抗震阻尼器试验台的设计

文章编号:1004-4736(2007)04-0070-04

抗震阻尼器试验台的设计

刘银水,曹树平,朱玉泉

(华中科技大学机械科学与工程学院,湖北武汉430074)

摘　要:设计了一种最大输出动态力为1000kN 的液压阻尼器试验台,对其关键技术问题,如从节能角度对油源的设计、试验台主机及其液压夹紧的设计等进行了分析并提出了相应的解决措施,对类似试验台的设计具有一定的参考价值.试验结果表明,该试验台的油源满足了动静态两种试验工况的要求,解决了动态特性试验时的大流量冲击问题;同时台架的刚度满足了设计指标的要求.关键词:抗震阻尼器;试验台;液压系统中图分类号:T H 137 文献标识码:A

收稿日期:2007-05-11

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50405031)

作者简介:刘银水(1973-),男,江西九江人,副教授,博士.研究方向:水压传动基础技术及其工程应用研究、电液控

制工程.

0　引　言

液压阻尼器是一种对速度反应灵敏的振动控制装置,主要适用于核电厂、火电厂、化工厂、钢铁厂等的管道及设备,用于控制冲击性的流体振动(如主汽门快速关闭、安全阀排放、水锤、破管等冲击激扰)和地震激扰的管系振动.液压阻尼器在与防冲击振动设备连接之前,必须对其性能进行考核,以保证将性能合格的产品用到设备上,做到万无一失,为此需要研究相应的试验台.该试验台是一个典型的电液伺服控制系统,为了适应阻尼器试验的特殊工况,需要解决一系列关键技术问题

[1,2]

.结合所研制的1000kN 的液压阻尼器冲

击振动试验台,对这些问题进行了分析,并提出了相应的解决方案.

1　试验台架功能和组成

液压阻尼器在静态时,不会阻碍正常的热膨胀,当遇到超出限定速度的突然运动时,震动吸收器立刻锁住,形成刚性连结件.因此其性能包括静态和动态特性,相应地,试验台也需要完成这两种功能[3,4].1.1　静态试验

低速阻力试验:阻尼器以2～6m m /s 的低速运动,测量此时的运动阻力.

锁死速度试验:试验台在力控制状态下,输入

一个力的方波信号,获取力达到稳定值时的速度即为锁死速度.

1.2　动态试验

正弦波振动试验:给试验台输入不同频率和振幅的正弦信号,得出阻尼器的动态响应特性.半正弦波冲击试验:给试验台输入一个半周期的正弦信号,得出阻尼器的瞬态输出力及位移.

试验台的主要性能指标如下:冲击振动方向:水平双向

最大静态负载:±1100kN

最大动态负载:2Hz 时±1000kN 15Hz 时±700kN 振幅f =1Hz X 0=100mm f =15Hz X 0=6mm 工作频率范围:0.01～33Hz 试验台的静态精度小于1%.

试验台的基本组成包括液压动力源、冲击试验台架、计算机测试控制系统、电气控制系统等.

2　液压系统

试验台的液压系统如图1所示.该油源主要满足三方面的需求:(1)进入到夹紧缸29,对横梁进行夹紧;(2)进入到推拉缸28,推动横梁运动;(3)进入到伺服缸24,完成规定的动作.根据试验台静态力的要求,选择系统工作压力为25M Pa ,取作动器活塞杆d =180mm ,活塞D =300mm ,得有效面积A =452.16cm 2.根据试验台性能指标可计算得到动态时最大流量为1704L /min,低速阻力试验时,其速度为0～6mm /s ,负载所需的流量为16.3L /min .针对此工况,需要解决下列

第29卷第4期 武　汉　工　程　大　学　学　报 V ol.29　No.42007年07月 J .　W uhan Inst.　Tech. Jul .　2007

问题

.图1　试验台的液压系统原理图Fig .1

　Sch ema tic diag ram of hydra ulic system 2.1　效率问题

由于阻尼器的振动冲击试验和疲劳试验不同,其在试验过程中的冲击振动时间一般都很短,一般在5s 之内.根据动态试验时所需要的最大流量来配制流量显然是没有必要.基于这样的考虑,油源配置两个排量为80m L /r,额定转速为1500r /min 的恒压轴向柱塞变量泵,其余流量则由蓄能器来供给.

