地震体验装置液压系统设计研究_毕业设计(编辑修改稿)

地震体验装置液压系统设计研究_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

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。 湖北理工学院 毕业设计（论文） 11 频率范围 ： ~50Hz。 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 ： (空载 )/(负载 15t )。 Y 向 ： (空载 )/(负载 15t)。 Z 向 ： (空载 )/(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 :字发展。 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。 湖北理工学院 毕业设计（论文） 12 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： 应用高级 微处理器的高性能液压机 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 ： 4.热继电器。 （ 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： 5.功能模块。 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 BROWN BOGGS 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。 湖北理工学院 毕业设计（论文） 13 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。 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。 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 控制系统 液压激振系统 台面及支撑系统 液压油源系统 湖北理工学院 毕业设计（论文） 14 3)液 压缸 参数选取和设计 4) 2D 数字换向阀 选取和设计 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。 湖北理工学院 毕业设计（论文） 15 第二章液压系统功能原理设计 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。 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 %。 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 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， 大 地震过程 当 中，其振动的能量主要 在 0~5Hz的频率区间，加速度最大值为 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 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 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。 湖北理工学院 毕业设计（论文） 16 大地震部分参数 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 :湖北理工学院 毕业设计（论文） 17 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 SPMPFA 23 算得 A=。 对活塞杆外径 d 和液压缸内径 D 近似处理， 可以得到 Dd  ， 由  224 dDA   计算得 D = ， 又由 GB /T 2348 94 在 圆整 之 后的 D =100m。