地震体验装置液压系统设计研究_毕业设计.doc

湖北理工学院 毕业设计（论文）地震体验装置液压系统设计研究摘要 地震体验系统是利用一套激振系统来模拟地震的装置，凭借地震的波形（）和频率（）以及其他的相关参数，在一维方向上把地震的模拟效果进行比较精确模拟，让地震体验的人们体验地震发生时所获得的感受和感应。其次，利用对抗震模式的相关设计还可以用来验证不同抗振材料或结构对地震的抗震效果。地震体验系统让人们通过体验各震级地震，让体验者消除地震恐惧，学会震时自救。为了考虑到体验者的安全，提振体验系统的水平加速度比真正的地震要小得多，这样可以防止体验者摔倒。 地震体验系统也可以采用伺服螺旋机构的电液伺服阀作为激振器核心, 利用电液伺服制器进行全数字制, 振动台架结构选择非减震以及减震两种体验模式,能够实时显示采集的地震波形和频率, 并依靠地震震感程度选取合适的地震参数。 地震体验系统可以真实再现某一个振动方向上的地震波, 创造真实地震体验的氛围。 最后，由于伺服阀等的非线性影响及体验装置内部各各部分的共同作用，地震体验装置实质上是一个非常烦杂的非线性系统装置,为进一步调整及优化提出了一系列的设想和展望。希望大家能够了解我的设计研究。 关键词:地震，电液伺服控制系统，控制阀1research on design of hydraulic system for the earthquake-experienced systemabstract the seismic experience system is a set of excitation system to simulate seismic devices, by virtue of the earthquake waveform () and frequency () and other relevant parameters, accurate simulation of the direction of the one-dimensional simulation of the effect of the earthquake, earthquake experiencepeople to experience the feelings of the earthquake. secondly, the design of the anti-shake mode can also be used to verify the effect of different damping materials or structures for earthquake seismic. the earthquake experience systems allow people to experience magnitude earthquake experience to eliminate the fear of earthquakes, learn self-help earthquake. in order to take into account the experience of safety, boost the experience level acceleration is much smaller than the real earthquake, which prevents the experience of those who fall. earthquake experience system also can be used the servo screw hydraulic servo valve as the exciter core, the use of electro-hydraulic servo system for all-digital system, vibration rig structure to select non-shock absorption and cushioning two experiential model can be displayed in real timethe seismic waveform and frequency, and rely on the degree of earthquake was felt in selecting the appropriate seismic parameters. earthquake experience can be a true representation of a vibration direction of seismic waves to create the atmosphere of a real earthquake experience. finally, due to the