高频电液激振器相位同步控制的研究

    0　引言

    在多激振器的振动系统中,若多个激振器之间的振动输出位移的相位差为零或保持恒定值,则认为该振动系统实现了振动同步。

    Blekham等[1-2]提出了双激振器振动的同步理论并给出了振动同步的统一表述和表达方程;Wen等[3]提出了基于平面运动与控制运动的同步理论、近共振自同步以及振动传动机制;韩俊伟等[4]提出了三状态控制算法,并将其用于提高振动系统的控制精度;袁宏杰等[5]提出了单轴多点激励的正弦振动控制算法。随着多轴振动系统的广泛应用和振动同步研究的发展[6-8],同步理论在工程实际中已得到了很好的应用[9]。

    本文在对2D阀[10]阀控电液激振器液压动力结构的运动过程进行分析讨论的基础上,建立其数学模型,研究液压缸活塞位移与2D阀阀芯轴转速和轴向滑动位移之间的关系,给出系统的相频特性曲线,分析和讨论激振频率和2D阀阀芯轴向开口大小对相频特性的影响,最后建立试验装置对仿真结果进行验证。

    1　电液激振器的数学模型

    电液激振器由2D阀、双出杆对称液压缸和负载等组成。2D阀阀芯具有周向旋转和轴向滑动两个自由度,它们分别用于控制液压缸活塞输出的激振频率和幅值,周向旋转由一伺服电机驱动,轴向滑动由另一伺服电机通过一偏心轮机构控制。当2D阀阀芯旋转时,沿阀芯台肩周向均匀开设的沟槽(相邻两个沟槽的圆心角为β,每个沟槽所对应的圆心角为α)与阀套上的窗口重叠形成的节流阀口面积周期性变化,这使得液压缸两腔的油液压力发生周期性变化,驱动液压缸活塞做往复运动,活塞运动频率和幅值分别与2D阀阀芯转速和轴向滑动位移成正比。图1所示为电液激振器阀控液压缸的液压动力机构。

    2D阀中的4个节流阀口符合匹配-对称原则[11],供油压力为ps,回油压力p0=0,液压缸左右两腔的压力和体积分别为p1、p2和V1、V2。假设液压缸活塞初始位置在负的最大位移处,运动速度为零,阀芯也处于初始位置,各阀口关闭。当阀芯转动时,阀口Av1和Av3的面积A1和A3从零开始增大到最大值,阀口Av2和Av4(阀口面积为A2和A4)关闭,液压缸左腔进油、右腔回油,活塞两端油液的压力差形成的推力推动液压缸活塞往右运动,图2a为阀口面积A1和A3处于最大值时,阀口Av1和Av3所在台肩的阀芯和对应的阀套的剖面图,此时阀芯上的沟槽和阀套上的窗口重叠形成的节流阀口的周向边长最大,θ为阀芯从初始位置开始的角位移。图2b为阀口面积A1和A3处于最大值时,阀Av2和Av4所在台肩的阀芯和对应的阀套的剖面图。当阀口面积A1和A3从最大值逐渐减小时,阀口Av2和Av4仍然关闭,液压缸左腔继续进油、右腔继续回油,活塞继续向正的最大位移处运动。在阀口面积A1和A3为零时,活塞到达正的最大位移处。阀芯转角θ从零到2α的过程中,液压缸活塞从负的最大位移处运动到正的最大位移处,阀口Av1和Av3的周向边长yv1可以表示为