邢 彤 左 強 楊永帥 阮 健

浙江工業(yè)大學(xué)特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部/浙江省重點實驗室，杭州，310032

0 引言

由于液壓技術(shù)具有功率密度大、易于實現(xiàn)冷卻和過載保護(hù)的優(yōu)點，所以在傳統(tǒng)的低頻激振裝備中有著不可替代的優(yōu)勢。例如，各種類型的液壓振動臺被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈、火箭、衛(wèi)星等部件的振動環(huán)境試驗[1]，工程材料疲勞試驗，行走機械的道路模擬、地震模擬試驗[2-3]，水壩、高層建筑等大型工程的抗震試驗等中[4-6]。工程液壓激振設(shè)備被廣泛應(yīng)用于鑿巖、破碎、夯實、搗固、打樁、鉆孔、壓力加工、篩分等場合。

液壓激振技術(shù)按激振方式原理可以分為直流液壓激振技術(shù)、液壓自激振技術(shù)、交流液壓激振技術(shù)、液壓射流激振技術(shù)和電液伺服激振技術(shù)。近年來，國內(nèi)外學(xué)者研制了一些大推力、多缸、多軸、高頻的液壓激振裝備，出現(xiàn)了交流-伺服液壓激振技術(shù)、電液伺服激振控制技術(shù)等[7]。本文對各類液壓激振技術(shù)的最新發(fā)展應(yīng)用狀況進(jìn)行綜述。

1 液壓激振技術(shù)的研究進(jìn)展

按激振原理分類，振動臺一般可以分為機械式、電動式和液壓式三種類型。從三種類型振動臺性能對比結(jié)果(表1、圖1)可以看出，液壓激振技術(shù)可以獲得的振幅和推力最大，在工程振動領(lǐng)域具有較大的優(yōu)勢。液壓激振技術(shù)在20世紀(jì)60年代和70年代發(fā)展很快，近年來，由于各類大型試驗振動臺的需要，液壓激振技術(shù)又有了新的進(jìn)展。

表1 各種振動臺的比較

圖1 三種類型振動臺應(yīng)用區(qū)域[8]

1.1 直流液壓激振技術(shù)

直流液壓激振裝置具有一般容積式液壓傳動的基本特點，產(chǎn)生振動的結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、性能可靠、振動幅值和振動頻率改變方便，是目前應(yīng)用較廣泛的液壓激振裝置。直流液壓激振可分為強制配流和自動配流兩大類。浙江大學(xué)丁凡[9]研制了一種電動閥控制強制配流式液壓振動沖擊系統(tǒng)，并將其成功地應(yīng)用在液壓剁銼機上，動作準(zhǔn)確、穩(wěn)定，調(diào)整方便，效率高。液壓沖擊振動裝備中使用最多的是自動配流式液壓振動器，配流裝置不是靠外部動力驅(qū)動，而是依靠配流裝置與振動活塞的反饋關(guān)系來驅(qū)動的，分為有閥型和無閥型兩種方式[7]。無閥型液壓沖擊機構(gòu)體積、質(zhì)量大，沖擊能量低，很快便從市場上消失了，有閥型液壓沖擊機構(gòu)已占據(jù)主導(dǎo)地位。圖2所示為雙控式液壓鑿巖機沖擊機構(gòu)，采用前后腔壓力交替高低變化的雙腔控制方案，瑞典Atlas-Copco公司的Cop1238型及國產(chǎn)的YYG80型液壓鑿巖機采用了這種控制方案，控制閥的換向頻率達(dá)50～60Hz。中南大學(xué)在液壓沖擊機構(gòu)的工作機理研究、設(shè)計方法方面處于世界先進(jìn)水平[10]。

圖2 雙控式液壓沖擊器[10]

1.2 交流液壓激振技術(shù)

