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

TheDesignonTestingSystemforHydraulicDamper

XIEShao2wei1,SHANGZeng2wen2,XIAn2min1,CHENHong2guang2

(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1-33Hz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1～33Hz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:1～33Hz(逐个频率点);󰂳振幅要求:1Hz时±20mm;10Hz时±5mm;󰂳激震器最大行程:±150mm;󰂳激震器最高速度:3114cm/s(发生在10Hz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。92005年第12期液压与气动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1000

kN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PLC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ps=25MPa,再根据式(1)计算液压激振器的活塞面积

A。

A=3Fm22ps(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421126cm2。此时系统所需最大峰值流量Qmax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QN根据下

式计算:QN=2πQmax(2)

计算得系统的平均流量QN=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:

QNL=32AVmax(

3)01液压与气动2005年第12期 经计算,大流量电液伺服阀在25MPa供油压力下

的无载流量QNL为972L/min。则21MPa供油压力下

伺服阀的无载流量Q0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QN=

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14

MPa。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112005年第12期液压与气动