combined effect of servo valve, the non-linear effects and stand the test piece, the earthquake experience device is essentially a very complicated non-linear system. for a better understanding of the principle of his work, using a series linearization method, my thesis in the sophisticated equipment makeup of the electro-hydraulic servo shaking table and it works on the basis of the earthquake experience relevant a mathematical model to further adjust and optimize a series of visions and perspectives. i hope you can understand my design studies. key words:earthquake, electro-hydraulic servo control, digital valve2目录地震体验装置液压系统设计研究1摘要1abstract2目录3符号说明5第一章绪论71.1本课题研究的背景与意义71.1.1本课题的研究背景71.1.2本课题的选题意义81.2国内外研究发展现状91.2.1国内外振动台的发展91.2.2液压系统国内外发展现状121.3本课题研究方法和内容131.4本章小结14第二章液压系统功能原理设计152.1系统的性能指标的确立152.2系统功能设计162.2.1液压系统的重要参数172.2.2动力和运动分析182.3液压系统原理设计192.4本章小结21第三章 液压泵和电机，液压缸和阀的选取223.1液压泵和电机223.2液压缸的选取223.3阀的选用243.3.1电液伺服阀243.3.2其他类型阀的选用配置263.4液压系统辅件273.5液压介质293.6本章小结29第四章总结与展望304.1论文总结304.2以后此课题研究的思路和方向30参考文献31致谢32符号说明名称符号名称符号滚动摩擦系数机械效率加速度a工作压力活塞杆外径d流量q液压固有频率液压缸的行程l材料的屈服点s液压缸壁厚缸筒径向变形d缸筒材料泊桑系数缸筒的爆裂压力pe焊缝拉应力焊缝底径d2焊接效率阀芯台阶半径r弓形重叠面积a0蓄能器容量v液压泵的流量液压桥流速增益流量增益阀芯位移小孔半径阀芯质量速度系数液压缸总容积阻尼比总泄露技术重力加速度g台架及负载总质量m油源压力液压缸内经d液压缸有效工作面积a泄露系数k油压的体积弹簧模量eh材料的拉压强度液压缸外径缸筒发生完全塑性变形压力阀芯初始重叠面积的弓形高度缸筒耐压实验压力缸筒材料弹性模数e液压缸底部厚度缸底材料许用应力液压缸输出的最大推力阀芯重叠面积的弓形高度h螺旋槽升角阀芯的转动角位移油液损失系数2d阀芯末端面积流量/压力系数作用在活塞上的外负载力液压伺服螺旋机构的阻尼比活塞和负载的粘性阻尼系数第一章绪论1.1本课题研究的背景与意义1.1.1本课题的研究背景地震，又称地动、地振动，是地球上经常发生的一种自然现象。由于地壳运动引起的地球表层的快速振动，地壳快速释放能量过程中造成的振动，期间会产生地震波。也是地壳运动的一种特殊表现形式。地球，可分为三层。中心层是地核，地核主要是由铁元素组成；中间是地幔；外层是地壳。地震一般发生在地壳之中。地壳内部在不停地变化，由此而产生力的作用（即内力作用），让地壳的岩层产生变形、断裂、变形、错动，便发生了地震现象。超级地震指的是震波极其强烈的大地震。可是地震的发生率大概在10%20%之间，其程度是原子弹破坏的数十倍，因此大地震影响相当广泛，是十分具有破坏力的。地震，是地球内部发生的急剧破裂震波的产生，便在某些情况下引起地面的振动。地面的剧烈振动，古代称之为地动。它就像龙卷风、海啸、冰冻等天然灾害一样，是地球上经常发生的一种自然灾害。在海底或滨海地区发生的强烈地震，能引起巨大的波浪，称为海啸。地震是极其频繁的，全球每年发生地震约五百五十万次。地震会造成相当严重人员伤亡，我们要及时体验到地震的到来保护自身的生命财产安全，其次，地震能够引起水灾、火灾、细菌、有毒气体泄漏及放射性物质扩散，不仅如此，地震还会造成其他多种次生灾害。 地震核变成因论：地震是地幔中核变的及时效应在地壳上的表象。地幔的长期沉淀、析出、分层，在地球深处形成较纯净的核裂变（如铀等）物质圈，同时由于地幔的长期析出或内部物质的生成析出或地幔对地表的液态、气态物质（如海水、石油、空气等）的吸入、热解，在地幔的上层（地幔、地壳之间）聚集了较为纯净的核聚变物质（如氢等）。