交流液壓利用液壓管道中的液體波動流量或波動壓力傳遞功率或信號，能實現(xiàn)傳動同步和振動輸出兩種功能。交流液壓振動機構(gòu)可做成一次傳動機構(gòu)，特別適用于振動輸出，如圖3所示的旋轉(zhuǎn)軸配流型振動器即是這種結(jié)構(gòu)；在同時控制多路具有相同運動和速度輸出的同步系統(tǒng)時，交流液壓振動機構(gòu)具有元件少、結(jié)構(gòu)簡單、動作準(zhǔn)確的特點[11]；同時交流液壓振動機構(gòu)還具有高頻率小振幅或低頻率大振幅、功率大以及推力大等優(yōu)點[12]。這些特點非常適合冶金和礦山機械的工作要求，因而交流液壓振動機構(gòu)可廣泛應(yīng)用于破碎、壓實、篩選、運輸、鉆探、打樁、切料、榨油等各種工程機械領(lǐng)域中[13]。

圖3 旋轉(zhuǎn)軸配流型振動器[8]

圖4 轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)的電液激振器

20世紀(jì)60年代中期，美國、日本、加拿大、蘇聯(lián)、聯(lián)邦德國等國家開始探索交流液壓理論，開發(fā)了交流液壓元件，并研制了多種液壓振動試驗臺[14]。1978年，冶金自動化研究所莊鳳齡教授[15]分析了交流液壓錘原理及其應(yīng)用并對基本液壓元件以及系統(tǒng)的性能作了研究。21世紀(jì)初，國內(nèi)外在競相研制交流液壓系統(tǒng)的同時，加強了對基礎(chǔ)理論和可靠性的研究，并不斷開拓其應(yīng)用領(lǐng)域，是交流液壓技術(shù)發(fā)展的又一新階段[13]。日本學(xué)者浦井隆宏等[16]提出了由一個比例螺旋閥和一個高速啟閉的螺旋閥控制兩個單桿活塞的液壓振動系統(tǒng)，研究了其振動頻率、振幅的控制方法。2007年，太原理工大學(xué)廉紅珍等[17]、郝建功等[18]研究了一種轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)的電液激振器，如圖4所示[19]，獲得了較高的激振頻率(60Hz)，但振動幅值調(diào)整需要通過調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)壓力來實現(xiàn)，控制精度和響應(yīng)速度不易提高，難以實現(xiàn)偏置控制。2010年，華南理工大學(xué)丁問司等[20]推導(dǎo)了交流液壓系統(tǒng)主要參數(shù)的計算方法，提出管道特性和負(fù)載特性決定著單相交流液壓系統(tǒng)的振動特性及傳動效率的觀點。

1.3 液壓射流激振技術(shù)

液壓射流式振蕩器利用射流的附壁效應(yīng)，通過噴嘴出口處的控制流體進(jìn)行射流切換，輸出振蕩射流。用射流振蕩器作為控制元件能實現(xiàn)高頻沖擊(3.6Hz左右)。射流沖擊器的結(jié)構(gòu)如圖5所示，激振頻率取決于切換信號頻率和射流元件內(nèi)的分流劈結(jié)構(gòu)。

圖5 射流沖擊器

由于振蕩元件沒有閥心、彈簧等易磨損零件，僅由簡單通道所組成，所以結(jié)構(gòu)簡單、性能良好、不易損壞，成功地應(yīng)用于超深井鉆進(jìn)中[21]。2002年，西安交通大學(xué)吳偉等[22]設(shè)計的井下液壓激振器使用一個液壓雙穩(wěn)射流元件，在套管內(nèi)油層封隔段積聚能量產(chǎn)生壓力振蕩。2007年，長江大學(xué)熊青山等[23]研制了一種閥式射流沖擊器，它與同規(guī)格射流沖擊器相比，在沖擊功及沖擊頻率方面相差不大，但壓耗大幅度降低。

1.4 液壓自激振蕩技術(shù)

