液压阻尼器试验台的设计

1 绪论 1.1

论文研究背景及意义

1.1.1 液压阻尼器 1.1.2 振动台

1.1.3 电液伺服系统 1.2.1阻尼器试验台的发展现状

1.2.2 阻尼器性能的检测

1.2.3 课题的意义 1.2

本课题拟解决的关键问题和研究方法

2 液压阻尼器试验台的设计 2.1 试验台试验系统设计要求 2.2 液压阻尼器的试验要求 2.3 控制系统方案的确定 2.4 试验台液压系统的确定 3 试验台液压系统结构设计 3.1 激振器设计 3.1.1 静态设计

3.1.2 计算激振器的性能参数

3.2 伺服阀选择计算

3.2.1 大流量伺服阀的选取 3.2.2 小流量伺服阀的选取

3.3 系统的流量供给及油源设计 3.3.1 液压伺服油源的要求 3.3.2 液压能源的种类和确定方案 3.3.3 油源设计计算 3.4 蓄能器组选择 3.5 系统油箱的设计 3.5.1 油箱的分类

3.5.2 设计油箱需考虑的因素： 3.5.3 油箱的设计 3.5.4 油箱附件的选择 3.5.5 过滤器的选择 3.5.6 冷却器 3.6 管道尺寸确定 3.6.1 管路材料 3.6.2 管接头 3.6.3 管路的选择安装 3.7 管道的密封 3.8 系统阀块设计

4 液压阻尼器试验台结构设计 4.1 试验台架设计

4.1.1 计算设计左、右支撑立板 4.1.2 左右滑动板设计

4.1.3 导向轴的设计计算 4.2 试验台的电控系统 4.2.1 油源的电控系统 4.2.2 振动台传感器应用 5 总结 1 绪论

1.3 引言

所谓阻尼，是指使自由振动发生衰减的各种摩擦与其他阻碍作用。而阻尼器，是一种以安置在系统结构上的阻力来消耗运动能量，从而加快振动衰减，以用来减缓冲击的装置。阻尼器可分为固体粘滞阻尼器、 空气阻尼器和油阻尼器等。具体应用有脉冲阻尼器，粘滞阻尼器，液压阻尼器，阻尼铰链等。而其中，液压阻尼器则利用能够对速度反应灵敏这一特点广泛应用于大型工程的管道及设备，来达到减振消能的目的，使设备不至于因振动过快而损坏。

近些年来，随着社会技术的发展，对阻尼器的研究技术也进一步的提高，对其进行试验、检验的技术也日益增进，因此液压阻尼器在很多场合都得以应用。既在军工产业中占据重要地位，也在民用产业中发挥作用。对于阻尼器的广泛运用，其安全性对与系统有着重要的作用。因此，为了保证阻尼器在各项参数上达到所需要的标准，要使用专门的试验系统来检测其性能。

1.1.1 液压阻尼器

液压阻尼器是阻尼器的一种具体应用，它是一种液压式进给速度控制装置，能够在从低速到高速的范围内自由调节气缸的进给速度。液压阻尼器的控制方式分为弹簧返回型和空气返回型两种。液压阻尼器，无论是于军工、航天领域，还是民用工程领域，均有大量应用。相较于其他阻尼器，液压阻尼器具有防腐性好，结构紧凑，动态响应快等特点，更多的应用于大型工厂的管道及设备的抗振动方面。

1.1.2 振动台

振动台可以提供典型振动条件，它可以用来评价和检验各类工程设备装置的机械力学性能。振动台一般可分为液压式，振动式和机械式等三种。其中，液压振动试验台具有快速响应，高精度，多功能等特点，可以很好的完成新型液压阻尼器及其他设备的各种性能试验。因此，液压振动试验台对液压阻尼器的性能检验起了极为重要的作用。

1.1.3 电液伺服系统

电液伺服系统是一种液压控制系统，它的控制核心是伺服元件。电液伺服系统一般由指令装置，放大器，控制器，伺服元件，执行元件，液压源，反馈传感器，及负载等组成。

（一）电液伺服系统的发展史

液压伺服技术最初的发展是在二战期间。在当时，采用单纯的电磁元件的控制系统，已经不能满足军事上如先进武器的控制系统的大功率、高精度等的一系列高性能要求。因此，能够满足这些要求的液压系统发展了起来。后来，随着基本理论的完善，到60年代初期，在军事部门和民用工业中，液压伺服系统已经被大规模的应用起来。虽然液压伺服系统具有优良的动态性能，但它同时具有成本昂贵，维护困难等缺点。因此人们开发了电液比例控制这一相对廉价的一种液压伺服技术。

近些年来，随着在一些重要元件性能上取得突破，机电伺服技术不断发展。除了航空航天领域外，大多数设备都采用了机电伺服系统。但对于直线运动的控制，

相对于液压伺服系统，机电伺服系统仍有不足。 （二）电液伺服系统的特点 这里我们采用液压伺服系统，其主要原因是同其它系统（如气动伺服系统等）相比，它具有如下优点：

（1）“功率——重量”比大 （2）力矩惯量比大

（3）液压马达的调速范围宽

（4）能实现大功率直线伺服驱动，且结构简单 （5）系统刚度较大 （6）润滑性能好

1.4 论文研究背景及意义

1.2.1阻尼器试验台的发展现状

液压阻尼器试验台现阶段具有如下特点：结构紧凑，安装空间小；防腐性能好；阻尼力大；动态响应时间短等。这些优点让液压阻尼器试验台在液压阻尼器试验领域得到广泛应用。现如今随着技术的发展，已能将计算机技术与试验台相结合。这便可以提前设定好参数，进一步提高试验台的工作效率，改善试验台的操作性能。对液压阻尼器试验台性能的改进，国内外都进行了充分的、深入的研究。 （1）国外阻尼器试验台的研究发展现状

国外企业很早便展开了液压阻尼器试验台方面研究。某些企业在九十年代初期便已推出了具有代表性的系统。他们实现了电液伺服系统与计算机技术的融合。这一创新，实现了试验精度的提高和系统功能的增强。 国外液压阻尼器试验台的优点主要有以下几个方面：

