CN202690598U

CN202690598U - 电液激振器

Info

Publication number: CN202690598U
Application number: CN 201220308048
Authority: CN
Inventors: 龚国芳; 韩冬; 刘毅; 杨学兰; 杨华勇
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2012-06-28
Filing date: 2012-06-28
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2022-06-28

Abstract

本实用新型公开一种电液激振器。它包括步进电机和激振装置。激振装置的壳体内的容腔由隔板分隔成第一、第二腔；第一腔由单作用活塞杆的活塞分隔成有杆腔和无杆腔。第二腔内置有带阀套的单台肩阀芯，它通过联轴器与步进电机的主轴连接；第二腔由单台肩阀芯的台肩分隔成第三腔和第四腔，第三腔的腔壁上开有回油口，第四腔的腔壁上开有进油口。容腔的腔壁内开有第一流道和第二流道，无杆腔能通过第一流道与第二腔连通，有杆腔能通过第二流道与进油口连通；在单台肩阀芯的台肩上，其两侧分别沿圆周方向间隔地开有能够与第一流道连通的第一、第二沟槽；随着单台肩阀芯的旋转，第一流道的所述另一端开口始终与第一、第二沟槽中的一个保持连通。

Description

电液激振器

技术领域

本实用新型涉及一种电液激振器，主要用于实现外部负载高速往复运动的工程技术领域中。

背景技术

激振器是附加在机械设备上，破坏被激物的原有存在状态，对被激物产生一定形式和大小的扰动或激励作用的装置，其广泛应用于地震模拟实验，汽车、航空航天、机电系统及其零部件等性能和寿命疲劳试验以及机械捣固、振动破岩和钻孔等重要工程技术领域。

按照激振方式的不同，激振器主要分为机械式、电动式、电致或磁致伸缩效应式、电液式激振器，其中电液激振器因功率大、推力大、操作方便等固有优势被广泛应用于重载、大功率场合。目前常用的电液激振主要是以换向阀或伺服阀控制流体的通断而产生振动，即在电液伺服阀控制信号输入端输入振动激励信号，阀芯作往复运动，阀口大小随即周期性变化，控制液压执行元件作往复运动，实现振动。由于受到伺服阀工作结构和频响特性的限制，电液激振器高频性能较差，期望振动波形很难实现，且波形失真比电动激振大，对负载动态变化敏感，阀的稳定性在很大程度上取决于负载动态，容易产生不稳定，整套系统复杂，成本较高，且抗污染性能也较差。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种新的电液激振器。

为实现上述目的，本实用新型所采取的技术方案是：本实用新型电液激振器包括步进电机和激振装置，其中，所述激振装置包括设有容腔的壳体，所述容腔由隔板分隔成第一腔和第二腔；所述第一腔内置有单作用活塞杆，第一腔由单作用活塞杆的活塞分隔成有杆腔和无杆腔；

第二腔内置有带阀套的单台肩阀芯，单台肩阀芯通过联轴器与步进电机的主轴连接；第二腔由单台肩阀芯的台肩分隔成第三腔和第四腔，其中，第三腔为单台肩阀芯的台肩与所述隔板之间形成的空腔；第三腔的腔壁上开有能使第三腔与油箱连通的回油口；第四腔的腔壁上开有能使第四腔与供油系统连通的进油口；

所述容腔的腔壁内开有第一流道和第二流道，第一流道的一端开口设于无杆腔的腔壁靠近隔板的位置处，第一流道的另一端开口设于第二腔的腔壁上，无杆腔能通过所述第一流道与第二腔连通；第二流道的一端开口设于有杆腔的腔壁上且靠近第一腔的远离隔板的一端；第二流道的另一端开口设于第四腔的腔壁上，有杆腔能通过所述第二流道与所述进油口连通；

在单台肩阀芯的台肩上，其一侧沿圆周方向间隔地开有能够与第一流道连通的第一沟槽，其另一侧沿圆周方向间隔地开有能够与第一流道连通的第二沟槽；第一沟槽和第二沟槽沿圆周方向交替错开布置，且随着单台肩阀芯的旋转，第一流道的所述另一端开口交替地与第一沟槽、第二沟槽连通且第一流道的所述另一端开口始终与第一沟槽、第二沟槽中的一个保持连通状态。