液壓自激振蕩器是應(yīng)用不平衡液動力來產(chǎn)生自激振蕩的—種裝置，如圖6所示。它比一般機械式振動裝備結(jié)構(gòu)簡單，耗費功率小，被大量應(yīng)用于鑿巖機和振動篩中。液壓自激振蕩器的振蕩頻率調(diào)整范圍較寬，從幾赫茲到幾百赫茲，振幅會隨振蕩時間的延長而增大，可以安裝止動銷來穩(wěn)定振幅[7]。

圖6 液壓自激振蕩器

20世紀(jì)90年代初，前蘇聯(lián)學(xué)者Astashev等[24]提出了一種新結(jié)構(gòu)液壓激振器，對液流經(jīng)過液壓自激振動體通道時的動態(tài)特性進(jìn)行了分析。同濟大學(xué)薛祖德教授[25]研制了一種結(jié)構(gòu)簡單的自激式液壓振動器，通過仿真和試驗研究了產(chǎn)生振動的條件以及振動器的各項參數(shù)與振動頻率、振幅之間的關(guān)系，該振動器被成功地應(yīng)用在液壓起拔道機上。

1.5 電液伺服激振技術(shù)

電液伺服激振器利用電液伺服閥控制液壓執(zhí)行元件(液壓缸或馬達(dá))做往復(fù)直線振動或扭轉(zhuǎn)振動，它可以實現(xiàn)隨機振動及多個振動缸同步振動[26]。電液伺服激振裝備的頻響范圍取決于伺服閥的頻寬，一般采用比例伺服閥或噴嘴擋板伺服閥作為控制元件，其激振頻率一般在80Hz以內(nèi)[27]。MTS公司和密歇根理工大學(xué)聯(lián)合研制的電液高頻材料疲勞試驗機采用了基于音圈電機的兩級電反饋伺服閥[28]，大幅度提高了激振器的工作頻率，其上限頻率高達(dá)1000Hz[29]。但由于動圈無法貼壁散熱，因而也就限制了頻率的進(jìn)一步提高。

國外的一些著名大學(xué)，如美國加州大學(xué)Berkeley分校、德國的阿亨大學(xué)、日本的東京大學(xué)等研究電液伺服振動技術(shù)已很多年了，在振動模擬技術(shù)研究方面一直處于國際領(lǐng)先水平[30]。1968年，電液伺服激振技術(shù)開始在地震模擬振動臺中運用。美國伊利諾大學(xué)研制了臺面尺寸為3.65m×3.65m的地震模擬振動臺[31]。我國在1997年研制成功第一臺5m×5m三軸六自由度地震模擬振動臺，X向和Y向最大加速度為1g，Z向為0.8g；X、Y、Z向最大速度為60cm/s，最大載荷為300kN。2000年，日本防災(zāi)科學(xué)技術(shù)研究所開始研制世界上最大的3自由度地震臺，水平兩向各有5個激振器，垂直有14個激振器，臺體尺寸為20m×15m×5.5m。地震臺能承受的最大載荷為12MN，最大水平加速度為0.9g，最大垂直加速度為1.5g，最大速度為200cm/s，最大位移為100cm，頻寬為0～30Hz，于2006年1月完成第一次試驗，可模擬里氏7.2級地震[5，32-33]。

1.6 電液交流伺服激振技術(shù)

2007年，浙江工業(yè)大學(xué)Ruan等[34]提出一種應(yīng)用兩自由度電液交流轉(zhuǎn)閥(簡稱2D激振閥)與伺服閥并聯(lián)控制激振液壓缸的方案[35]，如圖7所示。這種激振器輸出的振動頻率、幅值和偏置分別由2D激振閥閥芯的轉(zhuǎn)速、閥的開口量和并聯(lián)伺服閥的開口量控制，大幅度提高了激振頻率，最高激振頻率已達(dá)1250Hz[36]，并獲得了較好的振動波形。

