3464 雙面鏜孔組合機床液壓系統(tǒng) 油路塊與泵站總成設計

3464 雙面鏜孔組合機床液壓系統(tǒng) 油路塊與泵站總成設計,雙面,鏜孔,組合,機床,液壓,系統(tǒng),油路,泵站,總成,設計 基于實驗方法的水壓部件完整性評估摘要水壓系統(tǒng)歷史悠久, 2500 年前就困擾著很多工程師。最近在關注環(huán)境和健康條件的地區(qū)，由強大的油壓系統(tǒng)所代替。轉折點出現在 90 年代早期，隨著材料和設計的進步，使用水作為液壓流體成為可能。軸向柱塞馬達普遍適用于提供高扭矩的液壓系統(tǒng)。本文主要介紹了在水壓動力系統(tǒng)中水壓馬達工作時活塞質量的檢測和評估。在水壓系統(tǒng)中不同的壓力下，可以檢測不同的活塞工作狀態(tài)。在水壓馬達內模擬出可能的活塞裂痕。水壓馬達被控制可捕捉振動信號，并能將故障狀態(tài)與健康狀態(tài)做對比。水壓馬達活塞的不同裂縫尺寸在加載后可獲得不同的特征值。結果顯示在水壓系統(tǒng)中不同的壓力下振動信號頻譜中主頻峰的振幅可以有效的檢測出不同的活塞裂紋狀態(tài)。關鍵字水液壓系統(tǒng) 軸向柱塞馬達 水質液壓元件 振動分析 完整性評估簡介隨著經營石油為基礎的液壓系統(tǒng)對環(huán)境越來越多的影響和環(huán)保組織越來越多的關注，在過去幾年，最激動人心的流體動力工業(yè)發(fā)展已進入水力學，這涉及到使用自來水替代石油作流體動力進行傳輸。水液壓涉及清潔能源使用中的發(fā)射功率，其使用與全球服務熱線一樣是維護我們的環(huán)境。水液壓系統(tǒng)已用于農業(yè)，林業(yè)，食品，制藥，造紙等行業(yè)[1-3]。軸向柱塞馬達是常用的水液壓系統(tǒng)，以提供高扭矩和高性能。影響活塞型機的主要元件是活塞，而活塞保持正?；颈憩F常取決于活塞在汽缸中運動的順利和有效性?；钊械倪@些裂縫會影響滲漏和氣缸滑動表面的摩擦。這個裂縫將擴大，并逐步引起電動機的性能惡化，最終也可能產生一個危險的狀況，如在運行條件下[4] 突然關閉。軸向柱塞斜板型液壓馬達是由一個離散的活塞組成，它使扭矩輸出為正弦符號以實現離散數。這就阻止了源源不斷的生產以及一個軸向活塞泵的流量輸入的順暢。一些活塞動作的流體位移正弦的一些特點得以保持。保留的這些正弦特性通常為軸向柱塞馬達產生流量脈動和液體傳播的振動（噪聲）和結構傳播的振動。在過去 30 年來，出現了大量的研究軸向活塞馬達/泵的文獻。這些文獻主要集中在對變量泵斜板的控制【5-7】。在發(fā)表的文獻中已經解決浮冰放電的波動問題。曼林[8]用一個封閉形式的表達式來描述流量脈動的特點以及流量脈動的紋波高度和脈沖頻率。為了減少壓力脈動和系統(tǒng)噪聲，哈里森和 Edge[10]創(chuàng)造了新的計時機制來減少液壓系統(tǒng)的流量脈動源。榮一小島和 Massac Shined 調查得出流體傳播的噪音是由泵的流體特性所產生的[10] 。他們還研究了模型和流體噪聲特性檢測方法。一些研究人員提出了泵的流體傳播的噪聲特性，泵的壓力脈動，流量脈動特性的測量試驗方法[11-13] 。Edge 夫婦提出了軸向柱塞泵流量脈動的理論模型[14]的軸向活塞馬達的動態(tài)特性是非線性的，影響軸向活塞發(fā)動機性能的因素是復雜的。