CN209356153U - 一种高频颤振实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高频颤振实验装置，包括底座、颤振缸、载荷传感器、重块、激光位移传感器、变速器、转矩转速传感器、液压马达、交流阀、阀底板、伺服阀、压力传感器、数据采集系统、控制器、第一油箱和第二油箱，所述底座左上端安装有颤振缸，颤振缸上置设有重块，重块底部固连有载荷传感器；所述颤振缸底部的立板顶部设有激光位移传感器；所述底座右上端的阀底板上安装有交流阀，交流阀右端连接有伺服阀，交流阀左端连接有变速器，变速器上端连接有液压马达，液压马达的输出轴上安装有转矩转速传感器；所述交流阀通过油管连接颤振缸与第一油箱，油管上安装有压力传感器。本实用新型能够用于对电液颤振发生器的流固耦合振动的实验研究。

Description

一种高频颤振实验装置

【技术领域】

本实用新型涉及电液颤振器的技术领域，特别是高频颤振实验装置的技术领域。

【背景技术】

传统液压振动技术的优点是：输出功率大，能量利用率高，输出特性易于调节，机构简单，运行可靠，适宜在特殊作业环境下工作。但振动频率还不够高，最尖端的电液伺服振动台的工件频率仅为1000Hz。因此，传统液压振动技术通常应用于低频、大推力振动领域。

近些年来，工程中对于大激振力、高频微幅(振幅从2μm到100μm，频率从数Hz到数kHz)且小体积振动器的需求越来越迫切。举例1，振动辅助加工(Vibration AssistedMachining，简称VAM)。C.K.Toh等(2004)利采用了小型电磁振动台研究了高速铣削(HSM)与VAM结合加工高硬度钢，验证了工件在工作台上同时进行颤振和高速铣削的切削性能，对比研究了工件振动方向与刀具不同夹角时的切削力与加工表面质量，并探索了振动辅助的工艺参数。大量的研究及工程实践表明，振动辅助加工能延长刀具寿命、提高工作表面加工质量和形状精度、抑制毛刺、增加脆硬材料的延性。在生产中推广C.K.Toh切削技术的难点是现有的电磁振动台不能提供更大推力以实现较重工件的振动，显然将大型电磁振动器安装到铣床上不合适，也是不经济的。

举例2，振动消除应力技术(Vibratory Stress Relief，简称VSR)，也称作振动时效。振动时效既古老又先进，两个世纪前就被应用于生产中，即“锤击松弛法”，它的原理是在激振器的周期性外力作用下，使构件共振，进而松弛残余应力，提高构件的松弛刚度，使其尺寸稳定。与传统的自然时效和热时效相比，振动时效的优势极其明显。因此，广泛地应用于桥梁、船舶、化工器械等的大型焊接件和重型铸件的时效处理，如将电磁振动器夹固在工件上，通过扫频的方式寻找工件共振峰进行亚共振时效(通常振动频率低于500Hz)。浙江大学何闻教授等(2008)研究发现，高频振动时效(频率达数kHz的微幅振动)除具有消除工件残余应力作用外，还能保护工件不受疲劳损伤并有应力均化作用，效果最好。问题是现有的小型电磁式振动器在数kHz的高频振动时输出的激振力太小不足以使工件产生共振。

为适应对大激振力、高频微幅振动器的需求，基于流固耦合的振动特性，故而可以提出一种新型高频电液颤振发生器结构，其工作原理是利用一种新结构的旋转轴配流交流阀输出激振流使单作用液压缸的弹性端进行高频颤振。

