n gu l ar v a l v e p o rt i s h i g h e s t a n d t h e fl o w a r e a p e ak o f h a l f r o u n d v a l v e p o rt i s l o we s t ． T h e v i b r a t i o n wa v e f o r m wi t h h i g h e s t a mp l i t u d e c a n b e o b t a i n e d b y u s i n g r e c t a n gu l a r v a l v e p o rt u n d e r t h e c o n d i t i o n o f t h e s a me o i l p r e s s u r e ， b u t t h e a c c e l e r a t i o n fl u c tua t i o n i s l a r g e s t a t the s a me t i me ． Th e v i b r a t i o n wa v e f o r m wi t h s ma l l e s t a c c e l e r a t i o n flu c tu a t i o n C an b e o b t a i n e d b y u s i n g h a l f r o u n d v a l v e p o rt u n d e r t h e c o n d i t i o n o f the s a me a mp l i tud e ， b u t the h i g h e s t o i l p r e s s u r e mu s t b e s u p p l i e d ． Ke y wo r d s e l e c t r o - h y d r a u l i c e x c i t e r ； v a l v e p o rt s h a p e ； v i b r a t i o n wa v e for m a mp l i tu d e ； a c c e l e r a t i o n 0 前 言 阀芯旋转式电液激振器利用旋转阀芯匀速转 动改变阀口的过流面积，产生频率和幅值可 以调节 国家 自然科学基金 5 1 2 7 5 4 9 9 、 国家重点基础研究发展计 1J 9 7 3 计划， 2 0 1 3 C B 0 3 5 4 0 4 和国家 自然科学基金创新研究群体科学基金 5 1 2 2 1 0 0 4 资助项 目。2 0 1 4 1 2 2 6收到初稿，2 0 1 5 0 8 2 7收到修改稿 的振动波形，实现振动模拟或利用振动完成捣固、 破碎等任务【 J J 。 阀芯旋转式 电液激振器具有功率密 度高、推力大、负载 自适应和操作方便等优点，而 且与 目前常用的伺服阀控 电液激振器相 比，振动波 形失真度小 ，因此彰显出广阔的应用前景L 4 ． “ 。 在阀芯旋转式 电液激振器 振动波形研究领域 中， R UA N等 设计 了一种阀芯旋转式 电液激振器， 并研究了不同工作频率下振动波形；R E N等 研究 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年 1 2月． 王鹤等基于不同阀口形状的阀芯旋转式电液激振器振动波形研究 1 4 9 qLCd ps p | p 当 I、Ⅱ I 阀口开启， I I 、Ⅳ阀 口关闭时， 阀芯旋转式 电液激振器的工作原理，通过 I、 I I I 和Ⅳ阀口 的流量q i l ， 2 ， 3 ， 4 分别为 q 1 C d 4x [ 2 P 1 ／ P q 20 q ， C d A 3 4 2 p - P 2 ／ P q 40 由式 1 0 ～ 1 2 和式 1 4 ～ 1 7 可得 I、 开启，I I 、Ⅳ阀 口关闭时负载流量 1 3 根据 I I、 1 4 1 5 1 6 1 7 Ⅱ I 阀 口 q ￡ 一 c 4 √ P ￡ ／ p 1 8 由于阀 口匹配对称 ，I、 I Ⅱ阀口过流面积和 I I 、 Ⅳ阀 口过流面积 的变化规律完全相同， 由式 1 3 、 1 8 可得负载流量方程为 吼 J c √ ∈ [o ，2 ]1 9 吼 1 一c √ 耐∈ 【 2 ， 4 】 9 ’ 式中， 为各 阀口的过流面积，I I l 2 。 3 ． 2 微型程双作用液压缸流量连续性方程 不考虑泄漏，则微型程双作用液压缸流量连续 性方程为 誓 老 2 。 式中， 为液压缸活塞有效面积，I T I ；Y p 为液压缸 活塞位移，m； 为液压油有效体积模量 ，P a ； 为液压缸两腔总容积，m 。 