1000Hz高频疲劳试验系统的实验与仿真研究

　　1　引言

　　目前高频疲劳试验机主要是电磁激励的共振型疲劳试验机、电液伺服谐振式疲劳试验机以及压电晶体振荡式的超高频拉压疲劳试验机[1]。电液伺服式疲劳试验机能对各种部件施加静负荷和动负载,如图1所示[2],能实现高负荷、高频率、低消耗,缩短了试验时间,降低了试验费用。受到伺服阀频宽的限制,电液伺服式疲劳试验机的很难超过200 Hz。本文中介绍一种用于高频疲劳试验的电液激振实验系统,通过高频激振阀控制液压缸能够实现很高的振动频率。

　　2　工作原理与液压马达选型计算

　　实验系统如图2所示, 2D激振阀控制液压缸输出高频振动,此时机架板作为一种弹性模量很高的弹性元件产生振动。液压缸为内径150 mm的双出杆活塞缸,液压缸内置位移传感器。2D激振阀是新结构的交流阀,通径为16 mm,由液压马达经变速器驱动阀芯转动,液压马达转速由伺服阀控制,另外,阀芯可轴向移动以调节流量,轴向运动由伺服电机通过偏心机构驱动。通过德国某公司的高频载荷传感器测量激振力。采用数字示波器采集并显示激振力的波形,自制的控制器对伺服阀和伺服电机进行控制。

　　电液激振器的工作频率f等于2D激振阀的阀芯转速n与阀芯槽口和阀套窗口之间的每转通断次数m的乘积。当工作频率很高时需要较大的驱动扭矩,因此,选用液压马达驱动激振阀转动。2D激振阀高速转动时阻力扭矩主要是阀芯与阀套间隙油液的内摩擦阻力和变速器低速轴油封处的摩擦阻力,由于变速器低速轴油封处的摩擦阻力相对较小,主要计算阀芯与阀套间隙油液的内摩擦阻力。

　　考虑到油封等其他因素产生的内摩擦力,阀芯的实际扭矩应该乘上一个安全系数,大概取理论扭矩的1. 5倍,即

　　根据计算,实验选用GM5-5-AE13F-20型号的高压齿轮马达,该液压马达的理论扭矩达为16. 5 N·m,足够满足要求。

　　3　激振阀的阀口流场仿真研究

　　实验发现2D激振阀工作时有非常大的噪声,随着液压马达转速提高,激振阀切换频率增加,噪声越来越严重,操作人员很难忍受。由于液压元件中的气穴现象是噪声的重要来源,那么进行激振流场分析,找出气穴形成的规律,从而控制并减少气穴的生成是十分必要的。仿真研究采用fluent软件,建立了转阀阀口的动网格模型,分析了P-A口的流场。阀芯槽口与阀套窗口不同位置时的压力云图、压力等值线图和速度流线图,如图3所示激振阀在1000Hz切换频率时,阀芯槽口与阀套窗口处于如下相对位置时,阀口处的都有明显的气穴出现,其中图3b位置时气穴指数最大。仿真结果表明,在阀口关闭的瞬间开始出现较多的气穴,相对移动2 mm后,气穴规模最大,相对移动2. 5mm时,气穴规模与开始瞬间相同,气穴主要集中在阀口边缘。