上述电液颤振器输出的振动是交流液压流体与液压缸弹性端的耦合振动。人们对流固耦合现象的早期认识源于飞机工程中的气动弹性问题，之后研究热点一度集中到液力偶合器泵轮与涡轮叶片及水轮机叶片上的流固耦合振动问题、储液容器的振荡问题、液压传动系统中的流固耦合振动问题。通过对不同流固耦合问题的研究，人们提出了多种流固耦合问题的计算方法，主要是弱耦合方法和强耦合方法，最具代表性的分别是Moiseev和Paidoussis M P的研究理论。Matej Vesenjak等对流体中薄悬臂梁结构的颤振特性进行了分析，提出了一种流固耦合计算方法。K.Namkoong等研究了充满流体的腔中竖直板的振动，并将三维问题转化为二维问题，开发了一个可以直接求解混合统一方程的方法。清华大学的王正伟和梁权伟对混流式水轮机转轮在水介质中的模态特性进行了研究，运用流固耦合的三维有限元方法得到了水轮机的转轮在水中的自振频率和振型等振动特性。陈海俊等研究了铁路罐车满载时的液固耦合振动问题，提出了依据广义变分原理和有限元的数值方法。在液压传动系统内流固耦合振动的研究中，国防科大郭正等研究了安溢活门/气罐系统充放气动态特性，采用流固耦合数值模拟技术，计算得到开阀和关阀过程中弹性元件的动态响应特性。山东大学王勇等在考虑流固耦合作用下对控制阀阀体、阀心进行了应力分析，得出了不同阀心型线对阀前后压降的影响，优化了阀体结构。陈彬等对由于自激振动以及启闭动作产生水击诱发非线性耦合振动现象的机理进行理论分析，运用特征线法获得换向阀水击振动的动态特性。

电液颤振器流固耦合振动的特殊性在于：这是一种受控交流液压流体在封闭腔室内作用在弹性体上引发的耦合振动，研究如何利用流固耦合的振动特性来实现所要求的颤振性能。由于封闭容腔较小，封闭容腔内的流体振动波叠加效应会更显著，可能出现驻波，使研究更为复杂。

由于交流液压振动技术的发展历史较短，在许多方面还不够完善，对于交流液压振动系统的设计方法与原则、振动的稳定性、控制元件的可靠性、关键零部件的匹配问题等诸多方面需要深入研究。为了对高频颤振器的流固耦合振动问题进行实验研究，需要一种高频颤振实验装置。

【实用新型内容】

本实用新型的目的就是解决现有技术中的问题，提出一种高频颤振实验装置，能够用于对电液颤振发生器的流固耦合振动的实验研究。

为实现上述目的，本实用新型提出了一种高频颤振实验装置，包括底座、颤振缸、载荷传感器、重块、激光位移传感器、变速器、转矩转速传感器、液压马达、交流阀、阀底板、伺服阀、压力传感器、数据采集系统、控制器、第一油箱和第二油箱，所述底座左上端安装有颤振缸，颤振缸上置设有重块，重块底部固连有载荷传感器；所述颤振缸顶部横向置设有测距板，颤振缸底部置设有立板，立板顶部设有激光位移传感器，激光位移传感器下方与测距板相对；所述底座右上端设有阀底板，阀底板上安装有交流阀，交流阀右端连接有伺服阀，交流阀左端连接有变速器，变速器上端连接有液压马达，液压马达的输出轴上安装有转矩转速传感器，液压马达通过油管连接有第二油箱；所述交流阀通过油管连接颤振缸与第一油箱，油管上安装有压力传感器；所述载荷传感器、激光位移传感器、转矩转速传感器、压力传感器均与数据采集系统电性连接，数据采集系统与控制器电性连接。

作为优选，所述颤振缸为单作用无活塞液压缸。

作为优选，所述颤振缸包括活动端盖、弹性端盖、颤振缸缸体、负载固定板、固定端盖、锁紧螺母和螺杆；所述颤振缸缸体右端连接有弹性端盖，弹性端盖右端连接有负载固定板；所述颤振缸缸体内部配合有活动端盖，活动端盖左端连接有螺杆，螺杆上端配合有锁紧螺母，锁紧螺母右端面配合有固定端盖，固定端盖固定于颤振缸缸体左端。