由于在模型的復雜性，軸向柱塞液壓馬達的振動源和水的傳輸路徑的理論分析沒有引起像實驗調查那樣的注意。然而，最近已經有一些在這方面工作報告，研究了軸向活塞泵內的由氣缸到旋轉斜板的振動能量傳輸特性[15]。Viand LU 研究了振動和軸向活塞泵液壓油狀態(tài)監(jiān)測問題 [16]。調查表明，振動的主要來源是活塞/拖鞋進入預壓縮過程時拖鞋和斜板的之間的碰撞，這種碰撞力可能激發(fā)了泵殼共振。巴哈爾等開發(fā)了一個數學模型來研究軸向錐形缸體的油壓恒功率柱塞泵的振動特性的機制[17]。他們采用了傅立葉變換在軸向活塞泵的振動分析。陳等人研究了一個現代化的水液壓系統(tǒng)的一個斜板水液壓馬達的動態(tài)分析[18]。一個由三個模塊和 14 自由度系統(tǒng)組成的斜板建模機制。在其他方向的模擬信號表明，在所有方向振動信號主要由液壓泵和液壓馬達轉動頻率組成。大量的故障的石油和其他機械液壓系統(tǒng)故障診斷工作為狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的水液壓系統(tǒng)提供了有用的參考[19-21] 。水液壓馬達故障診斷是提高水液壓系統(tǒng)可靠性和性能的重要方面，本工作用實驗方法探討了診斷故障水液壓馬達的活塞裂縫尺寸和位置。水液壓馬達振動機理這里所說的執(zhí)行機構是在水液壓系統(tǒng)中使用的五軸向柱塞液壓馬達。安裝在 12.5 毫安時水液壓馬達上的加速度計是為了從馬達上獲取振動信號。丹佛斯提供了完整的水液壓系統(tǒng)。圖 1 顯示了水液壓馬達[1]的總體結構。軸向活塞馬達主要由一個有入口和出口的閥口板，一個斜板，一個外殼，一個缸體，一些由鞋，偏置彈簧，法蘭端口和軸組成的活塞等。活塞裝在氣缸桶內壁上的孔上并和輸出軸在同一軸線。隔板以一個角度定位，作為活塞表面并限定滑塊行程?；瑝K在與斜由護環(huán)和偏置彈簧鋼板接觸。該端口板從排放液體中分離液體。輸出軸連接到缸桶。1 定位環(huán) 2 球形外表面和襯套 3 缸體4 彈簧 5 推力盤 6 港口法蘭7 靜壓軸承 8 密封裝置 9 電機軸10 閥口板 11 外殼 12 活塞13 落水斜口 14 斜板 15 軸承 FIG.1__Swash plate water hydraulic motor with five pistons活塞帶動缸體利用供應口壓力以一恒定角速度 w 繞 Z 軸旋轉四周。每個活塞定期通過閥板上的供應和回程線路端口?；瑝K靠在防波板的傾斜面上。活塞經過了一次進出缸體振動位移。當活塞經過供應缸口時，由于壓力過大導致活塞缸體退出，活塞越過返回線路端口時流體被推出活塞腔外?；钊透左w這些動作的重復就完成輸出扭矩的基本任務。隨著水進入進出液壓馬達，在汽缸室壓力完成從高壓到低壓的轉變，這將產生壓力脈動。汽缸區(qū)域內的總供給端口的變量是作為一個活塞供應缸口通過循環(huán)變化的結果。這些變量產生軸向輸出力矩的變化。它從活塞傳到斜板和閥蓋。但支撐斜板的力與支撐閥蓋的力的方向相反。這就是液壓馬達本身作為振動源的結果。