液压阻尼器试验系统设计_解绍伟

液压阻尼器试验系统设计
解绍伟1,尚增温2,郗安民1,陈红光2
The Design on T esting System for Hydraulic Dam per
XIE Shao2wei1,SH ANG Z eng2wen2,XI An2min1,CHE N H ong2guang2
(11北京科技大学机械工程学院,北京海淀区学院路30号　100083;
21北京机械工业自动化研究所,北京西城区德胜门外教场口1号　100011　电话:(010)62050846)摘　要:文章论述了液压阻尼器试验系统的构成、工作原理和设计特点。

根据液压阻尼器的检测与试验要求,确定了动、静态2个试验回路和采用蓄能器组瞬间提供大流量输出的整体解决方案。

关键词:液压阻尼器;液压激振器;电液伺服阀;蓄能器
中图分类号:TH13715　文献标识码:B　文章编号:100024858(2005)1220009204
1　概述
液压阻尼器是一种对速度反应灵敏的吸收衰减震动装置,它能够吸收、衰减震动与冲击的能量,从而减少构件的动力反应,保护建筑物、工程结构、机械结构等重要设施免遭由于地震、爆炸、自然风力等引起的震动冲击破坏。

液压阻尼器主要用于医院、电站、桥梁、摩天楼等重要大型建筑,及核电厂、火电厂、化工厂中的管道及关键设备的抗震。

近十几年来,随着液压阻尼器制造技术的不断提高,各种试验、检验技术的完善,液压阻尼器的应用越来越广泛。

液压阻尼器不但用于重要的军事工程,而且已经开始用于民用工程中。

为了检测液压阻尼器的技术性能指标和产品的制造质量,必须建造液压阻尼器试验系统,对液压阻尼器进行性能试验和质量检测。

2　液压阻尼器的试验要求
液压阻尼器的试验主要有以下几项:
(1)液压阻尼器在设定速度下,进行低速运行检测运动阻力。

即:设定速度,绘出低速运动阻力2时间曲线;
(2)液压阻尼器释放速度试验。

在额定负载作用下,液压阻尼器控制阀处于关闭状态后,检测其活塞移动速度。

即:设定负载,绘出速度-时间曲线;
(3)液压阻尼器闭锁速度试验。

在1-33H z频率范围内,在不同振动负载作用下,液压阻尼器控制阀在2～10mm/s速度内在某个速度下自动关闭(闭锁),这个速度称为闭锁速度。

即:设定频率,绘出负载2速度曲线;
(4)耐久性与疲劳试验。

检测液压阻尼器活塞杆动密封在经历N次往复运动中是否有漏油,对该产品的密封性、性能稳定性进行评估;
(5)液压阻尼器动态刚度试验。

在1～33H z频率范围内选定一个频率,将最大负载设定为额定负载,测定载荷与位移关系,绘出曲线。

参考图1。

　收稿日期:2005206215
　作者简介:解绍伟(1979—),男,河北巨鹿人,在读硕士研究生,主要从事机械电子工程方面的研究工作。

图1　液压阻尼器在某个频率下的动态刚度曲线
3　液压阻尼器试验系统技术指标与要求
最大动态、静态力:1000kN;
工作频率:1～33H z(逐个频率点);
振幅要求:1H z时±20mm;10H z时±5mm;
激震器最大行程:±150mm;
激震器最高速度:3114cm/s(发生在10H z时为±5mm);
激震器最大加速度:40m/s2;
高频振动持续时间:2s;
动态试验控制波形:正弦波;
系统具有数据采集、存储、查询、打印功能。

4　液压阻尼器试验系统的方案设计
根据上述液压阻尼器的试验要求及试验系统的具体技术指标,采用电液伺服系统技术方案来实现1000kN 的力输出,使得系统具有较高的频响和控制精度。

液压阻尼器试验要求最高速度为314mm/s ,而低速试验时的速度仅为2～10mm/s ,显然两者相差甚远。

考虑到系统的控制精度,将上述试验分为动态试验和静态试验。

动态试验用于高速试验,静态试验用于低速试验。

系统中设计大小流量电液伺服阀各一台。

大流量电液伺服阀完成动态试验;小流量电液伺服阀完成静态试验。

液压油路按照该方案配置,电控系统按照大小2个电液伺服阀进行切换控制。

系统可以用力或位移进行反馈闭环控制。

5　液压阻尼器试验系统的构成
液压阻尼器试验系统由液压激振器(含位移传感器、力传感器)、试验台架、动态试验大流量电液伺服阀、静态试验用小流量电液伺服阀、液压油源(含蓄能器组)、油源控制、拉压式力传感器、位移传感器、模拟控制、数控、数采、动力电源等部分构成。