按照f =1Hz 、X 0=100m m 时的流量要求来选择蓄能器,此时所需要的最大流量为q m =1704L /min(28.4L /s),采用蓄能器后的平均流量q e =(2/π)q m 为1091L /min (18.2L /s ),考虑到容积效率,泵源能供给的流量V P 为216L /min (3.6L /s),则单位时间内需要补充的流量体积为V A =V m -V P =18.2- 3.6=14.6L,选用气囊式折合型蓄能器.如维持5s 时间,经计算可得蓄能器的容积为1183L .选择12个蓄能器,每个蓄能器的容积为100L .泵和蓄能器一起供油,可以满足峰值流量要求.

2.2　动静态试验问题

试验台在动静态两种试验工况时的需要流量差别很大.根据动态试验时的要求,选取1000L /min (阀压降为7M Pa 时)的喷嘴挡板式三级流量伺服阀20为动态试验伺服阀.对于静态试验来说此阀显然过大,因此,另外配制一个30L /min (阀压降为7M Pa 时)的流量伺服阀21为静态试验伺服阀,该阀为喷嘴挡板式二级伺服阀.两阀在不同工况时通过球阀隔断.

2.3　系统冲击问题

系统在动态试验的过程中,从蓄能器和泵源获得的峰值流量为1704L /min,如果按此指标来设计整个系统,显然不经济也没有必要.但如果仅仅按照油泵输出的流量来选择管道、过滤器、冷却器等,则峰值流量将会对系统产生冲击和破坏.为此,在系统的回油路增设了蓄能器组.蓄能器组的最高工作压力为回油路管道和元件能耐受的最高压力.设冷却器进油管通径为50mm,油流速度按2m /s 计算,则5s 时间内通过的流量为19.6L,作动器在5s 时间内排出的最大流量为

V =1704

×0.64/60×5=90.88L 则需要蓄能器的有效容积为

ΔV =90.88-19.6=71.28L

选用气囊式折合型蓄能器.出口的压力不超

过0.63M Pa,即蓄能器的最高工作压力为P 1=0.63M Pa,最低工作压力为油液回油过程中克服

管道、冷却器、过滤器等需要的压力,其中过滤器的阻力为最主要的部分,取P 3=0.35M Pa ,则蓄能器充气压力为

p 1=(0.8～0.85)P 3=0.28×106

Pa 蓄能器的总容积为

V 0=ΔV (P 2P 1)1V (P 2P 3)1V =71.28×(0.63×106

0.28×106)11.4(0.63×1060.35×106

)11.4-1= 243.8L

选取三个容积为100L 的蓄能器可以满足要求.这样可以避免回油管路中流量过大而造成的对低压元器件的破坏.

3　主机设计

3.1　主机的组成

主机用来安装阻尼器试件并进行试验,其结构原理如图2所示.主机为水平结构,主要组成部分包括前支座1、后支座11、移动横梁7、导向柱5、夹紧缸6和作动器2等组成.试验过程中,阻尼器安装在连接法兰9和10之间,前支座、后支座、横梁、导向柱、组成一个刚性框架,阻尼器的受力相当于框架的内力,两个导向柱及横梁和前支座、后支座是主要的承力部件,因此变形量易于控制,对平台和地基的要求低.阻尼器的自重由作动器承担.位移由磁致式位移传感器测量,内置于作动器活塞;负荷传感器8为轮辐式传感器,安装在阻尼器和横梁之间;作动器由伺服阀3控制.伺服阀及其阀块安装在作动器上,以尽可能减少阀口与

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