第 n 個活塞腔壓力升高率的公式寫為[5])sin(ta0)cos(ta2)(AprVnAprKPCdoPnbsigdP???????????（1）其中： Cd 為攝入孔口系數變，A0 為開口面積，為電機角速度，?r 為活塞節(jié)距半徑，A 為斜板角度，P 為液體的質量密度，K 為泄漏系數，θn 為水液壓馬達的旋轉角度，Ap 為活塞面積，V0 為活塞室的標稱容量。無論活塞孔對準閥板的進水口或者出水口， A0 區(qū)域總保持最大恒變量。活塞在最大壓力值（排氣壓力）和最小的壓力值（進氣壓力）之間轉移。如式 1 所示，考慮泄漏流量，活塞的壓力（PN）下降，當泄漏流量增加，內活塞（PN）的壓力下降也增加。活塞的裂紋導致泄漏時，在馬達流量排放率也略有下降，結果導致降低電機的轉速。由于馬達和泵體產生的兩壓力脈動之間的相互作用，液壓系統(tǒng)產生更復雜的脈動振動（噪聲）。流體附帶振動引起結構的附帶振動，對電機和水泵的壽命產生負面影響。Kojima and Shined [10] and Edge 等研究了產生流體傳播的振動的組合線路，此線路主要由泵，馬達，和連接管組成[11,12]。壓力脈動是基本元件在一般的液壓系統(tǒng)中獲得的活塞頻率特性?；钊煤婉R達中的壓力波動主要是由于間歇脈沖回流入氣缸在底部和頂部死點附近的腔體時產生的。液壓系統(tǒng)的流體傳振動的固有頻率有兩個流量和壓力脈動源分別由泵和馬達產生。水液壓馬達和泵的基本頻率是由如下公式決定：f=zN （2 ）其中：f 為液壓泵和馬達的基本頻率，z 為活塞個數，N 為液壓泵和馬達的轉速。軸向活塞馬達的振動響應是由加速度計產生的。圖 2 顯示了振動響應的典型波形圖。人們通過這個波形圖可以很容易辨別不同的活塞激發(fā)的脈動高峰。壓力增加產生峰值振幅 [16]，這時，加速反應的能量超過 15 千赫，這些能量分為低中高三個頻段，低頻段為：0-2,000 赫茲，中間頻段:2,000 - 6，000 赫茲，而高頻段：6,000 赫茲以上。并且這三個頻段各頻率的反應各自有不同的激勵機制。低頻由基本頻率與諧波成分組成而成。中頻是由壓力脈動和流量脈動所產生的結構振動所產生的。高頻是結構共振所產生的。 圖 2 – 典型振動響應波形的水液壓馬達圖 3.水液壓馬達測試裝置和信號采集系統(tǒng)實驗裝置和程序在圖 3 所示的水液壓馬達試驗裝置，由一個 12.5 毫安時尼斯湖水水液壓馬達，無刷伺服電機，數字扭矩儀，以及水液壓系統(tǒng)組成。圖 4 所示為水液壓系統(tǒng)原理圖，水液壓系統(tǒng)允許軸向活塞馬達在轉速在 300-3,000 轉/分和扭矩在 0-6Nm 范圍。數字扭矩儀是由一個檢測器和一個操作顯示屏組成。該檢測器將與電機軸扭矩成比例的軸旋轉角度轉換成相位差信號，并提供了一個旋轉探測器和一個扭桿變速箱用來測量探測器的軸轉速。操作顯示屏是一個與信號同步的扭矩變換器，同步顯示扭矩和轉速的數字值。無刷伺服電機在提供 0-10.2 nm范圍內的電機轉矩的精確度和穩(wěn)定性上具有明顯優(yōu)勢。數字伺服控制模塊控制無刷伺服電機并使其產生恒定的輸出轉矩。任意函數發(fā)生器可以輸出直流電壓給數字伺服控制模塊以調整伺服控制電機的輸出力矩。安裝在個人計算機上軟件控制界面也可以控制和顯示數字伺服控制系統(tǒng)。