基于双位移阀控激振器的高频疲劳试验系统设计.pdf

2 0 1 3年 1 1月 第4 1 卷 第 2 1 期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS NO V ． 2 01 3 Vo 1 ． 41 No ． 21 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 2 1 ． 0 2 8 基于双位移阀控激振器的高频疲劳试验系统设计 曲今晋 ，王兴举，王景 河南工业职业技术 学院，河南南阳4 7 3 0 0 0 摘要以双位移滑阀作为激振器核心，设计一套两轴高频疲劳试验系统。控制滑阀阀芯的转速可以控制激振器的输出 频率 ，进而实现疲劳试验系统的高频振动。分析了激振器工作的原理 ，建立了其数学模型，提出了相位控制方法。试验结 果表明该系统工作相位同步，频率和振幅均可控 ，达到了预期要求。 关键词 双位移滑阀；高频 ；疲劳试验系统 中图分类号T H1 3 7 文献标识码 B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 2 11 0 1 3 De s i g n o f Hi g h- f r e q ue nc y Fa t i g ue Te s t i ng S y s t e m Ba s e d o n Do u bl e Di s p l a c e me nt Va l v e Vi b r a t i o n Ex c i t e r Q U L i n g j i n ，WA N G X i n g j u ，WA N G J i n g H e n a n P o l y t e c h n i c I n s t i t u t e ，N a n y a n g H e n a n 4 7 3 0 0 0，C h i n a Ab s t r a c t T a k i n g t h e d o u b l e d i s p l a c e me n t v a l v e a s t h e c o n t r o l c e n t e r o f e x c i t e r ，a s e t o f t wo a x i s 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 w a s d e s i g n e d ．T h r o u g h c o n t r o l l i n g s p e e d o f s p o o l v a l v e c o r e，t h e o u t p u t f r e q u e n c y o f t h e e x c i t e r wa s c o n t r o l l e d，t h e n a h i g h f r e q u e n c y v i b r a t i o n o f t h e f a t i gu e t e s t s y s t e m wa s r e a l i z e d ．T h e p r i n c i p l e o f t h e v i b r a t i o n e x c i t e r w a s a n aly z e d，i t s ma t h e ma t i c s mo d e l wa s e s t a b l i s h e d， a n d t h e n t h e p h a s e c o n t r o l me t h o d wa s p u t f o r w a r d ．T h e t e s t r e s u l t s s h o w p h a s e s o f t h e s y s t e m a r e s y n e h mn i z e d ，f r e q u e n c y a nd a mpl i t u de a r e c o n t r o l l e d．