地幔的对流造成核裂变物质相遇，以超过临界体积，发生核裂变，（如果此时附近存有核聚变物质）进而引发核聚变，产生瞬间极速膨胀，反弹地壳产生纵波，纵波拉伸地壳产生横波。中国地质学院专家提出：石油是地球母亲的血液，对地球内部板块与板块之间起到了缓冲、粘附和减压的作用。而过度开采过石油的地层像泄了气的皮球一样会萎缩、塌陷，板块与板块间的平衡性被破坏所产生相应的条件反射，结果必然会导致频繁地出现地震、地陷等自然灾害。 地球上每天都会发生地震，地震的出现有它的偶然性和必然性，基本上目前地震是无法提前预测的。 通过历史上发生地震记录的数据，知道的伤亡灾害多来自于建筑物的倒塌，由于很多人没有体验过地震，没有适时的心理准备，会使在地震来的时候惊慌失措，导致伤亡。虽然目前对地震的理论研究有很多，如果要真真去体验地震，一般需要到体验装置台上对模型进行体验验证感受。现在利用地震模拟振动台对模型和理论进行验证和优化是公认的最能模拟真实的地震发生环境的举措之一。 地震体验装置是包括土木建设、振动、电子、机械液压传动、自动控制和计算机技术等在内的多学科综合的体验装置设计。对工作方式来说利用电液伺服液压系统控制的手段，来进行地震体验装置的控制，在该系统的工作中完成比较真实的地震体验模拟。在其他领域，电液伺服液压系统也在广泛的被应用着。1.1.2本课题的选题意义 我们在对地震原理研究过程中，一般需要到模拟试验台上进行验证和优化的工作，地震体验装置就为我们提供了很好的方法和手段。地震体验装置作为地震试验的主要设备，其性能的程度都直接影响到试验的结果，对地震防范工作的展开，在国民经济发展中占有很重要的位置。另外，它的发展水平在某种程度上也反映了一个国家的工业发展水平。所以，各个国家对地震的研究都非常的重视，都花了很多钱在研究地震上面。 我们国家地大物博，所以在地震发生的比率相对较大，例如在喜马拉雅一地中海地震带和环太平洋地震带上，地震活动活跃，发生地震频率较大。地震体验提高全民防震抗震意识。地震体验装置被应用于大型科学馆，教学实验室，地震预防馆，建筑材料研究展览馆等需要体验的地方。所以普及地震的相关知识和掌握避震抗震技巧是预防地震灾害的重要手段我们都要掌握这些求生手段。 地震体验装置是利用装置的运动对模拟地面上的运动的模拟，在这个过程中，进行结构或模型的动力特性和动力反应的试验。这个实验能再现不同形式的地震波形，能在体验装置上直接观测体验地震装置对各个试体的影响。该体验装置可以反映出地震的震级和在该震级上的震感以及对模拟地面建筑物的反应，但是地震体验装置所反映出来的模拟真实情况与真实情况还存在一定的误差，关键在于所参考的数据有遗漏和不全面，方便进一步的提高地震数据反映精度。 对于液压装置来说，它能够实现快速响应，易于实现自动化、过载保护和直线运动，输出力大，制动和换向、执行频繁启动等动作。考虑到液压装置有的这些优点，就目前地震模拟振动台大都采用液压驱动方式，所以还是比较有效率的。在多电机的驱动情况下，其能够通过液压缸中液体的自身弹性达到同步控制的目的，所以可以看出该液压驱动属于力封闭控制。 我所研究的研究设计的地震体验装置，是采用电液伺服控制系统，对于帮助人们了解地震的感性认识，该地震体验装置的模拟成果是可以感受到的。这就为这套地震体验系统的提出奠定了应用基础。本课题所研究设计的是整个地震体验装置的液压系统。1.2国内外研究发展现状1.2.1国内外振动台的发展 振动台试验的目的是在于确定所设计、制造的机器、构件在运输和使用过程中承受外来振动或者自身产生的振动而不至破坏，并发挥其性能、达到预定寿命的可靠性。随着对产品，尤其是航空航天产品可靠性要求的提高，作为可靠性试验关键设备的振动台液压系统发展显得越来越重要了。 60年代，702所的振动台可以满足航天产品振动区域的需求，它对振动台系统的研制研发，包括推力20n至80kn的振动台以及各种传感器和振动测量仪表。目前，702所的振动台不仅仅在航天领域并且在其他行业中发挥着极其重要的作用，成为702所的一项重要产品。用于振动的试验的振动台系统从其激振方式上可分为下面三类：1.机械式振动台2.电动式振动台3.电液式振动台。从振动台的激振方向上来分（工作台面的运动轨迹来分），可分为单自由度和多自由度振动台系统。从振动台系统的功能上来分，可分为单一的正弦振动试验台和可完成正弦、随机、正弦加随机等振动试验和冲击试验的振动台系统。 以下对各种振动台，主要对电动振动台，及其辅助设备的结构、性能和成本的现状及发展等进行简单的论述。发展到现在已经历了三代的功率放大器，由电子管放大器到晶体管线性放大器再到数字式开关放大器。其中一类开关式放大器是这些年几年外国开发出来的，它采用了晶体管开关的特性，可达到90%的高效率，管耗也很小，并且普通的线性放大器只有50%左右的效率。 