液压阻尼器设计毕业设计.doc
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1、毕 业 设 计设计题目:液压阻尼器试验台设计 液压阻尼器试验台设计摘 要本课题针对液压阻尼器的试验要求,参考以前的相关设计以及液压系统设计的经验,设计一个符合要求的电液系统振动试验台。文中利用已有的机电液的相关知识,进行了系统的整体研制、分析,以及其机械结构的设计,使设计出的液压阻尼器振动试验台能够圆满的完成相关试验检测工作。提出了液压阻尼器试验台的整体结构设计方案,完成了该试验台的机械结构液压系统的设计。根据液压阻尼器的检测与试验要求,设计了动、静态两个试验回路双伺服阀液压控制结构,并采用蓄能器组瞬间提供大流量输出的整体解决方案。本液压阻尼器试验系统可以适用于行程小于300毫米、100吨以下
2、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。关键词:液压阻尼器 电液伺服 系统控制 激振器 The design of hadraulic damper test rigAbstractThe subject of hydraulic dampers for the test requirements, refer to the previous design, as well as experience in hydraulic system design, design to meet the requirements of a system of e
3、lectro-hydraulic vibration test rig. In this paper, the use of existing hydraulic knowledge to carry out the overall system development, analysis, and the design of its mechanical structure, so that the design of the hydraulic vibration damper test rig can be related to the successful completion of
4、the work test. A scheme of hydraulic damper test-beds overall structure design is raised, and it complete the test-beds hydraulic system of the mechanical structure design. Hydraulic damper according to the detection and test requirements, design a dynamic and static test of two dual-loop servo-valv
5、e hydraulic control structures, and the use of accumulator to provide an instant group of high-volume output of the overall solution.The hydraulic damper test system can be applied to travel less than 300 mm, 100 tons of various specifications of the hydraulic damper testing, hydraulic damper for th
6、e development, production provides the necessary test and inspection equipment. Key words: hadraulic damper; electro-hydraulic serve; system control; exicer; 目 录1 引言11.1课题概况11.2课题研究方案及意义52 液压阻尼器试验台方案设计62.1液压系统设计要求62.2液压阻尼器的试验要求62.3控制方案的确定73 液压阻尼器试验台液压系统结构设计103.1液压阻尼器试验台激振器设计103.2伺服阀选择计算123.3系统的流量供给及