圖7 電液交流伺服激振原理

與電液伺服激振技術(shù)相比，電液交流伺服激振技術(shù)具有如下特點：①實現(xiàn)高頻激振的技術(shù)難度?。虎跊]有導(dǎo)控級的功率損失及滯環(huán)；③振動波形穩(wěn)定，閥開口面積幅值只與閥芯的軸向位移有關(guān)，而與頻率(取決于閥芯轉(zhuǎn)速)無關(guān)；④振動頻率、幅值及零點位置獨立控制，易于實現(xiàn)高精度控制[37-40]。2010年，該方案成功應(yīng)用于某四軸高頻疲勞強度試驗系統(tǒng)中，實現(xiàn)在5～200Hz范圍內(nèi)對試驗對象進(jìn)行同步加載，振動頻率、幅值連續(xù)可控[41]。

2 液壓激振控制方法

液壓工作介質(zhì)受環(huán)境影響大，因此，電液振動臺比電動振動臺的控制難度大。早前一般采用模擬加數(shù)字混合控制方式以獲得較好的性能，近年來更多地采用全數(shù)字式控制，一些新控制方法應(yīng)用在液壓激振系統(tǒng)中，提高了振動臺的工作頻率，改善了高頻時的振動波形和穩(wěn)定性，推動了液壓激振技術(shù)的發(fā)展。

2.1 閉環(huán)和半閉環(huán)控制

振動的激勵信號是通過輸入的期望振動信號與振動傳感器(位移傳感器或加速度傳感器)實際測得的振動信號進(jìn)行比較，并通過振動控制算法而獲得的。比較的方式有逐點實時比較[42]和只對特征值(如幅值、相位和零點位置等)[43]進(jìn)行比較兩種，前者為振動控制的閉環(huán)模式，主要應(yīng)用于液壓機構(gòu)的固有頻率相對于電液伺服閥頻寬較小的低頻振動系統(tǒng)，后者為半閉環(huán)模式，適用于各種用高低頻的電液控制系統(tǒng)。

對于閉環(huán)模式，提高激振頻率一般通過三狀態(tài)反饋和極點配置的方法，抑制或消除液壓諧振，進(jìn)而拓寬電液伺服系統(tǒng)的頻寬，其效果取決于伺服閥頻響特性及通流能力[44]。針對傳統(tǒng)三狀態(tài)控制策略不能解決的跟蹤精度低、魯棒性差的問題，哈爾濱工業(yè)大學(xué)趙勇等[45]基于FEL思想設(shè)計了幅相控制器，該設(shè)備具有跟蹤精度高、結(jié)構(gòu)簡單、運算量小的特點，能夠滿足對實時性要求很高的液壓振動臺控制系統(tǒng)的要求。

2.2 非線性補償控制

國際上幾家著名的電液振動臺生產(chǎn)研究單位主要采用三參量控制和前饋補償?shù)膹?fù)合控制方法[5,46]以及PID控制和前饋補償?shù)膹?fù)合控制方法。這些控制方法都是建立在線性數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，而電液振動臺是一個具有較強非線性的系統(tǒng)，為了補償非線性干擾，近年來國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的探索性研究，有代表性的研究成果有：Dozono等[47]、Dai等[48]提出的利用非線性作用力的實時補償技術(shù)來改進(jìn)系統(tǒng)的跟蹤性能；美國海軍研究生院Karpenko和加拿大曼尼托巴大學(xué)Sepehri共同提出了將定量反饋理論應(yīng)用于液壓激振器位置控制，更好地排除了外在的干擾[49]；Nakkarat等[50]提出了一種基于觀測器的反推力非線性控制器，以控制單出桿電液激振器，實驗結(jié)果證明，此控制器的跟蹤控制精度比P控制器和PI控制器的控制精度都高。

浙江大學(xué)的Guan等[51]提出一種自適應(yīng)滑模液壓激振器控制方法，補償線性不確定參數(shù)，特別是由原始控制體引起的各種非線性不確定參數(shù)。長安大學(xué)趙鐵栓等[52]提出了將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)補償器與PID控制器并聯(lián)的控制策略，補償系統(tǒng)參數(shù)攝動、非線性和外界擾動對系統(tǒng)控制性能的影響，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度，實現(xiàn)了智能控制電液無級調(diào)幅系統(tǒng)。燕山大學(xué)孫俊磊等[53]提出用李雅普諾夫穩(wěn)定性理論設(shè)計基于廣義誤差的模型參考自適應(yīng)控制方法。根據(jù)被控對象或可調(diào)系統(tǒng)的輸入量和輸出量來設(shè)計自適應(yīng)系統(tǒng)，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且參數(shù)受擾后可在大范圍變化。