本身开关放大器发热量就少，所以基本上无需考虑它的散热，几十千伏安的输出功率的放大器只需非常小的轴流风机就能将其冷却，使得设备的结构简单并且十分可靠。在低功率输出时开关式放大器失真度很大，不适用低功率输出的情况，而且放大器的机壳最好使用的电磁屏蔽方式来除去干扰，不然设备使用时会出现故障。 国内目前主要研究及应用现状:举如下两例： （1）中国地震局工程力学研究所1986年采用国产设备自行研制了双向振动台，1997年升级成三向振动台。 该振动台的主要技术参数如下: 台面尺寸:5mx5m;频率范围:0.540hz最大速度在水平方向上600 mm/s，竖直方向上300 mm/s 最大位移在水平方向上80 mm，竖直方向上50 mm;最大模型重量:30t; 最大加速度:水平:士1.0g，竖向:上0.7g;最大倾覆力矩:75 t*m。 该振动台全部机械和液压系统由国内制造,由工程力学研究所依靠国内技术力量建设完成，其中控制系统是工程力学研究所自己研发的。采集的数据系统也收录了国内许多公司的动态测试设备的数据。 （2）同济大学的地震模拟振动台，该设备预设为x, y两向振动台，但是90年代进行了多次改造，主要改造内容：双向振动台升级至三向六自由度;模型质量由15吨升级至25吨;控制系统和数据采集系统的升级等。目前，该振动台的主要技术参数如下:台面尺寸：4mx4m;最大模型质量:25t;频率范围：0.150hz;最大位移:x向：100mm, y向；50mm，z向：50mm最大重心高度:台面以上3000mm;最大速度:x向：1000 mm/s; y向和z向：600 mm/s;最大加速度:x向：4.0g(空载)/1.2g(负载15t ); y向：2.0g(空载)/0.8(负载15t); z向：4.0g(空载)/0.7g(负载15t):最大偏心:距台面中心600 mm。 该振动台实验室是土木工程防灾国家重点实验室的一部分，技术负责人为吕西林教授，目前已经完成试验项目数量近500项。据统计，在世界上已经运行的大型振动台中，该振动台的运行效率名列前茅。国外主要研究及应用现状： 国外一般都是电磁振动台来进行研究的，由于电磁振动台功能齐全、性能相较稳定、使用比较方便、场地整洁、安全可靠、失真度较小小等优点。使得国外的电磁振动台相比国内的振动台来说有较高的振动效率。国外的振动台具有精密型设计制造、体积小、超静音工作；特别是机台底座采用优质材料，安装方便，运行平稳，无需安装地脚螺丝；控制电路数字化控制与显示频率，pid调节功能，使设备工作更为稳定、可靠；扫频及定频操作方式，适应不同行业测试要求；增加抗干拢电路，解决因强电磁场对控制电路干扰；增加工作时间设定器，使测试产品达到准确测试时间。在国外电磁振动台广泛适用于国防、航空、航天、通讯、电子、汽车、家电、等行业。该类型设备用于发现早期故障，模拟实际工况考核和结构强度试验，产品应用范围广泛、适用面宽、试验效果显著、可靠。正弦波、调频、扫频、可程式、倍频、对数、最大加速度,调幅,时间控制,全功能电脑控制,简易定加速度/定振幅。设备通过连续无故障运转3个月测试，性能稳定，质量可靠。 以上分析能够分析，地震体验模拟振动台的几个发展趋势:1.控制技术方面向全数字发展2.大型足尺试验发展3.地震模拟振动台台阵发展。相对来说液压系统设计的发展有下面两大趋势: (1)从单个作动器发展向多个作动器保持同步作用的趋势; (2)从单向水平发展向双向、三向加转动合计多个自由度的运动的趋势。1.2.2液压系统国内外发展现状因为在液压机的液压系统和整机结构方面，已经相对以前成熟，可是国内外液压机的发展主要体现在控制系统这方面上。由于一些技术行业的快速发展，为改进液压机的性能、加工的效率的提高以及提高其稳定性等方面有了保证。国内外液压机系统虽然种类很多，涵盖很广，但技术还是比较低的，还没有技术高的高档液压机。由于国内外液压机的产品，通过已有的控制系统，可以将液压机分为三类：1.为应用高级微处理器的高性能液压机2.采用可编程控制器控制的液压机3.以继电器为主控元件的传统型液压机。这三类各有异同，应用范围也不会相同。但总体来说是向高速化、智能化的方向发展。（1）继电器是一种自动电器,它适用于远距离接通和分断交、直流小容量控制电路,并在电力驱动系统中供控制、保护及信号转换用。控制继电器用途广泛,种类繁多,习惯上按其输入量不同分为如下几类：1.电压继电器2.电流继电器 3.时间继电器 4.热继电器 5.温度继电器 6.速度继电器。（2） 可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机，硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：1.电源 2.中央处理单元 3.存储器 4.输入输出接口电路 5.功能模块 6.信息模块。 国外厂家如丹麦的stenhqj公司采用了siemens的可编程控制器，实现对压力和位移的控制。