进一步地，本实用新型所述第一沟槽和/或第二沟槽沿单台肩阀芯的台肩的圆周方向均匀分布。

进一步地，本实用新型所述阀套在第一沟槽和第二沟槽所在的位置处均开有相应的阀套窗口。

进一步地，本实用新型第一沟槽和第二沟槽各自的两个相对的侧壁为相互匹配的圆弧形凹面和圆弧形凸面，所述圆弧形凹面的朝向与单台肩阀芯的转动方向相反。

进一步地，本实用新型第一沟槽的所述圆弧形凹面与单台肩阀芯的台肩的外圆周面的交线为第一交线，第一沟槽的所述圆弧形凸面与单台肩阀芯的台肩的外圆周面的交线为第二交线，第一沟槽的第一交线与单台肩阀芯的台肩的第一横截面的交点为第一交点，第一沟槽的第二交线与单台肩阀芯的台肩的第一横截面的交点为第二交点；第二沟槽的所述圆弧形凹面与单台肩阀芯的台肩的外圆周面的交线为第三交线，第二沟槽的所述圆弧形凸面与单台肩阀芯的台肩的外圆周面的交线为第四交线，第二沟槽的第三交线与单台肩阀芯的台肩的第二横截面的交点为第三交点，第二沟槽的第四交线与单台肩阀芯的台肩的第二横截面的交点为第四交点；第一横截面到单台肩阀芯的位于第一沟槽一侧的台肩端面的距离同第二横截面到单台肩阀芯的位于第二沟槽一侧的台肩端面的距离相同；

第一沟槽的第一交点同所述第一横截面的圆心的连线为第一连线，第一沟槽的第二交点同所述第一横截面的圆心的连线为第二连线，第二沟槽的第三交点同所述第二横截面的圆心的连线为第三连线，第二沟槽的第四交点同所述第二横截面的圆心的连线为第四连线；

相邻的两个第一沟槽的第一连线之间的夹角的角度是单个第一沟槽的第一连线与第二连线之间的夹角的角度的4倍，相邻的两个第二沟槽的第三连线之间的夹角的角度是单个第二沟槽的第三连线与第四连线之间的夹角的角度的4倍；

第一沟槽的第一连线与同其最邻近的第二沟槽的第三连线的夹角的角度或者是单个第一沟槽的第一连线与第二连线之间的夹角的角度的2倍，或者是单个第二沟槽的第三连线与第四连线之间的夹角的角度的2倍。

与现有技术相比，本实用新型电液激振器具有的有益效果是：功率大、流量大、推力大、高频性能好，负载自适应强，大大降低结构尺寸，缩短液压连接管路长度，有效地减少沿程压力损失；采用单台肩阀芯结构，结构工艺简单，成本低，抗污染性能好，闭环控制步进电机转速，通过联轴器带动阀芯旋转来实现电液激振器的高频换向，控制精度高，能量利用率高。