1） 系统采用数字化控制方式，使得阻尼器试验台系统反应时间更短，控制更加准确。

2） 采用了更加合理的结构技术，如非金属喷涂，动、静压支撑等，增强了试验台运行性能，提高了运行精度。

3） 国外试验台智能化，网络化程度更高。这使得试验效率得到提高，试验范围也更大。

国外的液压阻尼器试验台虽然性能优异，但在引进过程中仍然存在一些问题： 1） 这些先进试验台的价格比较高，对国内一些中小企业来说，资金不足便成为了一个问题。

2） 国外试验台技术复杂，维护成本也就变高。而且引进的机械，资料一般都

为外文编写，因此语言问题便又是一个难点。

3） 地理上的距离使得供货时间变长。这无疑增加了企业的时间成本。 （2）国内阻尼器试验台的研究发展现状

相比于国外，国内企业对于液压阻尼器试验台的研发起步比较晚。整体的研究水平也就相对落后。如今，经过相关科研人员的不懈努力，在计算机控制、高精度测量等方面，已经做出了相当的成果。然而，与国外同行业先进水平相比，我国阻尼器试验台仍有许多不足之处，亟待改进：

1）由国内企业研发的阻尼器试验台尚不能很好的满足大载荷的测试要求。 2）国内企业尚未研发出专业的软件系统，只能受到国外把持。由此，反映出的是国内企业在软件开发领域力量的薄弱。

3）国内试验台整体的集成度不足。国内企业不能很好的将机械、液压、电气等方面的技术融合进试验台中。 1.2.2 阻尼器性能的检测

对阻尼器的性能测试一般通过试验台来完成。一般来说，有以下几项测试内容： （1）低速运行下阻力测试。即：当阻尼器在设定的低速下运行时，检测其受到的阻力。并绘出阻力与时间的关系曲线。

（2）锁死速度试验：当有不同的负载作用时，找出让阻尼器控制阀自动闭锁的那个速度。并描绘出负载与速度的关系曲线。

（3）阻尼器的抗疲劳试验：检测阻尼器在N次运动中的损耗程度，对其的性能进行评估。

（4）阻尼器的动态刚度试验：设置某一频率，将阻尼器最大载荷设置成额定载荷。绘出载荷与位移关系图。 1.2.3 课题的意义

本课题为高精度，大载荷液压阻尼器试验台的研发。液压阻尼器试验台是一种高新技术产品。它集机械结构开发，液压系统开发，电路控制开发于一体，在液压阻尼器性能检测方面起着极为重要的作用。目前，美、日等国几乎垄断了我国在高精度、大载荷液压阻尼器试验台方面的市场。这说明我国产品同国外先进产品之间仍有不小差距。本课题就是希望能在高精度、大载荷试验台的研发上能够有所突破，为我国的试验台发展做出贡献。因此本课题具有很强的理论意义和现实意义。

1.5本课题拟解决的关键问题和研究方法

调查研究阻尼器试验台的工作情况，熟悉阻尼器试验台各零部件之间的合理组装。根据阻尼器试验台的形状、尺寸、性能等要求的分析结果，确定阻尼器试验台基本设计方案，液压系统的设计和状态分析，并对液压系统的效能及效能的恒定进行评估，使其满足各项参数的要求。

首先根据已知条件确定初始设计方案，根据方案计算各项参数。然后，根据参数检验方案是否满足设计的要求。根据比较结果调整所得参数。这样通过多次的分析、检验、修改，指导整个系统的工作性能完全满足所需的要求。

2 液压阻尼器试验台的设计 2.1 试验台试验系统设计要求

在推力、压力、频率等不同条件下，阻尼器试验台完成对阻尼器性能的检测工作。收集数据后，利用力和速度等多种传感器将数据输出。将输出的数据在计算机中整理，并依据这些数据对阻尼器性能进行检验。其主要技术要求有： 最大动、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31.4cm/s（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、查询、存储、打印功能。

2.2 液压阻尼器的试验要求

1） 低速运行下阻力测试。即：当阻尼器在设定的低速下运行时，检测其受到的阻力。并绘出阻力与时间的关系曲线。

2）锁死速度试验：当有不同的负载作用时，找出让阻尼器控制阀自动闭锁的那个速度。并描绘出负载与速度的关系曲线。

3）阻尼器的抗疲劳试验：检测阻尼器在N次运动中的损耗程度，对其的性能进行评估。

4）阻尼器的动态刚度试验：设置某一频率，将阻尼器最大载荷设置成额定载荷。绘出载荷与位移关系图。

2.3 控制系统方案的确定

（1） 提出设计的方案

根据液压阻尼器的试验要求，设计出试验台的设计方案：

一 、采用机械化设备。机械设备的优点是性价比高。但机械式振动台直接承载能力小，波形的失真程度较大，振动的形式较为简单。而且该系统负载较大，

且不能直接使用常规动力源，而是需要经过复杂结构转化。因此，系统较为笨重。同时机械零件磨损较快，会影响其精度。

二、采用机电一体化设备。相比于机械式振动台，电动式振动台性能更为优异。使用电动式振动台，其可以模拟正弦，随机波等形式的振动，但它的承载能力范围小，不符合本试验系统所提出的要求。

三、响应元件选用液压激振器，控制系统选用液压系统。液压阻尼器试验台 可以很好的完成液压阻尼器及其他设备的性能试验。

在以上的几个方案中，液压式振动台相对于其他两个振动台控制范围大、测量精准、波形种类多等优势，因此本设计最终选定的方案是液压式试验台。 （2）拟定设计方案

在阻尼器试验台的技术指标中，液压阻尼器试验的最高速度为31.4cm/s，而在低速时仅为2mm/s~10mm/s。说明，当所做的试验不同时，系统的流量不同，变化很大。只安装一台大流量伺服阀使，系统在某些情况下，如大流量，高速的实验中是稳定的。但是在小流量、低速的试验中则是不稳定的。因为系统的精度会因流量输出量小而降低。同理，若只安装小流量伺服阀，则也是不可行的。

解决方案：

由分析可知，我们可以将阻尼器的试验分为两种类型。一种是低速，小流量的静态试验。另一种是高速，大流量的动态试验。由此，我们可以安装两台（大，小流量）电液伺服阀。这样能满足液压系统在不同流速、流量下的需求，解决动、静态实验时流量变化过大的问题。