（3）工业控制机控制方式体现在计算机控制技术成熟发展的基础之上，还采用一种高技术含量的控制方式进行精密控制。此控制方式以工业控制机或单片或单板机作为主控的单元，通过外围接口部件（如d/a，a/d板等），或者直接应用数字阀来实现对液压系统的控制，同时采用不同传感器组成闭环回路式的控制系统方式，做到精确的控制设备数据的目的。现在，国内外很多液压机的生产厂家生产各种高性能的工业控制机控制方式的液压机产品，如美国multipress，丹麦stenhqj及加拿大的brownboggs等公司。由于采用了工业控制机控制方式，使制造出的装置的控制性能提高，生产效率也有相当大的提高。国内外的控制机小比较，国内极少有采用工业控制机控制方式的产品，而还是利用继电器控制和可编程逻辑控制来生产产品，所以国内要想走在领域的前沿，必须利用工业控制机控制方式来进行生产产品。作为液压机两大组成部分的主机和液压系统，随着液压机技术的日臻成熟，国内外的液压机技术已经没有很大的差距。但是微小的差别是在加工工艺和安装技术方面。先进的加工工艺使液压机在过滤、冷却及防止冲击和振动方面的技术，有很大的提高，国内自己研发的还是有些不足，希望在这些方面，国内有突破。 通过液压机系统的性能的提高，和液压控制系统的广泛应用，在各个不同的机械领域都在发挥着自己的力量，为建设祖国的繁荣而努力，现在在液压伺服系统的研究上，国内与国外还有着较大的差距，在自动化的领域上，它能够具有大功率、快速、精确反应的优势，采用液压伺服控制，是必要的。本论文所研究的液压系统就是采用的液压伺服控制。1.3本课题研究方法和内容 地震体验装置根据具体应用环境和功能要求等内容，在直线维像上，输入地震波信号，通过液压控制该系统产生波的信息，跟振动台面反映出来的波信息同时进入伺服控制器所产生控制信号中，再通过阀在高压液流的推动下，推动活塞杆运动，来带动振动台台面的模拟地震的运动，形成液压系统控制，从而实现波形整体控制。为这次地震体验装置设计一套符合要求的液压系统。根据地震体验装置的使用环境和参数输入，在实现模拟地震振动功能之外，还要求该地震体验装置液压系统的轻污染、低噪声等环保功能。 目前，国内外对地震模拟振动台的相关研究成果很多，它们的液压系统设计方案的核心思想也基本上一致，振动台主要由台面及支撑系统、液压激振系统、液压油源系统和控制系统四大模块组成。地震体验系统的基本构成如图。台面及支撑系统液压激振系统控制系统液压油源系统 我的论文主要是针对地震体验装置液压系统所进行的相关功能和结构设计进行研究。特别是有关2d数字换向阀在该液压系统中的应用。研究的具体工作概括如下:1)对地震体验装置液压系统的理论研究2)地震体验装置液压系统的参数的选取3)液压缸参数选取和设计4) 2d数字换向阀选取和设计1.4本章小结 本章首先介绍了该课题的研究背景与研究意义，来说明这次课题研究的必要性，然后介绍了地震模拟振动台与液压机控制在国内外应用、发展及其研究现状，并且指出了我们研究该课题的现状和缺点。最后通过课题要求，大致道出了对地震体验装置的研究形式与研究内容，以及具体的研究工作应该有哪些。 本章的内容大致概括了我在本论文上需要做什么事情，课题为地震体验装置的液压系统设计。第二章液压系统功能原理设计2.1系统的性能指标的确立 作为地震体验系统是通过一套激振系统，来输入不同地震频率和波形等相关的地震参数，通过这些参数的输入，可以在一维方向上精确的模拟真实地震发生时的情形，让体验的人感受到在地震发生时是怎样的感觉。为了设置减震模拟的相关体验。为了能够有以上的功能，给出如下要求。 预设地震体验系统的主要技术指标如下: 振动幅度最大值正负120mm; 最大运动速度0.6m/s; 振动的有效质量:是7500kg; 控制方式是数字式电液伺服控制; 控制测量精度为0.5%; 温度控制:自动控制（当温度达到一定的数值时便会自动控制温度并且保持最高温度，一般设置为65度），装置冷却方式为冷水； 规定压力波动必须mpa。 数据参数依靠5.12大地震作为参考，液压系统的频宽和加速度的数据经谱特性分析得到的水平x, y方向两组波形图(这里只展示水平方向的波形)为参考的。我们从水平振动波形的分析可以看出，5.12大地震过程当中，其振动的能量主要在05hz的频率区间，加速度最大值为0.7个重力加速度。因此，该过程中可以确定地震模拟振动台的液压系统频宽和加速度如下: 地震体验装置设计系统频率:10hz 设置加速度为0.6g 上面所确立的地震体验装置系统频率和设置加速度的对照5.12地震参考资料，该地震体验系统可模拟地震震级最大为10级地震的震感。 5.12大地震部分参数 2.2系统功能设计 地震体验装置液压系统主要由台面及支撑架系统、激振器系统、控制机系统、液压源系统组成。其组成与功能介绍如下: 台面及支撑架系统包括刚性振动台面，规定自由度数的运动装置。