I t me e t s t he e xp e c t e d r e q u i r e me n t ． Ke y wo r d s D o u b l e d i s p l a c e me n t s p o o l v a l v e ； Hi 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 金属 的疲 劳破 坏是 机 械失 效 的常 见表 现形 式 之 一 。机械零件在低于屈服强度的循环载荷作用下 ，金 属组织会 出现细微的裂纹 ，随着载荷 的不 断循环 ，这 些裂纹会逐步演变最终造成疲劳破坏 。上述过程决 定了疲劳破坏具有不易察觉、突发性强、破坏性大等 特点 。目前 ，人们对疲劳寿命的估计存在理论上不 足 ，为充分掌握材料在不同工况下的寿命 ，实验验证 成 为一种重要 的手段 ，得到 了人们 的充分重视 。 近年来 ，工业产 品的技术要求 日趋严格 。航 空器 材、高速铁路等产品为提升其整体可靠性 ，部分零件 疲劳寿命甚至达到了1 0 ～1 0 周期。如此长周期的 疲劳试验，通过传统的中低频测试手段无法掌握其生 命周期的所有特性 。 。因此，研发并设计出可靠的 高频率疲劳试验系统对减少试验成本、缩短试验周 期、准确掌握材料寿命预期均有极重要的意义。以某 机构 疲劳试 验系统的改造为契机 ，采用 以双位移 阀控 液压系统为核心的激振器激振频率提升方案 ，突破了 以往伺服 阀频 响特性 的限制 ，达到 了提升试 验系统激 振频率 的 目的 ，满足 了对载荷要求 较高的零件测试需 要 。 1 双轴两自由度试验系统介绍 机构在实际工作时 ，零件的载荷谱是多 自由度 的。该试验机主要用来测试零件承受单 一方向平动及 扭转两 自由度载荷作用下的疲劳破坏情况。图 1 所示 为双轴两 自由度试验 系统的结构图 。 上 基础 座 加 载 对象 接杆 激 振 器 Ⅱ 图 1 双轴两自由度疲劳试验系统结构图 由图 1 可 以看出 ，该 试验系统由基 础座 、电液激 振器、载荷位移传感器和被测对象四大部分组成。基 础座分上、下两部分，分别连接被测对象和液压缸。 在基础座的上方并列 安置两个具有 相同配置的电液激 振器，每个激振器均由双作用液压缸、双位移激振阀 收稿 日期 2 0 1 21 1 2 4 作者简介曲令晋 1 9 8 1 一 ，男 ，讲师，主要从事机电一体化、数控技术应用等方面的研究。Em a i l q u j i n d e 1 6 3 ． c o m。 1 0 2 机床 与液压 第 4 1 卷 和偏置阀组成 。电液激振器 的液压缸输出杆通过连接 杆 和被测对象 以刚性形式连接 。在连接杆上安装有载 荷位移传感器 ，用来测量活塞杆输出的位移及输出力 的大小。作用在被测对象上的载荷由双位移激振阀和 偏置 阀联合控制。其 中，双位移激振 阀控制输 出载荷 的激振频率、相位和振幅，偏置阀则控制输出力的大 小 。 该试验系统具有单 、双两种 自由度选择模式。当 两个电液激振器工作的频率、相位和振幅一致时，被 测对 象仅能沿着垂直方 向进行单 自由度测试 ；当两激 振器工作的相位和振 幅不一致时 ，被测对象增加 了一 个在垂直方 向上的扭转 自由度 。这种 自由度可调 的工 作方式较单 自由度系统更能接近零件工作的实际情 况 ，因此 ，测试的结果更全面 、有效 。 2激振器的工作原理 图 2 所示为双位移 阀控激振器的剖切结构 图。该 阀的双位移结构主要体 现在 阀芯不仅可 以沿 阀体有轴 向位移，同时阀芯自身具有旋转位移。阀芯上依次按 顺序布置4个轴肩，每个轴肩的圆周上均匀分布有 4 个等口径的矩形油口，定义每两个相邻的油口的圆心 角为 ，每个油口占用的圆心角为 0 ／ 4 。