由此，最终确定符合设计要求的液压阻尼器试验系统设计方案。系统组成为：激振器、电液伺服阀、液压油源、油源控制、拉压式力传感器等。系统设计方框图如下。

液压原理图

2.4 试验台液压系统的确定

试验台液压系统图如图2.2

图2.2 液压系统图

1油箱焊接图 2液压空气滤清器 3液位液温计 4蝶阀 5液位控制继电器 6手动变量柱塞泵 7压力管路过滤器 8、13单向阀 9.电机1 0.回油滤油器 11.板式冷却器 12.比例溢流阀 14.先导式溢流阀 15、26高压球阀 16蓄能器 17压力继电器 18、25耐震压力表 19压力表开关 20.电液换向阀 21.减压阀 22 、23电磁换向阀 24压力管路过滤器 27高压蓄能器 28.电液伺服阀 29.三级电液伺服阀 30、31液控单向阀 32压力传感器 33液压激振器34位移传感器 35拉压式力传感器 36电磁水阀 37电接点温度计

液压系统的油路分析： 1）动态试验时的油路分析：

首先，打开三台液压柱塞泵，压力油经过压力管路滤油器7、单向阀8进入主油路。这时换向阀22得电；一小部分的压力油流经减压阀21，整个油路压力降低，为大流量伺服阀29的提供压力油；换向阀23得电；液控单向阀30打

开；电液换向阀20得电；主油路压力油进入大流量伺服阀29，然后通过打开的液控单向阀30进入液压激振器33推动活塞完成试验。此时小流量伺服阀28不得电，液控单向阀31关闭。

2）静态、小流量试验时的油路分析：

一台柱塞泵时打开时，压力油经单向阀8进入主油路。换向阀23不得电，液控单向阀31打开；换向阀22不得电，主油路压力油通过换向阀22进入小流量伺服阀，通过液控单向阀31进入激振器33推动活塞完成试验。电液换向阀20不得电，此时大流量伺服阀不工作，而液控单向阀30关闭。

3）系统说明

系统采用三台液压泵供油时，是为了在不同试验的需求下，可以自由的选择泵的多少来供油，这样做的目的是为了节约。

在泵的都装有单向阀8，这样做的目的是为了隔离三台油泵，在静态、动态试验的转换过程中为了避免压力油倒灌。而当比例溢流阀12突然失电时，单向阀13能够保护冷却器11和低压滤油器10，使其不被蓄能器组27中的压力油冲击。

同时，在伺服阀与液压激振器之间安装液控单向阀。这样便将两个电液伺服阀隔离开。

3 试验台液压系统结构设计 3.1 激振器设计

液压激振器能够输出力、位移、速度等一系列参量。它是系统的执行元件。液压激振器要符合静态试验下各参量的输出要求。同时还要考虑油源系统的开发，激振器本身的安装，电液伺服阀的选取，活塞轴的密封等具体要求。

3.1.1 静态设计

由已给出的条件分析得出下表3.1：

表3.1 试验台电液力伺服控制系统设计要求和参数

项目

被试件质量 最大静态力

工作要求

工作频率 最大速度 最大加速度 最大行程

控制系统性能

参数

① 选取供油压力Ps

在本课题中，负载数值比较大。故供油压力不能根据常规计算来算。现在，取液压系统的供油压力ps28MPa

② 确定液压缸的活塞面积

③ 在保证伺服阀阀口有足够的压降的前提下，取负载压力pL为：

pL25MPa

符号 参数 500 1000 1-33 31.4 40 ±150 ≤±5 2

单位 Kg KN Hz cm/s m/s2 mm s

M Fm ω

Vmax a s ef t 输入信号下的控制精度

高频持续时间

则液压缸有效面积Ap为

Ap3Fm310000004.24102m2 622pL222510因为液压缸的有效工作面积

Ap4(D2d2)对于未知数缸筒直径D与活塞杆直径d,按工作压力可取为d/D=0.7，代入上式得

44.24102D0.325m325mm0.510.514Ap查相关手册得直径圆整为D=320mm,且取d=220mm。则校核有效面积得

Ap4(D2d2)4(32022202)4.24104mm2查《机械设计手册》选取液压缸型号为 YHG1G320/220×150LF3L1Q

图3.1液压缸结构示意图

3.1.2 计算激振器的性能参数

液压系统的最大流量为（速度按照31.4cm/s计算）：

由前面的计算可知，液压激振器有效活塞面积为4.24×104mm2。由此可得此时系统所需要的最大的峰值流量为798.6L/min(速度按31.4cm/s计算)。选择蓄能器组，计算系统所需的平均流量QN：

QN2Qmax得系统平均流量QN508.4L/min

系统的最小流量Qmin为31L/min(速度按照1.2cm/s计算)。

为了检测两腔的压力，将压力传感器安装在液压激振器的两个控制油口。 液压激振器的相关参数：

① 激振器活塞杆直径 220mm ② 激振器活塞直径 320mm ③ 激振器活塞面积 424.26cm2

④ 激振器最大动态力 993KN ⑤ 激振器最大静态力 1050KN ⑥ 动态试验时最大峰值流量798.65L/min ⑦ 动态试验时所需平均流量 508.4L/min