附图说明

图1是含有本实用新型电液激振器的电液激振器液压系统原理示意图；

图2是本实用新型电液激振器的结构示意图；

图3是图2中的A部在电液激振器处于第一工作状态时的放大图；

图4是图2中的A部在电液激振器处于第二工作状态时的放大图；

图5是本实用新型电液激振器激振装置的壳体沿壳体容腔的中心纵截面剖开取一半壳体的三维结构示意图；

图6是本实用新型电液激振器激振装置的阀套的三维结构示意图；

图7是本实用新型电液激振器激振装置的单台肩阀芯的三维结构示意图；

图8是本实用新型电液激振器处于单作用活塞杆向第一腔外运动（即第一工作状态）时，阀套窗口与台肩沟槽轴向导通示意图。

图9是本实用新型电液激振器处于单作用活塞杆向第一腔内运动（即第二工作状态）时，阀套窗口与台肩沟槽轴向导通示意图。

图10是本实用新型电液激振器处于单作用活塞杆向第一腔外运动（即第一工作状态）时，阀套窗口与台肩沟槽周向展开导通示意图。

图11是本实用新型电液激振器处于单作用活塞杆向第一腔内运动（即第二工作状态）时，阀套窗口与台肩沟槽周向展开导通示意图。

图中，1—冷却器；2—液压泵；3—节流阀；4—单向阀；5—流量计； 6—压力表；7—蓄能器；8—电磁溢流阀；9—过滤器；10—油箱；11—供油系统；12—步进电机；13—联轴器；14—壳体；15—单作用活塞杆；16—活塞；17—阀套；18—单台肩阀芯；19、20—深沟球轴承；21—台肩；22—隔板；23—第一腔；24—第二腔；25—有杆腔；26—无杆腔；27—第三腔；28—第四腔；29—第一沟槽；30—第二沟槽；31—第一流道；32—第二流道；33—第一阀套窗口；34—第二阀套窗口；35—负载质量块；36—直线导轨；37—ICP加速度传感器；38—数据采集与信号分析仪；39—计算机；40—频率控制器；P—进油口；T—回油口；O1—第一流道的一端开口；O2—第一流道的另一端开口；O3—第二流道的一端开口；O4—第二流道的另一端开口；A1、A2、A3、A4—第一沟槽；B1、B2、B3、B4—第二沟槽；A11、A12、A13、A14—第一阀套窗口；B11、B12、B13、B14—第二阀套窗口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1至图7所示，本实用新型电液激振器包括步进电机12和激振装置。其中，.激振装置主要由设有容腔的壳体14、隔板22、单作用活塞杆15、阀套17、单台肩阀芯18等组成。壳体14的容腔由隔板22分隔成第一腔23和第二腔24，第一腔23内置有单作用活塞杆15，并且第一腔23又由单作用活塞杆15的活塞16分隔成有杆腔25和无杆腔26。单作用活塞杆15向外伸出第一腔23，并可与外部的负载质量块35连接，从而带动负载质量块35在直线导轨36上作直线往复运动。第二腔24内置有带阀套17的单台肩阀芯18，阀芯18的轴颈的两端分别与深沟球轴承19、20的内圈形成同心配合，深沟球轴承19、20的外圈与第二腔24两侧的轴承座孔形成紧密配合。单台肩阀芯18通过联轴器13与步进电机12的主轴连接。第二腔24进一步由单台肩阀芯18的台肩21分隔成第三腔27和第四腔28，其中，第三腔27为单台肩阀芯的台肩21与隔板22之间形成的空腔，第三腔27的腔壁上开有与外部的油箱10连通的回油口T，第四腔28的腔壁上开有与外部的供油系统11连通的进油口P。

壳体14的容腔的腔壁内开设有第一流道31和第二流道32。第一流道的31一端开口O1设于无杆腔26的腔壁上且靠近隔板22，第一流道的31另一端开口O2设于第二腔24的腔壁上，无杆腔26能通过第一流道31与第二腔24连通。第二流道32的一端开口O3开设于有杆腔25的腔壁上，且第二流道32的开口O3靠近第一腔的出口（即在第一腔的远离隔板22的那一端）。第二流道32的另一端开口O4则开设于第四腔28的腔壁上，并且有杆腔25能通过第二流道32与与进油口P连通。

在单台肩阀芯18的台肩21上开设有第一沟槽29和第二沟槽30，其中，第一沟槽29均位于台肩21的一侧，第二沟槽30则位于台肩21的另一侧；第一沟槽29沿台肩21的圆周方向间隔分布，同样，第二沟槽30亦沿台肩21的圆周方向间隔分布，且各第一沟槽29和第二沟槽30均能够与第一流道31连通。此外，第一沟槽29和第二沟槽30沿圆周方向交替错开布置，使得随着单台肩阀芯18的旋转，第一流道31的另一端开口O2能够交替地与第一沟槽29、第二沟槽30连通且第一流道31的另一端开口O2能够始终与第一沟槽29、第二沟槽30中的一个保持连通状态。作为本实用新型的优选实施方式，第一沟槽29、第二沟槽30分别沿单台肩阀芯18的台肩21的圆周方向均匀分布。