7、油源设计133.4蓄能器组选择163.5 油箱设计173.6管道尺寸确定203.7系统阀块设计234液压阻尼器试验台结构设计244.1试验台架设计244.2试验台的电控系统275 结论30谢辞31参考文献32附录33外文资料341 引言1.1课题概况1.1.1液压阻尼器阻尼是各种摩擦和其他阻碍作用对自由振动产生衰减的一种现象。而安置在结构系统上的“特殊”构件,提供运动的阻力,耗减运动能量的装置,便是阻尼器。目前在各种应用中有:弹簧阻尼器,脉冲阻尼器,旋转阻尼器,风阻尼器,粘滞阻尼器,液压阻尼器等。液压阻尼器是一种对速度反应灵敏的吸收衰减震动装置,能够吸收、衰减震动与冲击的能量,从而减少构件的动
8、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及冲击破坏。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,以及核电厂、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不断提高,以及各种试验、检验技术的完善,液压阻尼器的应用也越来越广泛。液压阻尼器不但用于重要的军事工程,而且已经开始应用于民用工程中。11.1.2振动台振动台是一种能够提供典型振动条件或模拟再现环境用以检验和评价各类工程装置及设备机械力学性能的试验设备。通常使用的振动台有机械式振动台、液压式振动台和电动式振动台三种振动台。国外对振动台的研究较多的国家是日
9、本和美国。美国加州伯克力分校建成世界上第一台水平和垂直同时工作的6.16.1m双向地震模拟振动台。其后,日本国立防灾科学技术中心建成了当时世界上最大的15m15m台面,载重1000吨的垂直或水平单独工作的大型地震模拟振动台。2我国50年代应用比较广泛的是机械式振动台,60年代电动式振动台得到飞跃的发展,成为振动环境模拟的主要设备,但当时电动振动台的承载能力较小、使用寿命也不尽如人意不能承担飞机大型结构件的振动试验任务。因此具有直接承载能力强、推力大、结实耐用等特点的液压振动台便应运而生,并优先在国防工业,特别是航空航天工业领域中得到应用和发展。早期开发的液压振动台工作频率上限一般在200左右。
10、这主要是由航空涡轮寻机的转速接近1200r/min所决定的。随着现代喷气动力装置的发展,振动环境模拟的上限频率不断提高,也要求液压振动台不断地扩展其工作频宽。目前国内外大推力(50kN以上)液压振动台上上限工作频率已达到1000Hz以上。加一方面由于飞机飞行速度的提高以及发动机生产工艺的改进,来自发动机转子动不平衡所诱发的振动强度逐渐减弱,而气流干扰和声压变化所诱发的振动则越来越重,这种振动环境常常表现为非周期的随机振动,因而也要求液压振动台能实现随机振动控制,国内外同行均为此而进行了大量的研究开发工作,并成功实现了液压振动台的随机振动控制,如中国航空工业总公司303研究所研制的YZT10c型
11、液压振动台,其上限工作频率达到201000Hz,在频率范围内的宽带随机振动控制精度己经达到dB。 3本课题是做一个100T级液压振动试验台的开发与研究。液压振动试验台是一种多功能、高精密度、快响应的电液伺服系统,它不仅可以进行新型液压阻尼器的各种性能试验,而且可以进行其它设备的振动和疲劳试验。液压振动试验台是液压阻尼器生产、试验和验收必不可少的手段。液压振动台作为振源的模拟输出设备要求其能输出典型的地震波正弦波脉冲波等各种外界波并能通过传感器采集信号、计算机处理信号生成被试件在不同输入波形下静、动态响应特性,为判断被试件性能提供依据。1.1.3电液伺服系统、电液伺服系统的特点同机电伺服系统、气