⑧ 静态试验时所需最大流量 31L/min（速度按照1.2cm/s计算） 静态试验时所需平均流量 19.29L/min

3.2 伺服阀选择计算 3.2.1 大流量伺服阀的选取

大流量电液伺服阀是三级电液流量伺服阀。

无载流量QNL是指当供油的压力Ps全部落到阀上时伺服阀的流量。 计算大流量电液伺服阀的无载流量的公式为：

QNL3AVmax 23AVmax 2QNL代入数据得

QNL34.24102m20.314m/s1.63102m/s0.978m/min978L/min2由滑阀压力－流量方程式：

qsCdA2PsPlCdA2PsPl式中：

qs－伺服阀的流量

Cd－流量系数

－液压油密度 ps－液压油压力

pl－执行元件的压降

由上式可以得到，当滑阀无载流量时，取Pl=0。此时系统的压力－流量公式可以简化为下式：

qs2CdA2Ps在25Mpa供油压力下，电液伺服阀无载流量为978L/min。由此可求得，

21Mpa供油压力下时伺服阀的无载流量为896.35L/min。

额定流量QR是指当阀上的压降为7Mpa时的伺服阀的流量。伺服阀额定流量计算公式如下式所示：

QRQNL

7Ps带入数值，则额定流量QR（7Mpa阀压降）为518L/min。选择伺服阀时，所选伺服阀的额定流量应为计算结果的1.1倍。

大流量电液伺服阀采用标准式的“喷嘴－挡板”结构三级阀形式的大流量电液伺服阀。根据最后的计算结果，最终选用MOOG公司的伺服阀。型号D792S80JOPOGVSAO，D792系列，3级阀，额定流量800L/min，315bar的供油压力，四通、轴向配磨、线性特性，先导级为D761的标准型，先导压力≥15bar，先导外部供油、内部回油，密封材料FPM，电连接器6针、DIN43563，满量程主控信号±10V、输出信号±10V，供电电压±15VDC±3％，纹波<50mVpp。

3.2.2 小流量伺服阀的选取

小流量伺服阀速度取1.2cm/s。

计算过程与大伺服阀相似。按照步骤，算出的小流量伺服阀的流量。最后选定小伺服阀额定流量（7Mpa阀压降下）为40L/min的喷挡结构的两级电液伺服阀。选取的型号为QDY6-G100-40mA，伺服阀的工作压力25Mpa，额定流量63L/min[11]

。

3.3 系统的流量供给及油源设计

与一般的电液伺服系统相比，液压振动台性能更加优异。它有更高的频响、更高的精度以及出力较大。而且系统的无功功率和压力脉动也比一般的电液伺服系统更大。这些因素也就影响了振动台配套油源的开发特点。在开发振动台油源时，为了提高整个液压振动台系统的开发质量，应该重视油源的主参数——系统压力、流量，以及油源的液压辅件，特别是关键辅件（过滤器、冷却器、蓄能器）的选取和开发[12]。

3.3.1 液压伺服油源的要求

(1)油液的物理化性能

电液伺服阀的阀口的高压降下工作,并且通过阀口的流速也很快。因此对工作液的物理和 化学性能要求严格:

1) 适宜的粘度和优良的粘温特性； 2) 较好的润滑性；

3) 较好的抗剪切性、抗氧化性和稳定性； 4) 较好的消泡性，以提高油液的容积弹性模量。 (2)压力的稳定性

阀控动力元件一般把给定的供油压力作为分析的基础。系统会受到供油压力的影响，当供油压力的变化比较大时,系统性也可能能达不到设计的要求。因此,对伺服油源的要求包括：

1) 供油的流量应该在达到负载流量要求的同时，保有一定的裕量； 2) 供油压力基本恒定，压力波动控制在10%以内； 3) 油源调压的稳定性好，动态响应时间短； 4) 回油的压力基本恒定。 (3)油液的清洁度

电液伺服阀是液压振动台系统中的核心控制元件。它对液压介质的清洁度要求比较严格。如果过滤器的布置不恰当，会导致液压介质清洁度降低，而使介质的清洁度达不到伺服阀的要求。振动台会受到影响，会使振动波形失真。并且系统可能自激失控，甚至可能使振动台根本无法闭环，无法正常的工作。如果液压介质的清洁度超过NAS 8级，会导致整个试验台的性能下降。

为保证油液清洁度，要求伺服油源：

1) 为了防污染物进入机内，并避免回油时的气泡进入泵的吸油管，应采用合理

的油箱结构；

2) 采用不锈钢的油箱，油箱就不会脱落铁锈和油漆； 3) 采取完善的过滤系统和综合的控制污染的措施；

4) 及时冲洗管道，采用喷嘴挡板伺服阀时应使清洁度达到5级。 (4)油温

所以要采用能自动加热，自动冷却的温控系统。这样能防止油温的变化将影响粘度并引起伺服阀零漂。一般按照油温要求控制在45℃。

3.3.2 液压能源的种类和确定方案

（1）确定能源方案

由于压力恒定的原理不同，有以下三种方案：

①定量泵―溢流阀恒压式能源 这种能源的特点：

优点：能源的动态性好，结构不复杂且成本低；

缺点：系统负载时所需要的峰值的流量决定了定量泵的流量。所以当负载流量较小时，定量泵多余的流量则通过溢流阀溢出；当负载的流量为零时，定量泵输出的流量都由溢流阀返回到油箱。而泵输出的液压能全部转化成热能，使得油温升高快，系统效率低。所以定量泵―溢流阀恒压能源一般是用于小功率和供油压力低的伺服系统。

②定量泵―蓄能器―卸荷阀恒压式能源 这种能源的特点：

优点：结构简单，效率高，能量损失小；

缺点：在一定的范围内，系统压力变化缓慢，不符合试验要求。 ③恒压变量泵―蓄能器恒压式能源 这种能源的特点：

优点：能够有效的节约能量，工作效率高，系统的组成较为简单。 缺点：与溢流阀相比，响应比慢。所以应该配有蓄能器，作为系统短时峰值的应急油源。

（2）确定系统流量供给方案

比较以上三种液压能源的形式，发现第三种能源最适合本系统。

本系统实际工作时，除了在动态试验的短时间内需要大流量外，大部分的工作时间所需的流量很小。为了让系统能够更好的满足本课题的设计要求，所以采用蓄能器组对系统进行瞬间的补油。当作静态低速试验时，泵会向蓄能器组提供液压油，当作动态高速试验时，泵和蓄能器组一起向激振器提供液压油。目的是为了能够在短时间内提供流量，节约成本，与此同时会使泵产生的压力降低，使

得整个系统的压力维持稳定。

已知系统动态试验所需的最大平均流量QNL508.4L/min，而动态试验时的先导级伺服阀的控制流量约20L/min。、因此系统的流量要符合系统要求需要达到530L/min。