3 ． 3 力平衡方程 由于液压缸缸体和负载质量块均为刚体 ，同时 负载质量块在滚珠线性滑轨上往复运动 ，因此弹性 力和黏性阻尼力很小，可以忽略不计，液压缸的输 出力与负载力平衡方程为 一 2 1 式中， 为液压缸缸体与负载质量块折算后的总质 量 ， 。 4 数值仿真结果及分析 阀芯旋转式 电液激振器的主要参数如表 l 所示。 仿真得到三角形阀 口、半 圆形 阀口和矩形 阀口 的过流面积如图 5所示 。由图 5可知 ，矩形阀口的 过流面积呈线性变化，三角形阀 口和半圆形阀 口的 过流面积呈非线性变化 ；在三种 阀口形状中，矩形 阀 口的过流面积峰值最大，约为 1 4 6 mm ；三角形 阀口的过流面积峰值约为 7 2I r l l r i 2 ； 半圆形阀口的过 流面积峰值最小，约为 5 7 mm 。 表 1 阀芯旋转式电液激振器主要参数 参数 数值 工作频率P r l z 阀芯直径／ m 阀口轴向长度／ m 流量系数 液压油密度／ k g ／ m3 液压油有效体积模量／ P a 液压缸活塞面积／ m2 液压缸两腔总容积／ m 负载折算总质量／ k g 4 0 ． 0 1 ． 5 5x l O 6 ． O Ox 1 0 0 ．6 2 0 8 7 0 8 ． O O x 1 0 0 4 ． 0 6x l O 1 ． 9 2x 1 0 I j 6 4 ． 0 g { 恒 塘 翅 时间 t ／ ms 图 5 不 同阀口形状过流面积 设定液压系统 的供油压力为 5 MP a ，仿真得到 阀芯旋转式电液激振器在三种不同阀口形状下的振 动波形如 图 6所示 ，加速度如图 7 所示。由图 6和 图 7可知 在液压系统供油压力一定的情况下 ，矩 形阀口的振幅最大 ，其次为三角形阀口，半圆形阀 口的振幅最小；矩形阀口的加速度波动最大，其次 为三角形阀 口；半圆形阀口的加速度波动最小。 g 需 蜷 0 5 l O 1 5 2 0 2 5 时间 t ／ ms 图6 相同压力下的振动波形仿真曲线 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年 1 2月 王鹤 等基于不同阀 口形状的 阀芯旋转式 电液激振器振动波形研究 1 5 1 时间 t ／ ms 图 1 2 相同压力下 的加速度试验 曲线 调整液压系统供油压力 ，使得阀芯旋转式电液 激振器在三种不 同阀口形状下的振幅均为 1 mi Y l ， 试验得到加速度如图 1 3所示 。 1 0 0 g 趟 量 一 0 一 l 0 O 0 5 1 0 l 5 2 O 2 5 时间 t／ ms 图 1 3 相 同振幅下的加速度试验 曲线 对 比图 6和图 1 1 可知，在相 同条件下， 仿真和 试验得到的振动波形形状基本一致 ， 振幅误差在 6 ％ 以内，误差主要来 自传感器 的测量精度 、零件的加 工精度、装配精度、 内外泄漏及油液黏性摩擦力等 综合因素的影响。对 比图 7和图 1 2以及 图 8和图 1 3可知仿真和试验得到的加速度变化规律基本一 致 ，但与仿真结果相 比，试验得到的加速度波动较 大 ，这主要是 由于高速换 向时压力波动造成的。 6 结论 1 设计 了三角形 阀口、半圆形阀 口以及矩形 阀口的阀芯旋转式四通换向阀，矩形阀口的过流面 积呈线性变化，三角形阀口和半圆形阀口的过流面 积呈非线性变化 ；在三种不 同阀 口形状 中，矩形 阀 口的过流面积峰值最大 ，半圆形阀口的过流面积 峰 值最小 。 2 采用矩形阀 口可 以在液压系统供油压力一 定的情况下获得振幅最大的振动波形，但同时加速 度波动最大；采用半圆形阀 口可以在振幅一定的情 况下获得加速度波动最小的振动波形，但需要提供 最大的供油压力 。 3 阀芯旋转式 电液激振器在不同阀口形状下 的振动波形和加速 度试验 曲线与仿真 曲线基本一 致，验证 了理论研究 的正确性 ，为阀口形状设计提 供 了理论指导和试验依据。 参考文献 [ 1 ]阮健，李胜 ， 裴翔，等。 2 D阀控电液激振器[ J ] ．机械工 程学报 ，2 0 0 9 ，4 5 1 1 1 2 5 - 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8 9 ． [ 5 】L I U Y，GO NG G F，Y AN G H Y，e t a 1 ． Me c h ani s m o f e l e c t r o - h y d r a u l i c e x c i t e r f o r n e w t a mp i n g d e v i c e [ J ] ． J o u r n a l o f C e n tr a l S o u t h U n i v e r s i ty，2 0 1 4，2 1 2 5l 1 ． 