台架包括上台架和下台架，下台架依靠滚轮组与地面轨道相连，上台架的下端从滚轮组和固定于下台架上的轨道相连，台面设计了体验仓的地脚螺栓结构，用于固定体验仓。 液压源系统由增压泵、充油泵、微调阀、回检阀、控制系统等组成。台式结构，使用操作简单，适合于实验室及有市电的现场高压压力表检定使用。给向激振器提供液压动力。液压动力源采用恒压变量泵，对该系统提供大量的动力。激振器系统由激振器主体、电液伺服阀和位移传感器三部分组成。激振器是附加在某些机械和设备上用以产生激励力的装置，是利用机械振动的重要部件。激振器能使被激物件获得一定形式和大小的振动量，从而对物体进行振动和强度试验，或对振动测试仪器和传感器进行校准。激振器还可作为激励部件组成振动机械，用以实现物料或物件的输送、筛分、密实、成型和土壤砂石的捣固等工作。按激励型式的不同，激振器分为惯性式电动式、电磁式、电液式、气动式和液压式等型式。激振器可产生单向的或多向的，简谐的或非简谐的激励力。 控制系统是指由控制主体、控制客体和控制媒体组成的具有自身目标和功能的管理系统。控制系统有几种分类方法：开闭环控制系统，恒值和随动控制系统。 该地震体验装置的工作原理是:工控机内输入真实地震数据，再经过电液伺服控制器的控制算法转化为2d电液数字伺服阀实时改变阀口流量和方向，2d电液数字伺服阀的阀口开度，从而使得油缸内部的瞬间变化容易发生，在模拟地震振动时要注意到:体验仓的位移在传感器的测量下数据的位移，并及时反馈给电液伺服控制器系统，通过一系列的控制最后得到体验仓位移准确的结果。 在设计结构下可以表示，地震体验系统整套装置是闭环控制的电液伺服系统。控制部分接受外部输入的信号，可以为地震参数信号，也能是正弦和其他不规则的信号。控制部分流程结构图如下：液压油台架支撑模块激振液压2d伺服阀控制模块位移传感器2.2.1液压系统的重要参数 由以前的数据可以设置油源的压力ps=15mpa，不妨令工作的压力pl=10mpa。在地震体验装置系统中的位移传感器，利用传感器测出实验位移，来选取液压缸的类型可以采用活塞杆液压缸。背压在此特殊情况下可以不予考虑。 液压缸的有效工作面积为 算得a= 54.52cm2 。 对活塞杆外径d和液压缸内径d近似处理，可以得到，由 计算得d = 96.21mm，又由gb /t 2348 - 94在圆整之后的d =100mm , d = 50mm。此时可以算得液压缸实际的有效面积为 a=58.90mm2 又由gb /t 2349 - 82能确定激振液压缸的活塞杆行程为200mm，算得最大流量为 其中vmax为活塞杆运动最大线速度，由于设置的结构预设，预备利用弹性体密封圈，故，代入上式，得到: 由上面的数据可以分析得到，系统最大流量出现在速度最大为0.6m / s时，顾虑到线路较短，在此情形下，可以设泄漏系数k = 1.05，得到液压泵的最大流量应为 液压系统固有频率根据下式得到：rad/s式中:a一液压油缸活塞的有效接触面积 m一台架总质量 l一油缸的行驶路程 eh一液压油缸的体积弹性模量所述频率为14.85 hz 。液压油缸按照数据计算出最大输出力为:fpm=pla=10mpa 58.90cm259kn2.2.2动力和运动分析 液压机工作的负载是工作负载和摩擦负载两各组成部分。所设计的系统在工作负载的情况下在于台架及其他部位的部件在增加速度或减少速度过程当中产生的惯性载荷。 因为水平方向上的轨道很光滑，并且在其使用材料为铸钢的情况下，不妨设他们之间的滚动摩擦系数d =0.04 ，重力加速度g = 9.68m /s2，机械效率m =0.95 ，容积效率 v =1。当时 由公式 f=（dmg+mamax）/mv 得到fmax59kn该输出力大于台架的质量(7500kg)与最大的加速度( 0.6g)所得惯性力(52kn)。通过上面算得数据的比较得出的结果符合设计的要求，故上述数据可以采用。2.3液压系统原理设计 在地震体验装置液压系统设计过程中，一般要按照以下几条来操作，这些操作步骤综合考虑所涉及系统的具体参数和性能要求，同时还要注意系统的具体应用场合等情况。(1)在组合基本回路时，要保证不会相互干扰彼此的工作，其工作能正常进行不会出现故障。(2)防止液压过度的冲击。对于高压大流量的液压系统，应该用液压换向阀替代电磁换向阀，从而减慢换向的速度;采用蓄能器或增设缓冲回路，以便消除液压冲击。阀块设计的总体思路为：1.明确安装内容 2.确定元件尺寸 3.建立空间模型 4.确定空间模型以后，按照阀的实际尺寸及位置关系，初步确定集成块的总体尺寸。(3)提高系统的工作效率，防止系统过热。 (4)按照液压传动原理和所安装的液压元件不同，在各个面上加工出相应的通油孔道以实现系统传动要求。此外，还应具有互锁装置和一些安全措施。(5)这样不但便于选择，也便于维护。尽量做到标准化、系列化设计，减少专用件设计。 系统功能设计主要通过引入系统功能分析的方法，并综合考虑功能和结构两方面因素的作用，提出一种度角度进行的激励分析的功能需求所产生的设计方法，达到功能扩展，功能裁剪，功能分割，功能替代的水平。 