根据以上结果得出最后选择的方案：选用3个手动变量液压柱塞泵和八个40L的蓄能器组向系统提供压力油的液压能源结构。

3.3.3 油源设计计算

(1)液压泵的设计

液压泵装置由许多部件构成。如不同类型的液压泵、滤油器、驱动电动机及其联轴器等。本设计要求用3个手动变量柱塞泵，安装方式为卧室。液压泵及其管道都安装在液压油箱的外面。这样方便安装维修，也有利于装置散热。

液压泵的流量的确定

Qk(Qmax)

取泄露系数k=1.2；则Q1.2(978978)2347.2L/min

查机械设计手册，选用的3个液压柱塞泵，型号为63SCY14—1D，排量为2.5～400

mLr1，容积效率为≥0.92，额定压力为31.5MPa，转速为1000～3000r·min-1；

(2)液压泵工作压力的选择

液压泵为整个系统提供动力，在液压系统中设计中占有非常重要的作用。 在正常的工作情况中会有存在压力的损失，故液压泵工作时的压力为下式

PpP1P式中Pp——液压泵的最大工作压力； P1——执行元件的最大工作压力； 

p——进油管路中的压力损失。 带入数据得Pp=27MPa。 (3)液压电动机的选择

根据以上所选的液压泵计算出可电机选型号为Y250M-4，功率为55KW，转速

n等于1480rpm。

25Mp下的输出流量由下式求得。

Q式中n―轴的转速（r/min）； Q―输出流量（L/min）； q ―排量（cm3）；

qnn1000―容积效率（％）

。

根据上式，当为25Mp时，三台液压泵最大输出总流量为264L/min。同样的25Mp，当在低速静态试验时只开一台变量泵，在低速静态试验时，就可以提供给系统81L/min流量的液压油，而且完全符合低速静态试验时的试验要求。

3.4 蓄能器组选择

蓄能器是在液压装置中将系统中的压力油能量转变为压缩能或者位能来储存并根据需要放出储存的压力油转变为液压或者气压等能做功。蓄能器是一种辅助动力源。它能在短时间内使整个系统可以获得超过泵的容量的流量，从而能较高的利用能量。

蓄能器有重力式、弹簧式、活塞式、气囊式和隔膜式。选择气囊式蓄能器。 系统选用8台容量为40L的蓄能器，充入氮气的压力为14Mpa，蓄能器的型号为NXQ1L40/31.5H的高压蓄能器作为辅助动力源。

由一般气体公式：

p1V1p2V2常数 T1T2将P1＝14Mpa，V1＝40L，P2＝25Mp ，P3＝23.5Mp代入上面式字中，列方程求出系统压力从25Mpa下降到23.5Mpa时蓄能器组可以排出的流量

14101410()811.4L23.52511.44压力油，在2秒内相当于有60s343.2Lmin的流量输出。

2s所以在2秒的时间内，系统的最大的输出流量是三台液压泵的输出流量与蓄

能器的输出流量之和。最大输出流量可达到264343.2607.2L/min，大于系统所需的最大流量525L/min，满足了系统的要求。

3.5 系统油箱的设计 3.5.1 油箱的分类

除了储油作用外，在液压系统中，邮箱还起到过滤的作用。所以在设计油箱的时候要保证其能够有一定的容积，以便于系统散热。另外为了避免卷吸空气和回油冲溅起沫，应该保证吸油管及回油管插入最低油面以下。油箱通常可分为以下三类。

1 整体式的油箱

油箱和主机构成一体的油箱称为整体式油箱。整体式油箱机构紧凑，且外观整洁。但有时存在局部发热、操作者难以接近、安装和维修油箱内部元件困难等缺陷。

2 两用油箱

液压油与机器中其他目的用油的公用油箱称为两用油箱。两用油箱最大优势就是节省空间。但油液必须同时满足液压系统对传动介质或者其他工艺目的的要求。

3 独立油箱

独立油箱是应用最广泛的一类油箱，可用于各类工业生产设备。

3.5.2 设计油箱需考虑的因素：

① 有效容积能够储存足够的油液，以满足液压系统正常工作的需要。 ② 应该有足够的表面积，能散发系统工作中产生的热量。 ③ 油箱中的油液应平缓迂回流动，以便于保持油液的清洁度。 ④ 应能保证液压泵能够正常的工作。 ⑤ 应备有观察液面变化的装置。

⑥ 应使外观整齐美观，并具有一定的强度和刚度。

⑦ 回油管的下端管口应在最低液面以下50mm或1~1.5倍管径的位置处，这

样做是为了防止吸空和回油冲溅产生气泡。回油管与油箱底的距离应大于回油管径的3倍以上。

⑧ 应能有效地防止外界污染物的侵入。

⑨ 应能保证液压泵的正常吸油，防止气泡的混入和气穴的发生。 ⑩ 当系统有大量供油而无回油时，油箱的容积应能保证，最低液面应在油

泵进口过滤器之上，而不会吸入空气；当系统有大量回油而无供油，或系统停止运转，油液返回油箱时，油液不致溢出。

3.5.3 油箱的设计

1油箱容量大小的确定

油箱的总容量包括油液的容量和空气的容量。通在油液的最高油面上应该要留出一定的空气容量，油液液面应该低于油箱高度的80%。当油箱连续工作时，会有一部分能量转化为热量，从而使系统压力增大，影响到容积。故而其容量需参照发热量进行计算。

2油箱选择

油箱的有效容量一般为泵每分钟流量的6~12倍。油箱容量小的适用于一些制冷效果比较好的场合；容量大的油箱适用于那些场体积不受限制，固定的位置。

初选时，油箱的容量根据经验公式确定

Vqv72611827L

根据机械设计手册，BJHD系列的油箱符合本文要求，所以选的2000L大容

量

矩形油箱。油箱重590Kg,其结构如图3.2所示。

图3.2 油箱结构图

3.5.4 油箱附件的选择

为了确保油箱能够正常的运行，必须给其装配一些相关的附件，主要包括以下几类相关的附件。

① 空气过滤器

系统工作时，油箱内的液面会发生变化，而空气便通过过滤器吸入或放出。空气过滤器能维持油箱内油液清洁度，防止脏物颗粒从外部进入油箱。它也可延长油液及元件工作周期及所有寿命，从而保证液压系统的正常工作。空气过滤器允许的最大过滤精度为10μm。空气过滤器的空气通流能力可根据液压泵流量的大小来选择，一般选其空气通流能力为液压泵流量的1.5倍，要使液压系统工作时，油箱内基本上不产生负压。