52 0． [ 6 】贾文昂，阮健，李胜，等．电液四轴高频疲劳强度试验 系统研究[ J 】 ．兵工学报，2 0 1 0 ，3 1 6 7 7 0 7 7 5 ． J I A W e n a n g ，RUAN J i a n ，L I S h e n g ，e t a 1 ． E l e c t r o - h y dra u l i c h i g h f r e q u e n c y f a t i g u e t e s t s y s t e m[ J ] ， Ac t a A r ma me n t a r i i ，2 0 1 0 ，3 1 6 7 7 0 7 7 5 ． [ 7 】刘毅，龚国芳，闵超庆． 捣固机械激振技术现状与展望 [ J ] ． 机 械工程学报，2 0 1 3 ，4 9 1 6 1 3 8 - 1 4 5 ． LI U Yi ，GONG Gu o f a n g ，M I N Ch a o q i n g ． P r e s e n t s t a t u s a n d p r o s p e c t o f t a mp i n g d e v i c e e x c i t i n g t e c h n o l o g y [ J ] ． J o u r n a l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ，2 0 1 3 ，4 9 1 6 1 3 8 ． 1 4 5 ． [ 8 】R U AN J ，B UR T O N R A n e l e c tr o h y dra 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 wo d i me n s i o n a l v a l v e [ J ] ．J o u r n a l o f S y s t e ms a n d C o n t r o l E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 9 ， 2 2 3 2 1 3 5 1 4 7 ． 一 N ∞ ， Ⅲg ／ 器 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 5 2 机械工程学报 第 5 1 卷第 2 4期 [ 9 】R E N Y，R UA N J ，Y I J Y A n a l y s i s o n t h e e x c i t e d wa v e for ms o f a l l 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 wo d i me n s i o n a l v a l v e [ J ] ． No i s e a n d V i b r a t i o n Wo r l d wi d e ，2 0 1 0 ，4 1 1 0 5 9 6 4 ． 【 1 0 ]李伟荣，阮健，任燕． 2 D 阀控差动缸式电液激振器振 动波形研究[ J ] ．农业机械学报， 2 0 1 3 ， 4 4 I o 2 6 6 ． 2 7 1 ． LI W e i r o n g，RUAN J i a n，RE N Y a n ． Vi b r a t i o nwa v e f o r m r e s e a r c h o n e l e c tro - h y dr a u l i c e x c i t e r o f d i ffe r e n t i a l c y l i n d e r c o n tr o l l e d b y 2 D v a l v e [ J ] ． T r a n s a c t i o n s o f the C h i n e s e S o c i e t y f o r Ag ric u l t u r a l Ma c h i n e r y， 2 0 1 3， 4 4 1 0 2 6 6 2 7 1 ． 【 1 1 】韩冬，龚国芳，刘毅，等． 基于不同阀芯结构的新型电 液激振器[ J ] ．浙江大学学报，2 0 1 4 ，4 8 5 7 5 7 7 6 3 ． HAN Do n g， GO NG Gu o f a n g， L I U Yi ，e t a 1 ．