阀套17与单台肩阀芯18相匹配，并且阀套17在第一沟槽29所在位置处开有相应的第一阀套窗口33，阀套17在第二沟槽30所在位置处则开有相应的第二阀套窗口34。

图6至11示出了本实用新型的一种优选实施例，以下结合附图进行具体的说明。

在图6至图11所示的实施例中，有A1、A2、A3、A4四个相同的第一沟槽， B1、B2、B3、B4四个相同的第二沟槽。与第一沟槽A1、A2、A3、A4分别对应的第一阀套窗口33相应为A11、A12、A13和A14，与第二沟槽30分别对应的第二阀套窗口相应为B11、B12、B13和B14。第一沟槽A1、A2、A3、A4在单台肩阀芯的台肩21的左侧沿台肩21的圆周方向均匀地间隔分布，第二沟槽B1、B2、B3、B4在单台肩阀芯的台肩21的右侧沿台肩21的圆周方向均匀地间隔分布。

作为本实用新型的优选实施方式，如图7-11所示，第一沟槽29和第二沟槽30各自的相对的两个侧壁为相互匹配的圆弧形凹面和圆弧形凸面，并且，圆弧形凹面的朝向与单台肩阀芯18的转动方向相反。这种结构有利于激振器内液压油流场的连续，减少振动和噪声，提高其工作效率和动态性能。

如图10和11所示，第一沟槽29的圆弧形凹面与单台肩阀芯18的台肩21的外圆周面的交线为第一交线M₁N₁，第一沟槽的圆弧形凸面与单台肩阀芯的台肩21的外圆周面的交线为第二交线M₂N₂；第二沟槽30的圆弧形凹面与单台肩阀芯的台肩21的外圆周面的交线为第三交线M₃N₃，第二沟槽30的圆弧形凸面与单台肩阀芯的台肩21的外圆周面的交线为第四交线M₄N₄。

假设第一横截面和第二横截面是单台肩阀芯18的台肩21 两个横截面，并且，第一横截面到单台肩阀芯18的位于第一沟槽29一侧的台肩端面的距离同第二横截面到单台肩阀芯的位于第二沟槽一侧的台肩端面的距离相同；第一横截面的圆心为O₄，第二横截面的圆心为O₅，O₄和O₅均在单台肩阀芯18的台肩21的中轴线上。那么，第一沟槽29的第一交线M₁N₁与单台肩阀芯的台肩21的第一横截面的交点为第一交点，第一沟槽29的第二交线M₂N₂与单台肩阀芯的台肩21的第一横截面的交点为第二交点；第二沟槽30的第三交线M₃N₃与单台肩阀芯的台肩21的第二横截面的交点为第三交点，第二沟槽30的第四交线M₄N₄与单台肩阀芯的台肩21的第二横截面的交点为第四交点。第一沟槽29的第一交点同第一横截面的圆心O₄的连线为第一连线，第一沟槽的29第二交点同第一横截面的圆心O₄的连线为第二连线，第二沟槽30的第三交点同第二横截面的圆心O₅的连线为第三连线，第二沟槽30的第四交点同第二横截面的圆心O₅的连线为第四连线。

在图8和图9中，O₄和O₅重合，为方便标注，O₄和O₅均以O来表示。

如图9所示，任两个相邻的第一沟槽（如A2、A3）的第一连线OI、OJ之间的夹角的角度是任一单个第一沟槽（如A1）的第一连线OA与第二连线OB之间的夹角的角度

的4倍。对于任两个最邻近的第一沟槽（如A4）和第二沟槽（如B4）而言，第一沟槽A4的第一连线OE与同其最邻近的第二沟槽B4的第三连线OF的夹角的角度

或者是任一单个第一沟槽（如A1）的第一连线OA与第二连线OB之间的夹角的角度

的2倍，或者是任一单个第二沟槽B3的第三连线OC与第四连线OD之间的夹角的角度

的2倍。

如图8所示，对任两个相邻的两个第二沟槽（如B2、B3）而言，第二沟槽B₂的第三连线OG与第二沟槽B₃的第三连线OH之间的夹角的角度

是任一单个第二沟槽（如B1）的第三连线OC与第四连线OD之间的夹角的角度

的4倍。同样，由图8亦可以看出，对于任两个最邻近的第一沟槽（如A4）和第二沟槽（如B4）而言，第一沟槽A4的第一连线OE与同其最邻近的第二沟槽B4的第三连线OF的夹角的角度或者是任一单个第一沟槽（如A₁）的第一连线OA与第二连线OB之间的夹角的角度的2倍，或者是任一单个第二沟槽B3的第三连线OC与第四连线OD之间的夹角的角度