② 液位计

液位计用于测量油箱内油液的液面的高度。一般安装在油箱边壁上，且在加油时容易看到的地方。当要对液面进行自动控制时，可才用浮子式液位发信装置。本设计就采用该种方式。

③ 加热器

如果在寒冷地区使用的液压设备，或者某些液压系统要求在恒温条件下工作，在开始工作时，得把液压油加热到一定温度，以便于使用。应该指出，液压装置

应尽可能不用加热器。应该使用液压泵输出的压力油通过溢流阀流回油箱，在溢流阀中产生的损失全部变成热能，使油温升高的方法。

④ 温度显示元件

油箱内，一般用接触式温度计，来显示工作介质的温度。常用接触式温度计有膨胀式和压力式两种类型。其中带有电接点的温度计可实现温度自动控制，本设计中采用电接点的温度计。电接点温度计检测油液的温度后，发出电讯号来控制相应设备（加热器或冷却器）工作。

⑤ 磁性过滤器

为了清楚油箱内的磁性杂质，可以在油箱中如果放置几块磁铁。该方法对于非磁性颗粒无效。

⑥ 螺塞用于清洗油箱时放油。

⑦ 人孔是清洗油箱用所留的孔，平时用盖板封住。

3.5.5 过滤器的选择

过滤器的作用是在液压系统中滤掉从外部混入的杂质或者是系统本身运转中内部产生的一些固体杂质，使液压油保持清洁，大大的提高了液压系统使用寿命，从而保证了液压系统工作时的可靠性。

液压泵的入口处：

该处的过滤器的精度要求比较高，这样的要求是为了保护泵并使其为系统油进行粗过滤。在选择时应该考虑其流量应比系统流量要大并要配发讯装置。

因本系统带有伺服阀，该种阀对油液精度要求较高，所以过滤器的种类应该采用精过滤器。根据机械手册选其型号为YPH660E7-1W。

3.5.6 冷却器

① 冷却器工作环境

系统散热情况与环境温度、季节变化和工作环境等有关。

液压系统工作时，由于效率原因，部分能量转化为热能。产生的这些热能，一部分会通过装置散发到周围环境中。另一部分，则散入液压油中，液压油温度则会因此升高。一般情况下，当温度升高到某一定值时，系统温度将达到热平衡。温度过高（T>80C°），对液压系统正常工作会产生很大的影响，如泄露严重等。如果通过冷却器来降低油温，使其满足液压系统的工作要求。

在泵站装配中，冷却器装在系统的回油路上，使回油冷却后再回油箱。 ② 冷却器的选择

在本设计环境中，通过管道管壁，冷却器可以吸收一部分液压油中的热量，加快热量散发。同时还能在液压油中制造紊流，来增加油液的传热系数。对冷却器的基本要求是：保证散热面积足够大，散热效率高和压力损失小的前提下，要求结构紧凑，坚固，体积小，重量轻，最好有自动控制油温装配，以保证油温控制的准确性。

冷却器分为水冷式和风冷式，设计中选用的是水冷式，水冷式又分为多管式，板式，片式等。这里选用的是较常用的多管式。这种冷却器采用强制对流的方式，因此有较好的冷却效果。

冷却器对油液由一定的阻力，使油液通过冷却器有压力损失。因此可在冷却器上并联一截止阀，当油液不需要冷却时打开截止阀，使油液直接会油箱。

3.6 管道尺寸确定 3.6.1 管路材料

根据本试验台的工作条件选用无缝钢管，其材料的机械性能为：σb=400MPa；σs=195MPa；ψ=45%；δs=22%。无缝钢管拥有耐压高，变形小，耐油，抗腐蚀等优点。虽装配时不易弯曲，但装配后能长久保持原状，用于中高压系统。无缝钢管由冷轧和热轧两种。

在泵站中，主泵与电机正常工作时一般会产生振动。可以在泵的进出油口加软管或在电机座下安装减震垫消除震动，以防止油液将这种震动传递到系统或油箱从而影响系统正常工作，。设计中可采用是橡胶补偿接管和胶管接头总成，安装在泵的进出油口。

不合理的管路安装，会不便于设备的安装维护。而且会造成大的压力损失，以至于出现震动噪声等现象。

3.6.2 管接头

在液压系统中，金属管之间，金属管与元件之间的连接，可采用多种方式。如焊接连接，法兰连接和管接头连接等。若采用焊接连接的方式，由于采用焊接手法及焊接技术的不同，焊接质量不能得到保证。而且焊接连接容易断裂，故不

建议采用。采用法兰连接有工作可靠，拆卸方便等优势，但缺点是尺寸较大，因此，只有在管道外径较大时采用。一般情况下，多采用管接头连接。

管接头连接的形式分为三大类，包括焊接管接头，卡套式管接头，快速接头。 焊接式管接头，具有结构简单，制造简单，密封性能好等优点。工作压力可达31.5MP，应用较为广泛，在泵站装配图中，选用此接头形式。因此设计中没使用，不再叙述。

在泵站的装配中，主要使用焊接时管接头连接。但缺点是焊接量小，要求焊缝的质量高。

注意各端直通管接头与各元件结合时，结合面上的密封圈不能漏掉。 管夹:

管道应选用管夹固定好，以防止管道的震动。

管夹分为三类：一类是普通管夹。根据管子数量分为单管夹，双管夹和多管夹。另一类是高压管夹。主要用于中高压环境下的管道，其中间木块为增加阻尼，避免震动。第三类是用木块托住钢管。用螺栓固定 ，多用于中低压管路中。