液压阻尼器试验系统方框图见图2。

图2　液压阻尼器试验系统方框图
6　阻尼器试验系统工作原理
参考图2,由信号源或计算机产生的电压指令信号与反馈信号在加法器中进行比较,得到误差信号,将误差信号经过功率放大器后变成驱动电流信号施加到电液伺服阀上。

系统中有2个不同流量的电液伺服阀,通过控制换向阀可以选择其中1个电液伺服阀参与控制,动态试验时选择大流量电液伺服阀,静态试验时选择小流量电液伺服阀。

电液伺服阀将得到的电流控制信号进行“电2机械”转换,输出与电流控制信号成比例的流量压力驱动液压激振器中的活塞轴,从而使得液压激振器产生与指令信号相同的运动或力输出。

系统中有2个反馈控制回路,分别用于位置控制和力
控制。

计算机可以产生系统控制指令信号并对液压激振器输出的位移和力进行控制、采集和处理。

将位移信号处理成速度信号或将加速度信号转变成速度信号。

液压油源为电液伺服阀提供液压能源———流量与压力。

油源电控采用P LC 控制,控制液压泵机组的启停、压力调整、试验回路的选择以及油温、液位、系统油液污染等监控、报警与安全保护。

7　液压激振器设计
液压激振器是系统的执行元件,输出力和位移、速度、加速度运动参量。

除了要满足液压激振器动静态出力、位移行程要求以外,还要兼顾油源系统的设计、电液伺服阀的选用等系统设计要求与其安装、活塞轴的密封、支撑形式等具体要求。

首先确定系统压力p s =25MPa ,再根据式(1)计算液压激振器的活塞面积A 。

A =
3F m
22p s (1) 根据项目的具体情况,最终将液压激振器的活塞面积A 设计为421126cm 2。

此时系统所需最大峰值流量Q max 为793165L/min (速度按照3114cm/s 计算)。

采用蓄能器组后,其系统所需的平均流量Q N 根据下式计算:
Q N =
2
πQ max (2) 计算得系统的平均流量Q N =505125L/min 。

液压激振器活塞杆的密封采用由1个O 形圈与1
个非金属耐磨材料圆环构成的组合密封。

液压激振器活塞的密封采用间隙密封,设计有多个均压槽,以减少液压卡紧力。

8　电液伺服阀的设计确定
由于液压阻尼器动静态试验时的控制流量相差巨大,所以在系统中设计两种不同流量规格的电液伺服阀分别用于静态试验与动态试验。

这样可以提高系统在“静态试验”时的控制精度。

大流量电液伺服阀采用一个由标准“喷嘴2挡板”式两级伺服阀驱动一个功率放大级所构成的三级电液伺服阀。

电液伺服阀的无载流量按照式(3)进行计算:
Q N L =
3
2
AV max (3)
经计算,大流量电液伺服阀在25MPa 供油压力下的无载流量Q N L 为972L/min 。

则21MPa 供油压力下伺服阀的无载流量Q 0为890185L/min ,即所需伺服阀的额定流量(7MPa 阀压降下)为515L/min 。

根据以上设计计算,大流量电液伺服阀选定额定流量(7MPa 阀压降下)为800L/min 的三级电液伺服阀。

小流量电液伺服阀选定额定流量(7MPa 阀压降下)为40L/min 的喷挡结构的两级电液伺服阀。

9　液压阻尼器试验液压系统设计
液压阻尼器试验液压系统图如图3所示。

图3　液压阻尼器试验液压系统图
采用3台液压柱塞泵联合供油。

这样可以根据不同试验的流量要求,选择起动单泵或多泵供油,达到节能之目的。

在3台柱塞泵的压力油口分别装有单向阀2,是为了隔离3台液压泵,可以单台或多台工作。

设计单向阀3是为了防止比例溢流阀4突然断电时蓄能器组10中的大量压力油通过比例溢流阀4冲击回油管路
中的低压液压元件。

为了隔离2个电液伺服阀11、12,在伺服阀与液压激振器15之间分别设计有液控单向阀13、14。

通过1个电磁换向阀8控制液控单向阀13、14的控制油口,使得所选择的伺服阀与液压激振器之间的油路相沟通。

为了使系统在做动态试验时系统参数的匹配合理,设计了1个减压阀7来调整大流量伺服阀11的先导级的供油压力。

当动态试验后,为了将蓄能器组10中的压力油泄回油箱,系统中设计了1个电磁卸荷溢流阀5,其回油口直接与油箱沟通。

当电磁卸荷溢流阀5断电时,将
蓄能器组10中的液压油泄回油箱。

这样可以避免蓄
能器组10中的高压油直接冲击系统中回油管路及其与之相通的低压元件———冷却器16和回油过滤器17。

10　系统的流量供给与蓄能器组的设计经过设计计算,系统所需的最大平均流量Q N =505125L/min ,再加上动态试验时的先导级伺服阀的控制流量,只要系统能够达到525L/min 流量即可满足系统要求。