我的液压系统设计主要的原理图可以看到，在液压系统油源控制的部分，它的中心功能为激振液压缸提供液压动力;包括由三位四通换向阀控制的锁紧缸，主要实现减振模式和非减振模式的控制;包括过滤器、蓄能器和其他的液压辅助装置;还有2d换向阀被作为电液伺服阀对液压激振缸的控制;本文所研究的也是2d数字换向阀的控制下相关部位的工作效率的功能要求。 因为我所设计的地震体验系统设置是室内装置，需要有很大的空间进行拜访，需要特别的线路进行简化处理。大功率的容积调速部分小比节流调速要高很多。主要表现在负载变化与速度没什么相关性。容积调速虽然成本较高，但是功率消耗小，效率高，而且发热和泄漏较少。总体比较来说开式容积调速回路更加有优势，所以选择开式的容积调速回路。 通过分析地震体验装置液压系统的原理，可以采用的动力源为恒压油源，虽然恒压油源效率相比恒流油源的效率低，可是当油源压力恒定时，阀压力的流量特性的曲线趋于稳定。顺序阀和换向阀操纵柱塞缸对复位弹簧的控制。控制方式的工作原理结构简图。2. 缸体回转轴心3.液压泵斜盘4.斜盘操纵臂8.变量柱塞。 4和8在复位弹簧的作用下停在平衡点，当斜盘倾角y最大时，液压泵会全排量供油。当系统压力略高于顺序阀1的设定压力时，打开顺序阀1，同时使换向阀7换向，系统的压力油进入柱塞缸6，变量柱塞8克服复位弹簧5的作用力，改变斜盘倾角y，使液压泵实现变量供油。如果系统压力再度增高，变量柱塞缸6内的压力也会再增高，使y角接近0，当有油的泄露时，排除y接近0，液压泵即保持一定压力，泵的运动就是液压泵在压力状态下的卸载(,n=pq，当q0时，n0)。原理图的换向阀7在对系统大量用油时，可以提高变量柱塞8复位的响应速度。在系统压力降低后，变量柱塞8立即恢复原始状态。这种控制被称为恒压变量的控制。 由图可以看出a-b段是全排量供油的部分，b-c段是变量的部分，c是在压力工作状态下的卸载点，被叫做“待用压力”。b-c的变量段的压力工作范围很小，在压力状态下的90%之内提供全排量的供油状态，并且可以十多个执行器同时启动，具有很高的效率。现在液压泵的工艺水平已经达到了比较高的程度，单泵性能足以满足系统性能的要求。从成本控制等各方面进行综合考虑，使用液压源，其中二位四通换向阀可以实现油泵的空载启动，之后大约10秒左右自动关闭，从而达到延长电机的使用寿命的效果。系统设置溢流阀和单向阀作安全阀使用，为了使油源部分的管路结构简单，拟设计一液压集成块，将在下文详细介绍。 蓄能器在液压系统作用是将液压系统中的压力油储存起来，当需要压力时又重新放出，蓄能器的作用表现在如下五个方面：1.作辅助电源2.作紧急动力源3.补充泄漏和保持恒压4.吸收液压冲击5.吸收脉动、降低噪声。蓄能器的种类有气体加载式、重锤式和弹簧式。它们各自都有各自的特点和用途，在这里我就不一一说明了。激振模块主要由电液数字阀、伺服油缸、位移传感器及油缸支架等构成。它安装在主测控模块与其他模块之间，产生轴向激振力，将震动立场加入到体验装置中，实现一系列的激振运动，是进行广义流变学研究的功能模块。上图左边是无激振作用的效果图，右边是振幅在1mm，振动频率=20hz的效果图。驱动伺服油缸的活塞和驱动连接机构刚性连接的台架根据地震波形和频率进行运动，仿波形与实际地震波形进行比较发现，经电液伺服阀修正输出流量以保证活塞及台架的运动波形与地震波形一致, 驱动连接机构。其他液压部分元件的设置和选用会在下一章节介绍。2.4本章小结 该章节首先设计了地震体验装置液压系统的振动最大位移、振动的有效质量、最大速度、控制测量精度、温度控制、控制方式、冷却方式、压力波动等重要的技术性指标，根据5.12大地震的参考数据，给了设计中该液压系统运用的加速度值和频率。考虑了液压执行器的受力情况和运动情况的分析，最后进行了液压系统原理设计方案。第三章 液压泵和电机，液压缸和阀的选取3.1液压泵和电机 液压泵在这个设计中的作用的重要性是不言而喻的。液压泵是夜压系统的动力元件，作用是将原动机的机械能转换成液体的压力能，指液压系统中的油泵，它向整个液压系统提供动力。液压泵的工作原理是运动带来泵腔容积的变化，从而压缩流体使流体具有压力能。它的功能是把动力的机械能转换成液体的压力能。液压泵的结构形式一般有齿轮泵、叶片泵和柱塞泵。 挑选合适的液压泵时，要从液压系统的压力和流量上考虑，再结合大体考虑液压系统的成本需要和使用要求，可选择bosch-rexroth公司生产的alovbh型轴向柱塞泵，规格为135，为了便于以后进行相应的升级和测试，可以选用dfr(压力/流量控制)型。 底部的机械限位用来调整流量大小，紧固螺栓可以减少流量。因为当前只需要用到恒压油源控制的变量控制方式，所以将流量控制阀关掉就可以了。 再由系统的液压泵的最大排量和工作压力，选取的液压泵额定功率为100kw。