Ne w e l e c tr o - h y d r a u l i c e x c i t e r b a s e d o n d i ff e r e n t s p o o l s [ J ] ． J o u r n a l o f Z h e j i a n g Un i v e r s i t y ，2 0 1 4 ，4 8 5 7 5 7 7 6 3 ． [ 1 2 】韩冬， 龚国芳， 刘毅， 等． 激振技术波形饱和度研究[ J ] ． 农业机械学报，2 0 1 4 ，4 5 2 3 3 4 - 3 3 9 ． HAN Do n g ， GONG Gu o f an g， L I U Yi ， e t a 1 ． Wa v e for r n s a t u r a t i o n o f e l e c t r o - h y dra u l i c e x c i t a t i o n t e c h n o l o g y [ J ] ． T r a n s a c t i o n s o f the Ch i n e s e S o c i e ty for Ag r i c u l t u r a l Ma c h i n e ry，2 0 1 4 ，4 5 2 3 3 4 - 3 3 9 ． 【 1 3 ]HA N D，G O NG G F ，Y A NG H Y，e t a 1 ． Wa v e f o r ms a n a l y s i s a n d o p t i mi z a t i o n o f n e w e l e c tr o h y d r a u l i c e x c i t a t i o n t e c h n o l o g y [ J ] ． J o u r n a l o f C e n tr a l S o u t h U n i v e r s i t y ，2 0 1 4 ，2 1 8 3 0 9 8 - 3 1 0 6 ． [ 1 4 ]龚国芳，刘毅，闵超庆，等．用于液压激振器的阀芯旋 转式四通换向阀 中国， 2 0 1 0 1 0 1 0 0 3 0 5 ． 1 [ P ] ． 2 0 1 0 0 1 ． 0 9 ． GONG Gu o f an g， L I U Yi ， M I N C h a o q i n g ， e t a 1 ． A n e w s p i n v a l v e for e l e c tr o h y dra u l i c e x c i t e r Ch i n a， 2 0 1 0 1 0 1 0 0 3 0 5 ． 1 [ P ] ． 2 0 1 0 0 1 0 9 ． 【 1 5 ]龚国芳，闵超庆，刘毅，等．微行程双作用液压缸中 国，2 0 1 1 1 0 2 2 9 8 5 5 ． 8[ P ] ． 2 0 1 1 - 0 8 ． 1 1 ． GONG Gu o f a n g， MI N Ch a o q i n g， LI U Yi， e t a 1 ． M i c r o d i s p l a c e me n t d o u b l e f u nc ti o n e d o s c i l l a t i o n c y l i n d e r C h i n a ，2 0 1 1 1 0 2 2 9 8 5 5 ． 8[ P ] ． 2 0 1 1 - 0 8 一 l 1 ． [ 1 6 】龚国芳，刘毅，闵超庆，等． 一种捣固装置的液压激振 系统中国，2 0 1 0 1 0 5 2 0 1 4 7 ． 5[ P ] ． 2 0 1 0 1 0 2 6 ． GONG Gu o f a n g ， LI U Yi ， M I N Ch a o q i n g， e t a 1 ． A n e w e l e c tr o - h y dra u l i c e x c i t e r C h i n a ，2 0 1 0 1 0 5 2 0 1 4 7 ． 5 [ P ] ． 2 0】 0． 】 O． 2 6． 作者简介王鹤，男，1 9 8 6 年 出生，博 激振技术与新型液压元件。 E - ma i l ．-8 9 1 7 2 1 6 3 q q ．c o rn 龚国芳 通信作者 ，男，1 9 6 3年出生， 主要研究方 向为电液控制技术。 E - ma i h g f g o n g z j u ．e d u ．c n 士研究生。主要研究方向为电液 博士，教授，博士研究生导师。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m