的2倍。

由此可以保证，当台肩21一侧的第一沟槽29刚好被阀套17完全遮蔽时，台肩21另一侧的第二沟槽30恰好刚开始打开，使第一流道31的开口O2能够始终与第一沟槽29、第二沟槽30中的一个保持连通状态，从而使激振装置始终保持在一个工作状态下。

假设单台肩阀芯的台肩21的两侧间隔地均匀布置的第一沟槽29和第二沟槽30的数量均为z；单台肩阀芯18的转速为n(r/min)；单台肩阀芯18每转一周，每个第一沟槽和第二沟槽各自与同其对应的阀套窗口的连通次数为m；则电液激振器的工作频率

。由上式可知，本实用新型通过改变单台肩阀芯18的转速（即步进电机转速）或第一沟槽29和第二沟槽30的数量这两种方式，可以调节电液激振器的频率，实现对液流方向的高速切换。

本实用新型电液激振器的工作过程为：当单台肩阀芯18转到如图3、图8和图10所示的位置时，电液激振器处于单作用活塞杆向左运动（即朝第一腔外运动）的第一工作状态，此时，由进油口P流进第四腔28的液压油通过处于导通状态的第二沟槽30和第二阀套窗口34，经过第一流道的另一端开口O2进入第一流道31，然后经第一流道的一端开口O1进入无杆腔26；同时，供油系统的液压油通过进油口P、与进油口P连通的第二流道另一端开口O4进入第二流道32，然后经第二流道的一端开口O3进入有杆腔25，此时，单作用活塞杆15的活塞16两侧的有杆腔25和无杆腔26同时通高压油，构成差动连接。由于活塞两侧高压油的作用面积不同，因而推动单作用活塞杆15向左运动。当单台肩阀芯18转过

角度位于如图4、图9和图11所示的位置时，电液激振器处于单作用活塞杆向右运动（即朝第一腔内运动）的第二工作状态，供油系统的液压油通过进油口P、与进油口P连通的第二流道另一端开口O4进入第二流道32，然后经第二流道的一端开口O3进入有杆腔25，无杆腔26中的液压油经第一流道的一端开口O1进入第一流道31，然后再经过第一流道的另一端开口O2、处于导通状态的第一阀套窗口33和第一沟槽29进入第三腔27，最后第三腔中的液压油通过回油口T流回油箱10。由于有杆腔25中通高压油，无杆腔26中通低压油，单作用活塞杆15的活塞16两侧的油液压力不同，推动单作用活塞杆15向右运动。由此，本实用新型电液激振器通过步进电机12驱动单台肩阀芯18旋转实现了液压缸工作腔的流量大小及方向发生周期性变化，从而实现单作用活塞杆15作周期性往复运动，最终带动负载质量块35在直线导轨36上作高频往复振动。另外，本实用新型电液激振器功率大、流量大、推力大、高频性能好，负载自适应强，大大降低结构尺寸，缩短液压连接管路长度，有效地减少沿程压力损失。

另外，作为一种优选实施方式，如图1所示，本实用新型电液激振器的液压供油系统11可由冷却器1、液压泵2、节流阀3、单向阀4、流量计5、压力表6、蓄能器7、电磁溢流阀8、过滤器9和油箱10组成。其中，节流阀3对液压供油系统进行旁路节流，调节系统流量，通过电磁溢流阀8调定系统压力，通过蓄能器7吸收高频工况下系统压力波动，进油口P处安装的流量计5和压力表6进行系统部分流量和压力的测定。

如图1所示，将本实用新型电液激振器应用到电液激振器液压系统时，将单作用活塞杆15与外部的负载质量块35连接，单作用活塞杆15能够带动负载质量块35在直线导轨36上作直线往复运动；ICP加速度传感器37、数据采集与信号分析仪38、计算机39、频率控制器40依次连接，且ICP加速度传感器37与负载质量块35连接，频率控制器40与步进电机12连接。