3.6.3 管路的选择安装

管子的内径按流速选取

Qd1.13m

v式中 Q——液体流量 m2/s v——流速 m/s。对于本系统取1.2m/s。 油管的内径 d 根据式：

d4.63q1式中：q1——通过油管的流量(L/min) V——油管中的允许流速（m/s） 其中：

压力管路流速：v=5～7m/s 回油管路流速：v=2～5m/s 吸油管路流速：v=0.5～3m/s

v代入数据：

控制油管路：q1=63L/min;v=3m/s得d=22mm 回油管路：q1=530L/min;v=5m/s得d=48mm 压力油管路：q1=261L/min;v=5m/s得d=34mm 油管壁厚的确定 油管壁厚按公式

pd/2p

式中：p——关内最高工作压力（MPa） d——油管内径（㎜） [p]——油管材料许用应力

对于钢管，[бp]=бb/n（бb为材料的抗拉强度，n为安全系数） 当p≦17.5Mpa时，n为6；当p≧17.5Mpa时，n=4 代入数据得

压力油管路：p=28Mpa，n=4，δ≧4.76㎜ 回油管路：p=3.5MPa，n=6，δ≧1.26㎜ 控制油管路：p=3.5MPa，n=6，δ≧1.26㎜ （3）油管安装要求

由于系统对油液的精度要求较高，全部管路应进行一次管道拆卸，要清洗后干燥，并且涂油以及进行压力测试。最后安装时要保证管道和阀内的清洁。

当全部安装后，必须保持油路，油箱的清洁度，使整个系统能正常工作。在设计中，泵占用空间应尽量小，所以整个泵站各个元件在位置布置上显得紧凑，辅助泵，吸油滤油器及回油滤油器都装在油箱盖板侧壁上。

3.7 管道的密封

为了保证系统的正常工作和使用寿命，应该系统的管道采取密封，这样做的目的可以保证系统的清洁度以及油液的清洁度。所以在管道连接处应该采用适当的密封圈来使管道达到密封的效果。密封圈的型号主要有O型密封圈、O型圈、包覆密封圈、y形密封圈、v形密封圈等。本课题选择O型密封圈，因为O型密封圈具有形状简单，价格低廉，制造容易等优势。

密封圈的工作原理：

① 自由状态下，油封唇口内径比轴径小，具有一定的过盈量；

② 安装后，油封刃口的过盈压力和自紧弹簧的收缩力对旋转轴产生一定的径向压力；

③ 工作时，油封唇口在径向压力的作用下，会形成0.25-0.5mm宽的密封接触环带。

安装时的注意事项：必须在密封圈上涂油，同时保证骨架油封与轴心线垂直，若不垂直，油封的密封唇会把润滑油从轴上排干，也会导致密封唇的过度磨损。

3.8 系统阀块设计

阀块是各种阀的安装载体，在液压系统中起着重要作用。阀块可以用来减小各阀之间压力损失，提高系统的运行精度。系统中各阀集成到一起也便于安装、调试和操作

在振动台系统中，共设计有三个阀块。系统中所有的液压阀全部安装在三个阀块上。阀块分别为：阀块A，阀块B，阀块C。

阀块A位于油源出口，安装在油箱顶部，其上有三个单向阀、一个比例溢流阀、

一个先导式溢流阀和一个电液换向阀，总共六个液压阀。高压油通过阀块A进入主油路，并经过阀块A返回油箱。

阀块B安装在油箱顶部，其上有两个电磁换向阀和一个减压阀。做小流量试验时，主油路流经阀块B。

阀块C安装在激振器上，其上有大、小流量的电液伺服阀各一个，液控单向阀四个，压力传感器两个。两个压力传感器用于测量激振器中两个油腔内的油压。

4 液压阻尼器试验台结构设计 4.1 试验台架设计

试验台架是系统进行试验的平台。系统产生的拉压力能达到100T之巨，所以设计采用了封闭式的承力框架结构。在其一端装有“液压激振器”，在另一端安装长度不同的长度调节加长杆来完成位置调整，这样目的是为了能够对不同规格的液压阻尼器进行测试。如下图4.1所示：

图4.1 液压阻尼器试验台架

试验台架主要由安装平台29、右支撑立板37、左滑动板5、右滑动4、左支撑立板11、液压激振器17、位移传感器18、拉压（力）传感器34、长度调节杆、液压阀块C33等组成。

4.1.1 计算设计左、右支撑立板

根据试验台的测试要求，1-33Hz范围内，要对液压阻尼器进行不同载荷的试验，所以其它承受的是交变应力。为了方便设计,首先应该假设一静态数值来估取其值。

(1)计算左右支撑立板尺寸

由所选激振器液压缸的尺寸以及考虑到试验台所测试的液压阻尼器的尺寸

初步假定立板的侧面为A＝l×h＝1600×950＝1.52×106mm2。

选取左右支撑立板的材料为45钢调质，其材料性能为：

b630；s400；s14%。

查机械设计手册得45钢的基本许用应力［］＝329MPa。 根据下列公式（其中W为抗弯截面系数）

M maxmaxW当高为h宽为b的矩形，则

Izbh312bh2 Wh2h26代入数据算得左右支撑立板的厚度为b≥0.0086m，取b=120mm。底部凸缘部分的宽度b1=90mm，其厚h0=60。 (2)左、右支撑板与座连接设计

支撑板与底座采用双头螺柱连接，根据受载分布区域，选用8个双头螺柱，并使他们沿中心线对称布置，这样能够确保连接时受力比较均匀。

由于螺柱主要承受轴向载荷，故按其静强度设计，再对其疲劳强度和挤压及剪切强度条件做精确校核。

由于螺柱材料是塑性的，可根据第四强度理论可以算出螺栓在预紧状态下的应力为：

ca23223(0.5)21.3 故螺栓危险截面的拉伸强度条件为：

ca1.3F04

d12式中，F0—为螺栓所受的预紧力，单位为N； d1—螺栓危险截面的直径，mm； ［］— 螺栓材料许用应力，MPa。

代入数据，求出螺栓的最小直径d1为18.5mm,取d1=20mm。查手册选其型号为GB/T897-1988。

4.1.2 左右滑动板设计

滑动板主要的作用是承受压力，其对另外的力学性能要求较低，所以按抗压强度计算，初选端面侧面A=l×h=1000×400＝8×105mm2。

立板材料45钢正火回火，其力学性能为：b630；s400；s14%。 该系统中载荷随时间变化，故滑动板承受为交变应力。故查机械设计手册得45钢的基本许用应力ca230MPa,由

max其中A=l×b，代入上面公式算出b

Fmaxca AbFmaxca2106N0.0086m8.6mm 230MPa1取整得b=160mm。

中央凸台半径取R=270mm。左侧滑板上固定两个位移传感器，右侧滑板凸台放置拉压传感器。右滑板前放置加长杆用以调节左右滑板的位置，以便适应各种不同的液压阻尼器的试验要求。准备课调节的加长杆，然后根据试验要求通过增加或减少各种加长杆来达到试验所需的长度。垫板厚取100mm，A＝中间凹槽深30mm,半径Ｒ＝100mm。