作为优选，所述变速器为齿轮增速机构。

作为优选，所述所述交流阀为三通型轴配流转动换向阀，交流阀为2D阀。

作为优选，所述数据采集系统包括示波器，示波器为多通道记忆示波器。

作为优选，所述立板为L型薄板结构。

本实用新型的有益效果：

本实用新型能够用于对电液颤振发生器的流固耦合振动的实验研究。

本实用所提出的装置可以进行如下实验：研究通过改变液压马达的转速，实现不同负载、不同结构弹性元件的颤振缸的极限振动频率、最大振幅、激振力、相应颤振器的振动特性等；研究在一定负载下，改变颤振缸的工作容积，颤振器的相应振动特性与压力特性；研究达到颤振缸谐振频率时的振动特性；研究在一定负载下，改变颤振缸输出端的弹性刚度，颤振器的相应振动特性。

本实用新型的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

【附图说明】

图1是本实用新型一种高频颤振实验装置的结构原理图；

图2是本实用新型一种高频颤振实验装置的颤振缸结构原理图。

图中：1-底座、2-颤振缸、21-活动端盖、22-弹性端盖、23-颤振缸缸体、24-负载固定板、25-固定端盖、26-锁紧螺母、27-螺杆、3-载荷传感器、4-重块、5-激光位移传感器、6-变速器、7-转矩转速传感器、8-液压马达、9-交流阀、10-阀底板、11-伺服阀、12-压力传感器、13-数据采集系统、14-控制器、15-第一油箱、16-第二油箱、17-测距板、18-立板。

【具体实施方式】

参阅图1、图2，本实用新型，包括底座1、颤振缸2、载荷传感器3、重块4、激光位移传感器5、变速器6、转矩转速传感器7、液压马达8、交流阀9、阀底板10、伺服阀11、压力传感器12、数据采集系统13、控制器14、第一油箱15和第二油箱16，所述底座1左上端安装有颤振缸2，颤振缸2上置设有重块4，重块4底部固连有载荷传感器3；所述颤振缸2顶部横向置设有测距板17，颤振缸2底部置设有立板18，立板18顶部设有激光位移传感器5，激光位移传感器5下方与测距板17相对；所述底座1右上端设有阀底板10，阀底板10上安装有交流阀9，交流阀9右端连接有伺服阀11，交流阀9左端连接有变速器6，变速器6上端连接有液压马达8，液压马达8的输出轴上安装有转矩转速传感器7，液压马达8通过油管连接有第二油箱16；所述交流阀9通过油管连接颤振缸2与第一油箱15，油管上安装有压力传感器12；所述载荷传感器3、激光位移传感器5、转矩转速传感器7、压力传感器12均与数据采集系统13电性连接，数据采集系统13与控制器14电性连接。

具体的，所述颤振缸2为单作用无活塞液压缸。

具体的，所述颤振缸2包括活动端盖21、弹性端盖22、颤振缸缸体23、负载固定板24、固定端盖25、锁紧螺母26和螺杆27；所述颤振缸缸体23右端连接有弹性端盖22，弹性端盖22右端连接有负载固定板24；所述颤振缸缸体23内部配合有活动端盖21，活动端盖21左端连接有螺杆27，螺杆27上端配合有锁紧螺母26，锁紧螺母26右端面配合有固定端盖25，固定端盖25固定于颤振缸缸体23左端。

具体的，所述变速器6为齿轮增速机构。

具体的，所述所述交流阀9为三通型轴配流转动换向阀，交流阀9为2D阀。

具体的，所述数据采集系统13包括示波器，示波器为多通道记忆示波器。

具体的，所述立板18为L型薄板结构。

本实用新型工作过程：

本实用新型一种高频颤振实验装置在工作过程中，结合附图进行说明。

颤振缸2为可变容积的单作用弹性液压缸结构。颤振缸2的结构特点是：左侧活动端盖21能够改变液压缸的工作容积，从而调节液压固有频率；右侧弹性端盖22输出振动。

电液颤振器垂直固定在实验台架上，如附图1所述，两个油源分别为主油路和驱动交流阀9的液压马达8供油。将重块4经载荷传感器3固定在颤振缸2的输出端上，载荷传感器3检测液压缸的输出激振力；一只激光位移传感器5检测振幅。此外，转矩转速传感器7测液压马达8的输出转速和转矩；交流阀9安装底板油口A和P安装压力传感器12，测量相应位置的压力。传感器信号均接入数据采集系统13，再由控制器进行处理，即传感器信号接入多通道记忆示波器直接显示，同时接入MATLAB硬件配套测试系统，该硬件测试系统具有16个输入/输出通道，结合MATLAB下的REALTIME WORKSHOP可以进行传感器的信号采集，采集的信号配合MATLAB下强大的数据处理功能可以完成实验数据处理工作。