电液激振器液压系统工作时，步进电机12按照一定的转动速率带动单台肩阀芯18旋转以实现激振装置的高频换向。激振装置因高频换向而产生振动信号，该振动信号通过负载质量块35传递给加速度传感器。加速度传感器优选使用ICP加速度传感器37。加速度传感器将测量得到的振动信号通过数据采集与信号分析仪38传送到计算机39。计算机将所接收到的振动信号与预先设定的理想振动信号进行比较。进一步，计算机依据比较结果通过对频率控制器40进行调节，由此，计算机通过对频率控制器40的控制来对步进电机12的转动速率进行相应的调节，从而带动单台肩阀芯18以新的转动速率进行旋转，并相应改变激振装置的高频换向频率以及因高频换向而产生的振动信号，最终使计算机39所接收到的振动装置产生的实际振动信号与预先设定的理想振动信号一致，从而实现整个电液激振器液压系统的闭环控制。

通常在实际应用中，计算机可将所接收到的振动装置的实际振动信号的峰值与预先设定的理想振动信号的峰值进行比较：如果理想振动信号的峰值大于实际振动信号的峰值，则计算机39通过控制频率控制器40使步进电机12减速；如果理想振动信号的峰值小于实际振动信号的峰值，则计算机39通过控制频率控制器40使步进电机12加速；如果理想振动信号的峰值等于实际振动信号的峰值，则计算机39通过控制频率控制器40使步进电机12的转动速率保持不变。步进电机12又进一步通过联轴器13带动单台肩阀芯18旋转来实现激振装置的高频换向，从而完成整个电液激振器液压系统的闭环控制。

本实用新型这种根据激振装置因高频换向而产生的振动信号来调节步进电机的转动速率，进而又依据步进电机12的转动速率的改变来使单台肩阀芯18的转动速率发生变化，从而改变激振装置的高频换向频率并相应改变激振装置的振动信号的闭环控制方法，具有控制精度高、能量利用率高的优点。

本说明书实施陈述的内容只是对实用新型构思的实现形式的列举，本实用新型的保护范围不应当被视为只局限于实施所示的具体方式，而应当涉及于本领域技术人员根据本实用新型构思所能够思考到的等同技术方式。

Claims

1.一种电液激振器，包括步进电机和激振装置，其特征在于：所述激振装置包括设有容腔的壳体，所述容腔由隔板分隔成第一腔和第二腔；所述第一腔内置有单作用活塞杆，第一腔由单作用活塞杆的活塞分隔成有杆腔和无杆腔；

2.根据权利要求1所述的电液激振器，其特征是：所述第一沟槽和/或第二沟槽沿单台肩阀芯的台肩的圆周方向均匀分布。

3.根据权利要求1所述的电液激振器，其特征在于：所述阀套在第一沟槽和第二沟槽所在的位置处均开有相应的阀套窗口。

4.根据权利要求3所述的电液激振器，其特征在于：第一沟槽和第二沟槽各自的两个相对的侧壁为相互匹配的圆弧形凹面和圆弧形凸面，所述圆弧形凹面的朝向与单台肩阀芯的转动方向相反。

5.根据权利要求4所述的电液激振器，其特征在于：第一沟槽的所述圆弧形凹面与单台肩阀芯的台肩的外圆周面的交线为第一交线，第一沟槽的所述圆弧形凸面与单台肩阀芯的台肩的外圆周面的交线为第二交线，第一沟槽的第一交线与单台肩阀芯的台肩的第一横截面的交点为第一交点，第一沟槽的第二交线与单台肩阀芯的台肩的第一横截面的交点为第二交点；第二沟槽的所述圆弧形凹面与单台肩阀芯的台肩的外圆周面的交线为第三交线，第二沟槽的所述圆弧形凸面与单台肩阀芯的台肩的外圆周面的交线为第四交线，第二沟槽的第三交线与单台肩阀芯的台肩的第二横截面的交点为第三交点，第二沟槽的第四交线与单台肩阀芯的台肩的第二横截面的交点为第四交点；第一横截面到单台肩阀芯的位于第一沟槽一侧的台肩端面的距离同第二横截面到单台肩阀芯的位于第二沟槽一侧的台肩端面的距离相同；