考虑到本系统的工况,大部分时间所需流量很小,仅在2s 的短时间内需要大流量。

为了使系统设计的更加合理有效,采用蓄能器组进行瞬间补油,液压激振器低速运动时液压泵向蓄能器组供油,激振器高速运动时液压泵与蓄能器组联合向激振器供油。

这样,在短时间内提供大的流量输出,可以降低设备造价与节能,同时消除降低液压泵产生的压力脉动,使得系统压力稳定。

3台液压泵机组的最大流量输出为264L/min 。

选用8台容量为40L 的蓄能器,充氮气压力为14MPa 。

经计算,系统压力从25MPa 下降到2315MPa 时,该蓄能器组可以排出11144L 的压力油,在2s 内相当于有34312L/min 的流量输出。

所以,在2s 时间内,系统的最大流量输出为3台泵机组的最大输出流量与蓄能器的输出流量之和,最大输出流量可达到60712L/min ,大于系统所需的最大流量525L/min ,满足了系统的要求。

图4　液压阻尼器试验台架
11　试验台架设计
参考图4,设计一个大刚度封闭式承力框架结构承受1000kN 的动静负载,在封闭式承力框架结构的一端装有“液压激振器”,在另一端安装不同长度加长杆结构来完成位置调整,以适应不同规格液压阻尼器的长度变化。

在封闭式承力框架结构中设计有2个平
水下液压控制系统研究
陈红光1,张　旭2,尚增温1
Study on the Hydraulic C ontrol System in Water
CHE N H ong2guang1,ZH ANG Xu2,SH ANG Z eng2wen1
(11北京机械工业自动化研究所,北京西城区德胜门外教场口一号　100011;
21海军装备研究院,北京1303信箱14分箱　100073)
摘　要:文章介绍了水下液压控制系统的构成、工作原理及其设计特点。

水下液压控制系统长期处在深水中,在航行中工作,针对这些特殊工作环境与技术条件,文章给出了切实可行、行之有效地整体解决方案和控制策略。

关键词:水下液压系统;P LC控制器;纵向水密封;气液弹簧
中图分类号:TH137　文献标识码:B　文章编号:100024858(2005)1220012202
1　引言
水下液压控制系统作为一种特种水下工作平台,在国家海洋开发与国防建设中正发挥着越来越重要的作用。

在母船上操纵舱外水下的液压系统,完成特定的工作,其液压控制系统相比于陆上或船舶中的液压控制系统在工作环境、工作条件以及系统技术要求等方面都有自己的特点。

要针对水下舱外工作这一特点,提出切实可行、行之有效的整体解决方案和控制策略。

2　技术参数与设计要求
系统工作条件:0～300m工作水深,海洋工作环境;
系统工作压力范围:8～12MPa;
液压缸动作1次所需油量:40m L;
注油1次,液压缸动作次数:≥18;
高压蓄能器储存油量:1400m L;
液压泵站给蓄能器注1次油时间:≤10min;
液压泵额定流量:0.18L/min。

液压控制系统要求:设备结构简单、尺寸小、重量轻,便于安装调试操作和维修;系统具有长的平均无故障时间与高的工作可靠性;能够实现系统工作状态的可监测。

满足信号电缆以及电缆接插件的纵向水密封要求等。

因此,水下液压控制系统在设计上用较少的控制、测量元件完成液压缸的控制与状态显示,从而减少系统中的连接电缆与接头。

3　系统构成与工作原理
水下液压控制系统的构成如图1所示。

系统由母船舱室内的控制器中心、密闭容器内的控制子站与液压系统和位于水中的液压缸组及传感器组3大部分组成。

　收稿日期:2005210228
　作者简介:陈红光(1964—),女,河南人,高级工程师,学士,研究方向:液压伺服系统与控制。

行导向圆柱。

该导向圆柱作用如下:
(1)承受动静试验负载;
(2)确保激振器的运动方向与试件轴线方向一致;
(3)消除激振器上的侧向力和弯矩,改善系统的受力状态。

在2个平行导向圆柱上设计有2个滑板,1个与激振器连接,1个与加长杆连接。

在2个滑板之间安装被试件———液压阻尼器。

在右边的滑板与被试件之间装有拉压式力传感器;左侧的滑板与左支撑板之间安装有位移传感器。

12　结论
根据液压阻尼器的质量检测与性能试验要求,本设计采用了动、静态2个试验回路和利用蓄能器组瞬间提供大流量输出的整体解决方案。

液压阻尼器试验系统可以适用于行程小于300mm、100t以下的各种规格的液压阻尼器的试验。

为液压阻尼器的研制、生产提供了必要的试验与检测设备。

□。