2.3 多軸振動控制

多軸振動試驗臺的各自由度之間存在交叉耦合，即使采用了各振動方向相互獨立的機械解耦裝置，交叉耦合效應(yīng)仍不能忽略，這主要是由于試件動力反饋效應(yīng)作用的結(jié)果，當(dāng)控制點選擇在試件上時，交叉耦合更為明顯。

對于電液振動臺參數(shù)的相互耦合關(guān)系，Smallwood[54]、Vaes等[55]提出采用系統(tǒng)的頻響函數(shù)矩陣進(jìn)行交叉耦合補償和驅(qū)動信號修正以補償交叉耦合，實現(xiàn)解耦控制。STI和Wyle公司采用基于頻域迭代與修正的控制算法，減小頻率和幅值的相互耦合影響，提高控制精度[56]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)沈剛等[57]提出采用壓力鎮(zhèn)定控制器削弱系統(tǒng)中各激振器間的內(nèi)力耦合，減小能量內(nèi)耗，但壓力鎮(zhèn)定控制器對振動臺系統(tǒng)加速度性能指標(biāo)影響較大。關(guān)廣豐等[58]提出在6自由度控制回路中增設(shè)兩路“扭曲”控制回路，基于扭曲控制策略對傳統(tǒng)壓力鎮(zhèn)定控制器進(jìn)行改進(jìn)。試驗結(jié)果表明，該方法能夠明顯改善振動臺系統(tǒng)低頻段的加速度均勻度和橫向分量指標(biāo)，改進(jìn)后的壓力鎮(zhèn)定控制器能夠有效削弱系統(tǒng)中各液壓缸之間的內(nèi)力。哈爾濱工業(yè)大學(xué)楊宇等[59]提出了基于動力學(xué)的Stewart平臺振動控制策略，實驗證明，該方法能夠有效地抑制大負(fù)載、高質(zhì)心條件下所造成的耦合運動，使得振動控制精度大幅度提高。

近年來，國外功能較為完善的多軸振動控制系統(tǒng)已具有多軸隨機振動、多軸正弦掃描振動、多軸瞬態(tài)振動、多軸時間歷程復(fù)現(xiàn)以及多軸隨機加正弦、多軸隨機加隨機等各種振動控制功能，其控制精度可以達(dá)到目前商品化的單軸振動控制系統(tǒng)的水平，能夠滿足多軸振動試驗環(huán)境的要求[60-62]。我國浙江大學(xué)開發(fā)的基于雙DSP的實時振動試驗系統(tǒng)，僅能完成沖擊、正弦、隨機試驗。國內(nèi)的電液振動試驗臺基本上是引進(jìn)國外振動控制系統(tǒng)的[63]。

3 總結(jié)

圖8示出了六種類型液壓激振技術(shù)典型實例的響應(yīng)頻率f和工作行程L之間關(guān)系，其研究者如下：1-丁凡等，2-薛祖德等，3-陳家旺等，4-劉紹華，5-MTS公司，6-阮健等。從圖8可以看出，電液伺服激振技術(shù)適合于高頻響小振幅場合，新出現(xiàn)的電液交流伺服激振技術(shù)為數(shù)千赫茲的超高頻液壓激振技術(shù)的發(fā)展提供了可能，高頻液壓激振技術(shù)方興未艾。

圖8 六種類型液壓激振技術(shù)的性能比較

多缸、多軸的液壓振動裝備及其控制技術(shù)是近年來的研究熱點，我國的研究工作取得了長足的進(jìn)步，已經(jīng)接近國際水平。

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