4.1.3 导向轴的设计计算

导向轴承受的力主要来自水平方向（轴向）的拉、压应力，以及滑板，阻尼器的自重对其产生的弯曲变形。由于导向轴承受的力主要来自水平方向的拉力，承受的力相对较大，所以按其承受拉伸应力要求计算，再进行弯曲强度校核。

选轴的材料为45钢正火，表面高频淬火，以增强其耐磨性。45钢材料性能为：

b630；s400；s14%。

由于本实验为动态脉冲应力所以不能根据常规算法计算，根据机械设计手册的基本许用应力为ca200。

取轴的长度为4000mm，其截面直径为d由材料力学基本公式

maxFFca A2d44得dcaF0221060.056m,取d=60mm。

3.14200对其进行弯曲校核，当两滑板都处于中间位置时，所以最大的应力出现在轴承受处，所以假设两滑板质量都集中于轴中间，轴同时还承受这拉应力，所以受力应该为拉弯组合。对其受力分析得其弯矩图为：

图4.2弯矩图

根据图4.2可知中点承受的弯矩最大，故轴中点处的截面为危险截面。假设中点B的最大压力为5000N，根据第三强度理论对其进行受力分析：

cmaxFNMmax AW代入已知数据得dmin11mm,本系统中d=60mm≥dmin，满足设计要求。 导向轴轴端加工螺纹，与M48螺母联接，固定在两个立板上。

至此，试验台架主体结构设计基本完成，然后再选择合适的传感器等辅助元件。

4.2 试验台的电控系统 4.2.1 油源的电控系统

随着控制技术发展，液压油源控制系统多采用可编程控制器作为控制系统核心，简化控制系统，提高系统的可靠性。使系统的控制方式灵活多变，维修工作变得简单明了。

（1）液压油源控制的主要功能 控制方式：单泵空载降压起动。

启动电机采用的顺序为降压启动、分时停机，以便于减少对电网及系统的冲击。

系统压力控制与压力显示。 动静态试验油路切换控制。

液压油源系统的各种显示及安全保护。 可根据具体要求完成其它控制。 （2）油源ＰＬＣ控制系统

PLC控制柜主要包括以下几部分：油泵电机控制、系统压力升降、系统压力保护、油温控制、液面联锁控制和滤油器堵塞的自动报警。

油泵电机控制

每台泵电机均可以单独启动或停止；也可以事先选定电机后按程序逻辑设置自动顺序启动。当某台电机工作时，电控柜面板给出该泵的工作指示，每台泵均是空载降压启动，所有泵启动后约10秒，建立系统压力。

油泵电机安全保护

每台电机都配有热过载保护，当电机温度过高达到热过载时，电机会停止工作。操作面板上也会给出该电机热过载指示（指示灯亮）。

系统压力控制与安全保护

液压系统压力通过比例溢流阀进行调节。系统压力卸荷通过一个电磁溢流阀完成。当液压系统的压力出现异常时，电控能对系统进行保护和显示。如果油压高于压力上限设定值，泵电机停止工作，操作面板上指示灯亮；如果油压低于压力下限设定值，操作面板上的压力低指示灯亮。

动静态试验油路切换控制

动静态试验通过一个电液换向阀、两个电磁换向阀和4个液控单向阀的切换来完成。采用一个6通径电磁换向阀控制4个液控单向阀的反向打开。静态试验时，三个液压换向阀都不得电；动态试验时，三个液压换向阀都得电。

油温控制与安全保护

由温度计时刻检测油箱内的油液温度。当温度升高到监控区域时打开冷却系统，，进行油液冷却。当温度升高到60度时，操作面板上的指示灯亮起，并发出报警信号，一分钟后泵组停止工作。

油箱液位控制与安全保护

当油箱中液位高度高于或低于高低液位计的设定值，泵电机停止工作，操作面板指示灯亮，并发出报警信号泵组停止工作。

滤油器油污堵塞自动报警

油污超过限定范围时，操作面板上滤油器堵塞的状态指示灯亮。当发现滤油器堵塞后，停机后更换滤芯。

4.2.2 振动台传感器应用

在振动试验台系统中，所测得的各种物理量的测量都要通过传感器传输出来。在本系统中，使用的传感器包括位移传感器（差动变压式位移传感器）、温度传感器（监测油温）、液压油压力传感器（监测系统压力）、力传感器（拉压力）等多种传感器。

差动变压式位移传感器（LVDT）是基于变压器原理的一种高精度的位移传感器。它通过一次线圈与二次线圈弱电磁耦合，是铁芯的位移变化量与输出电压（电流）变化成精密线性关系，差动式位移传感器和激振器的活塞轴的运动同步，将位移信号转换成电信号。电信号与控制电路中的指令信号进行减操作，得到一个偏差信号。偏差信号经过整流、放大后输入伺服阀的控制端，控制伺服阀产生旨在减小偏差信号的运动，从而使系统的位置与指令信号期望的位置趋于一致。

图4.3 振动台传感器应用

5 总结

本次毕业设计的课题是液压阻尼器试验台的设计。液压阻尼器试验台作为检验液压阻尼器的重要试验设备有着极其重要的作用。本课题根据设计要求，设计了一整套全新的液压回路系统。针对振动台动、静态流量变化过大的问题，系统采用了

大、小两个伺服阀的全新结构，动态试验时打开大流量伺服阀、静态试验时打开小流量伺服阀，从而有效的解决了这个问题，为有类似问题的系统提供了参考。当处理大流量、动态试验时，系统要求时间短且流量大，若采用普通液压回路会造成系统能量的巨大浪费，为此系统采用了“定量泵―蓄能器―卸荷阀恒压能源”的能源方式，利用蓄能器组短时间内向系统提供液压油，使系统能源得到充分利用。

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