每两个相 邻的轴肩的4个油口均有 0 ／ 2的相位差。阀芯和阀体 的这种布局使得阀芯高速旋转时，轴肩油口与阀套上 出油 口重叠形成的节流 口面积周期性地变化 ，在液压 缸进 、回油腔 中形成相 位差 为 1 8 0 。 的周 期性 的压力 变化 ，进 而驱动活 塞杆 周期 性地 轴 向往复 移动 ，实 现对被 测材料施加 循环 载荷 。液缸 活塞 的振 幅 由 阀 芯水平位移 决定，通过控制 进而控制轴肩油 口与轴 套 出油 口的 面积 ，可 实 现 对 振 幅 的 连 续 控 制。偏置阀则用来控制活塞输 出的平 均推力大小。 当偏置 阀 中位机 制 时 ，液缸 双腔 压力 均 等 ，活塞 输 出压力 为零 。 阀 芯 图2 激振器剖切结构视图 由上述可知，活塞杆移动的频率与阀芯旋转速度 r ／ m i n 、阀芯轴肩油口与轴套出油口配合的次数 n有关。则激振频率 厂 可表达为 fw n ／ 6 0 1 由公式 1 可知 对 于轴肩油 口数 目一定 的伺 服阀 ，提升阀芯旋转 的速度就能提升激振频率 ，激振 幅值则通过偏置 阀心水平位移量 给予控制 。 3 双位移阀控激振器的数学模型 图3 所示为阀芯轴肩油口和轴套出油口形成的节 流 口示意 图。该节 流 口面积 是矩 形 的两个 边 长 的乘 积。式 2 所示为节流口面积公式 A Z x Y 2 其 中 是轴 肩油 口和轴套 出油 口重叠 面积 的径 向 边长 ； 是 出油 口重 叠 面积 的轴 向边 长 ，随 阀芯 旋 转出油口重叠面积呈周期性动态变化 ；Z为某时刻， 阀芯上 4个轴肩形成 的节流 口个数 。 图 3 阀芯轴套油口配合示意图 由以上可知，每个节流口上的面积为 A l Av 2 U 0 2 n 詈 一 2 n 2 一 号 2 X vl n 导 n 一 号 0 0≤ ≤ O t O t ≤ ≤2 a 2 o r ≤ ≤ 3 3 3 a≤ ≤ 4 o r 0≤ ≤ O ／ O t ≤ y≤ 2 o r 4 2 ≤ ≤3 a 3 a≤ ≤4 』 A v A vs 5 ‘ ⋯ 【 4v 2A 为便于分析计算 ，假设出油 口处的紊流、整个压 力 系统 的流量损失和液体的可压缩性对液压系统的影 响均忽 略不计 ，同时 ，假设供油压力恒定 、回油压 力 为 0 ，则 阀芯处 4个轴肩的流量 方式依 次为 第 2 1期 曲令晋 等基于双位移阀控激振器的高频疲劳试验系统设计 1 0 3 Q 1再 ㈩ 浮 该系统采用双作用液压缸，左侧和右侧液缸等效 面积A 相同。由于进入单侧液压缸的液体总流量为 油液被压缩的量和活塞运动产生流量之和 ，则左右两 侧液压缸 的流量方程可表达 为 r 左 d p左 ． cIy Q 『 左 ⋯ ． L／ 孥 誓 忽略摩擦和油液动量后 ，作用在活塞和负载上的力学 方程为 Ap p 左 一 邶鲁 F 8 上述算式共 同构成 了该系统液控装 置的数 学模 型 。 4 两轴 同步输出控制方法 单轴测试系统工作 时，只需控制系统输 出的频 率、幅值和偏置，并无相位方面的要求。该疲劳测试 系统采用两输出轴共同作用机制 ，要求两轴不但工作 频率要相同，且两轴输出力的相位差为0 。 图 4 所 示为激振器开环相频 曲线 。由图可知 在 低频区间，激振器相位比用经典控制论获得的相位大 大提前 ，相位差则小很多；随着激振频率的提升，相 加载试验 。 频特性曲线 图 5 所 示为 阀芯 和 阀套 在 初 始 状态 的位 置 。此 时 ，轴肩 1 、3上 的 4个 出油 口均处 于相 同 的即将打 开状态 ；轴肩 2 、4上 的出油 口则处 于 即将 全 部关 闭 状态 。两个 激振器上所有 阀芯 的位置均处 于图 5所示 状态。后续 ，阀芯在步进 电机 的控制下 ，驱动这些节 流 口面积呈周期性交替变化 ，进而 推动液缸活塞往复 运动 ，实现 了对被测对象 的高频试 验。 