12、动伺服系统相比,液压伺服系统具有突出的优点,以致成为采用液压系统而不采用其它系统的主要原因4:(1)“功率重量”比大同样功率的控制系统,液压系统体积小,重量轻。因为对于电元件,例如电动机来说,由于受到磁性材料饱和作用的限制,单位重量的设备所能输出的功率比较小。液压系统可以通过提高系统的压力来提高输出功率,这时仅受到机械强度和密封技术的限制。在典型的情况下,发电机和电动机的“功率重量”比为16.8W/N,而液压泵和液压马达的功率重量比为168W/N,是机电元件的10倍。在航空、航天技术领域应用的液压马达是675W/N,而稀土电动机的“功率重量”比为225W/N。直线运动的动力装置更加悬殊。这是在
13、许多场合下采用液压伺服系统而不采用其他伺服系统的重要原因,也是直线运动控制系统中多用液压系统的重要原因。几乎所有的中、远程导弹的控制系统,都采用液压系统。(2)力矩惯量比大一般回转式液压马达的力矩惯量比是同容量的电机的10倍至20倍,一般液压马达为6.1103Nm/Kg.m2。力矩惯性比大,液压系统能够产生大的加速度,也意味着时间常数小,响应速度快,具有优良的动态性能。这个特点也是许多场合下采用液压系统,而不采用其他系统的重要原因。例如在导弹武器的仿真系统中,要求平台具有极大的加速度,具有很高的响应频率,这个任务只有液压系统能够胜任。(3)液压马达的调速范围宽液压伺服马达的调速范围一般在400
14、左右,好的上千,通过良好的速度回路设计,闭环系统的调速范围更宽。这个指标也是常常采用液压系统的重要原因。例如跟踪导弹、卫星等飞行器的雷达、光学跟踪装置,在导弹起飞的初始段,视场半径很小,要求很大的跟踪角速度,进入预定轨道后,视场半径很大,要求跟踪的角速度很小,因此要求系统的整个跟踪速度范围很大。(4)易通过液压缸实现大功率的直线伺服驱动、结构简单若采用以电动机为执行元件的机电系统,则需要通过齿轮、齿条等装置,将旋转运动变换为直线运动,从而结构很复杂,而且会因传动链的间隙而带来许多的问题;若用直线式电机,体积重量将会大大增加。从“力质量”比来说,直流直线式电动机的“力质量”比为130N/Kg,而
15、直线式马达(油缸)的“力质量”比为13000N/Kg,是机电元件的100倍。所以在负载要求作直线运动的伺服系统中,液压系统比机电系统明显优越。正因为如此,在冶金工业中,液压伺服系统得到了广泛的应用。还有其他的许多优点,诸如系统的刚度比较大,润滑性能好等。、电液伺服系统的发展历史二战期间,由于军事上的需要,对先进的武器和飞机的控制系统,提出了诸如大功率、高精度、快响应等一系列高性能要求。但是单纯的采用电磁元件已很困难、甚至不能满足要求,而液压系统具有的一些特点,正好适合于这种场合,从而促使人们更深入地研究液压技术。在这个背景下,液压伺服技术迅速发展起来。到50年代末期和60年代初期有关液压伺服技
16、术的基本理论日趋完善,使液压伺服系统广泛的应用于武器、舰船、航空、航天等军事部门,后来又迅速地推广到冶金、机械等民用工业中。液压伺服系统以其优良的动态性能著称,但同时因为它要求很高的加工精度,成本昂贵,对维护使用要求苛刻,这对一般的工业控制来说很难承受。因为大多数工业控制系统,并不需要很高的动态性能,一般伺服带宽35Hz,甚至12Hz就可以了,但希望价钱便宜,对污染不敏感,不需要特殊的维护措施。在这个背景下,60年代开始发展一种廉价液压伺服技术电液比例控制。这种介于液压伺服与液压开关控制之间的液压技术,为液压开拓了新的途径。尽管液压伺服技术在不断地开拓、发展,但是始终存在着噪声、漏油、维护修理
17、不方便、成本较高,对油液中的污染物比较敏感而经常发生故障等缺点。另一方面,机电伺服系统在一些重要元件性能上有新的突破,尤其是60年代可控硅元件的问世,及其后出现的力矩电机、印刷电机、无槽电机等性能优良的执行元件的问世。近年来出现的大功率的脉冲调宽(PWM)功率放大元件,大大改善了伺服系统的性能,形成了对液压系统的有力挑战。目前除了航天领域中、大型火箭、导弹控制系统,液压伺服具有绝对的优势外,大多数中小型地面设备,已逐渐被机电伺服系统取代。但是在直线运动的控制中,尤其是大功率的直线运动控制,仍广泛的使用液压伺服系统。、电液伺服系统的发展方向(1)机电一体化5将微电子技术和液压技术结合成一体,出现