本实用新型，能够用于对电液颤振发生器的流固耦合振动的实验研究。

本实用所提出的装置可以进行如下实验：研究通过改变液压马达的转速，实现不同负载、不同结构弹性元件的颤振缸的极限振动频率、最大振幅、激振力、相应颤振器的振动特性等；研究在一定负载下，改变颤振缸的工作容积，颤振器的相应振动特性与压力特性；研究达到颤振缸谐振频率时的振动特性；研究在一定负载下，改变颤振缸输出端的弹性刚度，颤振器的相应振动特性。

上述实施例是对本实用新型的说明，不是对本实用新型的限定，任何对本实用新型简单变换后的方案均属于本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种高频颤振实验装置，其特征在于：包括底座(1)、颤振缸(2)、载荷传感器(3)、重块(4)、激光位移传感器(5)、变速器(6)、转矩转速传感器(7)、液压马达(8)、交流阀(9)、阀底板(10)、伺服阀(11)、压力传感器(12)、数据采集系统(13)、控制器(14)、第一油箱(15)和第二油箱(16)，所述底座(1)左上端安装有颤振缸(2)，颤振缸(2)上置设有重块(4)，重块(4)底部固连有载荷传感器(3)；所述颤振缸(2)顶部横向置设有测距板(17)，颤振缸(2)底部置设有立板(18)，立板(18)顶部设有激光位移传感器(5)，激光位移传感器(5)下方与测距板(17)相对；所述底座(1)右上端设有阀底板(10)，阀底板(10)上安装有交流阀(9)，交流阀(9)右端连接有伺服阀(11)，交流阀(9)左端连接有变速器(6)，变速器(6)上端连接有液压马达(8)，液压马达(8)的输出轴上安装有转矩转速传感器(7)，液压马达(8)通过油管连接有第二油箱(16)；所述交流阀(9)通过油管连接颤振缸(2)与第一油箱(15)，油管上安装有压力传感器(12)；所述载荷传感器(3)、激光位移传感器(5)、转矩转速传感器(7)、压力传感器(12)均与数据采集系统(13)电性连接，数据采集系统(13)与控制器(14)电性连接。

2.如权利要求1所述的一种高频颤振实验装置，其特征在于：所述颤振缸(2)为单作用无活塞液压缸。

3.如权利要求1所述的一种高频颤振实验装置，其特征在于：所述颤振缸(2)包括活动端盖(21)、弹性端盖(22)、颤振缸缸体(23)、负载固定板(24)、固定端盖(25)、锁紧螺母(26)和螺杆(27)；所述颤振缸缸体(23)右端连接有弹性端盖(22)，弹性端盖(22)右端连接有负载固定板(24)；所述颤振缸缸体(23)内部配合有活动端盖(21)，活动端盖(21)左端连接有螺杆(27)，螺杆(27)上端配合有锁紧螺母(26)，锁紧螺母(26)右端面配合有固定端盖(25)，固定端盖(25)固定于颤振缸缸体(23)左端。

4.如权利要求1所述的一种高频颤振实验装置，其特征在于：所述变速器(6)为齿轮增速机构。

5.如权利要求1所述的一种高频颤振实验装置，其特征在于：所述交流阀(9)为三通型轴配流转动换向阀，交流阀(9)为2D阀。

6.如权利要求1所述的一种高频颤振实验装置，其特征在于：所述数据采集系统(13)包括示波器，示波器为多通道记忆示波器。

7.如权利要求1所述的一种高频颤振实验装置，其特征在于：所述立板(18)为L型薄板结构。