a 1 、3 号轴肩出油口 b 2 、4 g - 轴肩出油 口 图5 各轴肩初始状态各油口状态图 5实验验证与仿真 两套 电液激振器 已经按照 图 1 所示 ，被安装在两 个垂直立柱内。载荷位移传感器安装在液缸活塞杆与 被测对象之间，用于测试活塞输出力和被测对象的实 际位移。用步进电机驱动阀芯旋转 ，控制步进 电路， 进而控制振动频率；阀芯的轴向移动以伺服电机带动 凸轮 ，从而控制振动幅值。 通过对液压缸 、激振器和机架构成的测试系统的 模态分析可知 ，整个 试验 系统 的固有 频率为 3 7 0 H z 。 为了保证活塞输出力对被测物体的弹性性质 ，根据经 典 电液控制理论 ，激振器的工作频率要低 于试验 系统 的固有频率⋯ 。 图 6所示 为测试 系 统分别 在 5 0 、1 0 0 、1 5 0 H z 3 种工作模式下测得的实验数据和理论计算数据的对比 图。可以看出3种模式下实测波形与理论计算波形 均吻合，输出曲线均似正弦曲线 ；对比3个模式可以 发现随着振动频率的提升，测试值和理论值拟合程 度逐步提升，曲线重合度更高。图 7为激振频率为 1 5 0 H z 时 实测 频率 1 4 8 ． 3 5 H z ，测 得 的两个 激振 器分别输 出的载荷相 位波形 曲线。可以得 到 两通道 的相位误差角度为2 。 ，频率误差为 1 ． 7 ％F S O，保证 了两个激振通道输 出载荷波形的相位同步。总体而 言 ，在同步输出控制下的两个激振单元输出的波形相 位一致 ，证 明该方法有效 。 一一一 理论 值 测 试 值 3 至2 杂 1 曩。 艄 一 1 蜓 -2 ．3 丌 2 3 4 兀 阀芯 角位 移 3 2 杂 1 。 糊 。 1 烬 2 ．3 图6 理论波形与测 图7 频率 1 5 0 H z 时，采集 试 波形对比图 的双通道载荷波形 曲线 6结 论 传统 的以电液激 振 器为 核心 的疲劳 破坏 试 验 系 统，因其激振单元的先天局限性，系统输出的振动频 率难以提升 。文中创新之处在于，以双位移滑阀为 下转第 1 0 6页 1 0 6 机床与液压 第 4 l 卷 接好 管路 ，按下列方法操 作。 3 ． 1 手动模式下 1 打开软件界面 ，点击开始采集 ； 2 在触摸屏上设定转速 ，n 7 5 0 r ／ m i n ，进 口 P 0 ． 5 2 M P a ，回油P 0 ． 6 M P a ，按下操作台 【 马达 启动】按钮，系统自动将马达转速调整至7 5 0 转，进 口P 0 ． 5 2 M P a ，回油 P 0 ． 6 M P a自动保持 ； 3 按 【 加载 】按钮，逐步将压力 调至 l 7 M P a ，在采集软件上点击记录，可以读出被试泵的供 油量和 回油量 ； 4 按 【 加载 一】按钮，将压力卸载。在触摸 屏重新设定 转速为 n5 9 0 0 r ／ ra i n ，马达转速 自动逐 步提升为 5 9 0 0 r ／ m i n ； 5 按 【 加 载 】按 钮，将 压力 加 载 至 2 1 MP a ，在采集软件上点击记录， 可以读出被试泵的供 油量和回油量，并计算记录此时出 口压力脉动双峰 值 ； 6 按 【 加 载 】按 钮，将 压 力加 载 至 2 1 MP a ，看到供油量为零时停止加载，判断出口压力是 否在 2 1 ． 5 。 MP a ，在采集软 件上点 击记 录 ， 可 以读 出被试泵 的供油量 和 回油量 ，并计算记录此时出 口压 力脉动 双峰值 ； 7 按 【 加载 一】按钮，将出 1 3 压力卸载。在 触摸屏重新设定转速为 n 8 5 0 r ／ m i n ，马达转速 自动 逐步下降为 8 5 0 r ／ m i n ； 8 按 【 加 载 】按 钮，将 压 力加 载 至 2 1 M P a ，按下 【 卸荷阀接通】按钮 ，在采集软件上点击 记录此 时的压力 ； 9 按 【 加载 一】按钮 ，将出 口压力卸载 ，按 下 【 马达启动】停止按钮 ，马达停止工作； 1 0 在采集软件上 点击 生成报 表 ，根 据设定好 的判断条件 ，判断被试液压泵是否合格，并打印数据 报表 。 