18、了将比例控制系统、伺服系统所需的放大器、传感器、信息显示装置等与液压泵、阀和液压缸等紧凑的组合在一起的新颖的一体化元件,这是当前液压技术的一个重要发展方向。近年来由于微电子技术的飞速发展,为机电一体化创造了条件。此外还可以扩展元件的功能,例如在模拟式传感器上附加A/D转换器,在电液伺服阀等模拟式阀上附加D/A转换器,可以直接通计算机连接。可以预见,一体化组件将进一步发展成带微电脑的智能型机电一体化组件。(2)计算机在液压伺服系统中的普遍应用6计算机应用已深入到各个领域,无疑也将在液压伺服技术领域中发挥巨大的作用。计算机在液压伺服系统中的应用包括计算机直接控制(CDC)、计算机辅助设计(CAD)
19、和计算机辅助测试(CAT)等三个方面。计算机辅助控制,就是将计算机(主要是微机处理)作为整个伺服系统的一个环节来进行系统控制。由于它的软件功能很强,可以方便的完成大量的环外处理和智能控制,构成所谓的智能型电液控制系统。计算机辅助设计主要指对液压伺服元件和伺服系统进行计算机仿真。这是一种十分有效的设计和研究方法,它不仅可以对复杂的系统和各种因素对系统的影响进行定量的研究,而且可以进行元件和系统的优化设计。由于液压伺服元件存在多种非线形因素,单纯用计算机模拟仿真,可能因为模拟电路的零飘等带来较大的误差,甚至出现不稳定现象,而数字计算机通过用专用的程序包能够得到满意的仿真效果。对于大型、高精度的伺服
20、系统来说,更接近真实情况的还是模拟数字联合仿真7。通过计算机辅助测试系统对液压伺服元件、液压系统的静态、动态特性进行测试、辨别和数据处理,将相应的数据和曲线在显示器上输出或者通过打印机打印出来。更进一步将这种测试系统扩展成故障检测和预报系统,它不断巡回地采集系统的实际参数,并将其同拟定参数进行比较,做出判断,而后通过报警装置,给出报警信号,同时在显示器上显示出故障的原因和处理的措施。这也是计算机在液压伺服系统中应用的一个重要的方向8。1.2课题研究方案及意义1.2.1课题研究主要内容及思路液压阻尼器振动试验台可以实现在要求推力、频率、压力、波形等条件下的液压阻尼器的检测工作,通过力和速度传感器
21、等多种传感器将试验中采集到的数据进行输出,应用计算机对数据进行处理,将处理结果与预定的合格数据进行比较,从而确定液压阻尼器合格与否。本课题以液压阻尼器振动试验台这一产品的研制与开发为中心,通过运用已学的对于机、电、液领域的相关知识,在一些成熟技术应用的基础上,对液压阻尼器的试验台的主要系统以及重要部件的机械结构进行设计。具体说来本课题研究主要有以下几个方面:1液压阻尼器振动试验台的液压结构设计。完成液压阻尼器振动试验台的总体系统的规划和开发。 进行液压系统原理研究,绘制相应的液压控制原理图。 结合设计要求计算出系统中的重要的参数,例如流量、压力、液压缸的横截面积等等。 重要部件的机械结构(液压
22、缸、阀块)的研制与开发。 完善整个系统,完成其他部件的开发(油源、试验台架等等)。通过以上四步基本可以完成试验台的机械和液压部分设计,课题研究任务基本完成。 2 液压阻尼器振动试验台的台架的结构设计。完成试验台的机械部分设计。1.2.2课题的意义课题是大推力、高精度液压阻尼器振动试验台的开发与研究,具有很强的现实和理论意义。液压阻尼器振动试验台是集机械结构开发、液压系统开发、电路控制开发于一体的高新技术产品,在产品检测方面有着极为重要的应用。目前,国内高精度、大推力的液压阻尼器振动试验台多为日本和德国的产品,说明国内在高精度、大推力的液压阻尼器振动试验台研制与开发方面与外国在不小的技术差距。本
23、课题就是要在高精度液压阻尼器振动试验台研制与开发方面寻求突破和创新,从而能促进我国高精度、大推力液压阻尼器振动试验台的技术发展。2 液压阻尼器试验台方案设计2.1液压系统设计要求试验台实现在推力、频率、压力、波形等条件下的液压阻尼器的检测工作,通过力和速度传感器等多种传感器将试验中采集到的数据进行输出,应用计算机对数据进行处理,将处理结果与预定的合格数据进行比较,确定液压阻尼器的合格与否。其主要技术要求有:最大动、静态力:1000KN;工作频率:133 Hz(逐个频率点)最大位移(振幅):1Hz时,20mm;10Hz时,5mm;激振器最大行程:150 mm;最大速度:30 cm/s(要求),3
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