由转速和功率的参数，选取y310v-5型电机，电机额定功率为110kw，转速1500r/min。 3.2液压缸的选取 液压缸三维图 液压缸是将液压能转变为机械能的、做直线往复运动或摆动运动的液压执行元件。它具有性能可靠，结构也相对简单的优点。利用它进行往复的运动时，无需独立的减速装置，就可以式的设计的液压系统平稳高效的工作。液压缸活塞有效面积和输出力，在其两边的压力之差成正比；液压缸是由缸盖和缸筒、密封装置、缓冲装置与排气装置、活塞和活塞杆组成。在该地震体验装置中，激振液压缸在激振缸支架之上，利用特殊的结构设计，使得连接部分随着台架等部位的位移而发生变化。在另外的一头装有位移传感器，随时可以测出活塞杆的运动位移，振动位移。 不妨取液压缸安全系数n为5，无缝钢管材料采用45钢，缸体端部采用焊接式，其，。由参数设入液压缸缸体壁厚10.4mm，外径d1=120mm。根据当时的测量数据，其额定工作的压力为mpa。额定工作的压力满足公式（并算得）； 可知额定工作的压力完全满足其弹性塑性变形压力的范围内。 由于 ppl一缸体塑性变形的压力 此外，缸体径向变形d满足: 式中 一缸筒材料泊桑系数取0.3 ;pt一缸筒耐压实验压力(mpa)；pe一缸筒的爆裂压力； e一缸筒材料弹性模数(mpa)。 查表可得，工作压力下在d没有超过密封圈的允许范围内，可以省去验算步骤。 缸体选用45钢，液压缸缸体底部厚度设为，根据厚度公式可以算得：: 式中为缸体材料的许用应力mpa，=mpa。取为15mm。缸盖一般用焊接件进行处理，举后端盖一例，结构如图: 缸筒和导向套采用焊接进行连接，由焊缝应力的公式： 算得 ，取d2=114mm 其中焊缝拉应力可取95mpa;d1一液压缸外直径;一焊接效率可取0.65;d2一焊缝底直径;fpm,一液压缸输出的最大推力。 传感器所选取为伸缩式位移传感器，磁致伸缩位移传感器是利用磁致伸缩原理来进行位移测量的新型位移高效传感器，型号为mhr021 odm611 s411010，精度0.lmm。液压缸是自己设计的，所收录的参数便是根据论文中所给出的参数，也可考虑拉力和工作压力等情况，选取其他符合要求的液压缸型号。在不同的情况下，不同的液压缸的型号会带来误差，所以在选择液压缸时一定要考虑它的工作符合度。该型号采用杆端外螺纹，不带缓冲，油口连接型式为内螺纹式。最好所选取的液压缸为双作用单杆活塞式液压缸，其额定工作压力为16mpa，在额定工作压力下的拉力为95kn，足够满足一般的应用及以后升级的需要。3.3 阀的选用3.3.1电液伺服阀 电液伺服阀可选用2d数字换向阀，2d数字换向阀利用双级直接机械反馈式控制驱动方式，该阀具有频响高、线性度好、结构简单、可靠性高以及重复精度等优点.2d数字换向阀特性指标参考:滞环:无明显滞环现象;重复精度:重复精度0.105%; 线性度:线性度0.675%; 响应时间t/ms (100%信号变化):20ms;2d数字换向阀结构如图：2d数字换向阀在阀的左腔压力是进油压力的40%时，那么螺旋槽与高低压孔之间的微小弓形面积会相等。当步进电机驱动阀芯反方向转动时，导致当步进电机驱动阀芯反方向转动，则阀芯左移、左敏感腔的压力下降。当步进电机驱动阀芯转动使得高压孔与螺旋槽之间形成的弓形面积增大、低压孔与螺旋槽之间形成的弓形面积减小，则左敏感腔的压力升高，阀芯所受的轴向力失去平衡，阀芯向右移动直到高低压孔又回到静止时与螺旋槽之间所处的相对位置。 由上面简单的分析，说明2d数字换向阀是一个双级流量控制阀。而这种阀的作用从工程的控制方向来看，2d数字换向阀是一个螺旋伺服结构，输出为阀芯的线性位移，输入为阀芯的角位移。 由于要分析响应频率和控制精度的数值，得到转子的输入角位移的实值，2d数字换向阀运了电动机输入角位移和输出线性唯一的控制方法。步进电机角位移控制方法是:1个步进周期内利用2个相邻的步进相序通电时间的长短，利用步进驱动器接收到的脉冲信号，就驱动步进电机所，控制脉冲个数来控制角位移量设定的方向转动一个固定的角度，还可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 2d数字换向阀具有以下下特点:1、精度高2、抗干扰能力强3、可以直接由脉冲信号控制。 除此之外，步进电机具有对电源要才低、抗干扰能力强、可以直接用于开环位置控制、受摩擦力等非线性因素影响小等优点。由于一些其他原因响应了它的速度的表现力，故阀的响应速度也受到了影响。2d数字换向阀控制有着量化误差较大的弱点。 2d数字换向阀左右两端都是敏感腔部位，它的左右两侧由伺服螺旋机构的阻力半桥控制，受到伺服系统控制，其压力变化的调节，即当阀芯顺时针转时，左敏感腔压力升高，右敏感腔压力降低，阀芯左移。 对单作用和双作用的伺服螺旋机构，阀芯的轴向角位移与位移成正比关系。在静态的工作情况下，伺服螺旋机构的旋转角位移与直线位移有如下关系: 其中 一螺旋槽升角 一阀芯的转动角位移 r一阀芯