3 ． 2 自动模 式 自动模式又称一键式操作。打开采集软件，点击 开始采集，点击 【 自动开始 】按钮，进入 自动程序， 按手动模式顺序将所有项 目自动完成测试，自动记 录 ，自动判断 ，自动生成报表 。 4 结束语 该试验台是以计算机控制为核心、集机电液于一 体的全 自动检测与控制系统 ，具有智能化程度高、人 机界面友好的一键式 自动操作模式。其主要特点有 通用性强 ，试验台能够完 成不 同种 类液压 泵 的试 验 ； 便于控制 ，采用计算机与 P L C可编程控制系统可以 实现一键式 自动操作 ；采用温控系统对油液温度进行 实时控制；具有自检、报警和防纠错功能；操作方法 简单 ，使用方便，提供实时 “ 菜单帮助” ，操作者容 易掌握；测试数据的获得准确、可靠、直观；试验台 实现 了模块 化 ，维护更加方便。 参考文献 【 1 】 孔凡才． 自动控制系统[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 011 ． 【 2 】 居滋培． 过程控制系统及应用[ M ] ． 北京 机械工业出版 社 ， 2 0 1 1 ． 【 3 】 杜来林． 飞机附件检修[ M] ． 北京 航空工业出版社， 2 00 6． 【 4 】 杜来林． 液压与气动技术 [ M] ． 北京 北京大学出版社 ， 2 00 6． 【 5 】杜来林． 飞机液压泵智能测试系统的设计 [ J ] ． 机床与 液压 ， 2 0 0 6 1 2 ． 上接第 1 0 3页 激振器 的核 心 ，通过控制滑阀阀芯的旋转位移角速度 进而提升疲劳系统的振动频率，通过控制阀芯的轴向 直线位移来控制振 动的振 幅 ，以直动式偏置阀控制输 出载荷 的均值 。采用两轴同步控制办法 ，建立了该疲 劳系统的数学模型，进而制作了双位移电液阀控高频 率疲劳试验系统。 通过理论计算 和真实试验 的对 比可以发现 1 系统输出的波形接近于正弦曲线； 2 该系统在 1 5 0 H z 频率范围内工作，稳定可靠，较常规系统的频 率提升显著； 3 在同步控制策略的帮助下 ，该系 统的两轴输出较常规的单轴输出载荷范围更宽，运行 更平稳 。 参考文献 【 1 】罗剑波， 姜伟． 一种基于 F P G A技术的高频疲劳试验机 控制器的研制[ J ] ． 测控技术与设备， 2 0 0 1 ， 2 7 9 3 3 3 4． 【 2 】孙志礼． 机械设计[ M] ． 沈阳 东北大学出版社， 2 0 0 0 ． 【 3 】奚德昌． 振动台及振动试验 [ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 1 9 9 2 1 2 41 6 7 ． 【 4 】L A N G G e o r g e F o x ． E l e c t r o d y n a m i c s S h a k e r F u n d a m e n t a l s [ J ] ． S o u n d a n d V i b r a t i o n ， 1 9 9 7 4 1 4 2 3 ． 【 5 】尚增温， 孙虹． 高频电液伺服系统的发展趋势与新的应 用领域[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 1 6 51 O ． 【 6 】 杨叔子． 机械工程控制基础[ M] ． 武汉 华中科技大学出 版社 ， 2 0 0 2 ． 【 7 】 张福波， 王贵桥 ， 杜林秀 ， 等． 电液伺服疲劳试验机波形 幅值的模糊补偿[ J ] ． 振动、 测试与诊断 ， 2 0 0 8 2 9 6 9 9． 【 8 】 廉红珍， 寇子明． 振动机械液压激振方式的特点分析和 发展综述[ J ] ． 煤矿机械， 2 0 0 7 ， 2 7 1 1 1 21 4 ．