圖 4.水液壓系統(tǒng)的示意圖圖 5.液壓馬達活塞裂痕的不同程度和位置壓電加速度計（Bruel 及 Kjcer 型 4393）安裝在水液壓馬達電機進口附近的外殼上。加速度計的輸出信號同時輸入到放大器和 5B41 過濾器，用來降低噪音及過濾混淆頻段。LabVIEW 的數據采集卡（在-的 MIO - 16L 型- 9 國家儀器公司）是用來將模擬信號轉換為數字信號。在這項工作中充分考慮信號類型，采樣率服從奈奎斯特公式并選為采樣率 2,000 赫茲。各實驗運行時電機的轉速為 630轉/分可拍攝 2,048 個數據點的時間記錄。首先，輸出軸力矩為 2 Nm 的 Nessie電機可以獲得五個活塞條件下的振動信號，然后輸出力矩軸為 5 Nm 的 Nessie電機獲得五個活塞條件下的振動信號。此振動信號的數據點包含轉矩和速度檢測器檢測的電機自轉周期。信號特征同時可以充分說明電機在自轉周期。使用電火花機驅動的尼斯湖水怪電機的軸向柱塞模擬一個活塞裂紋，裂縫為 0.1 毫米寬。這項研究工作中有五個運行的條件，他們是正常條件（NC）和四個不同類型的活塞裂縫的四個故障條件。如圖 5 所示，以便使用尼斯湖水怪電機發(fā)現活塞裂縫位置和活塞裂紋長度的不同，四種活塞裂縫介紹如下：（1） B5mm：裂紋為 5 毫米長，在活塞的后部位置;；（2） B2mm：裂紋為 2mm 長，在活塞的后部位置；（3） F5mm：裂紋為 5 毫米長，在活塞的前部位置；（4） F2mm：裂紋為 2mm 長，在活塞的前部位置。在 NC 條件下和四活塞裂紋各項條件下得到的是第五振動信號。該原始振動信號的總數為 250。結果與討論 在水液壓系統(tǒng)中，振動信號的主要來源是由電機和水泵產生的兩脈動之間的相互作用，低頻是由 0-2,000 赫茲之間基本頻率的諧波成分組成 2,000-6,000赫茲之間中頻由壓力脈動和流量脈動結構振動激發(fā)確定。振動信號與活塞室漏氣具有密切的關系。該振動信號的能量包括振動信號源的許多信息。振動信號的能量是用均方根（RMS）的值來測量的。就如振動信號{× [0]中，x [1]，... × [N - 1]， RMS 值的定義式為（3）2/10][?????????NnxRMS這種能源計量的優(yōu)點是振動信號的能量特性與振動源的能量釋放相關的重要物理參數直接相關。上述參數是用來分析時域振動信號。在頻域范圍內，如主頻元件能量級，在特定的頻段能量的大小是很重要的參數，并與振動信號源的密切關系。振動信號的功率譜密度（PSD）是使用傳統(tǒng)信號的處理方法，它的定義如下：,)/2exp(][][][ 2102?????Nn NknjTkXNTkp ?0≦k≦N-1 （4）其中：P[k]為 PSDX[x]為振動信號 x[n]的離散傅立葉變換T 為采樣周期。PSD 代表信號能量的分布頻率。正如在前面已經討論過，活塞條件與活塞腔的壓力脈動和流量脈動有密切的關系?；钊粔毫ψ兓顾簤厚R達振動信號產生不同的特點。為了研究在0 赫茲和 6000 赫茲范圍內的振動信號的頻率特性，功率譜密度應用于分析水液壓馬達的振動信號。圖 6 顯示了活塞扭矩為 2 牛米時，五個活塞條件下的振動信號的功率譜密度。圖 6（a）給出了活塞裂紋在活塞后部 5 毫米長時，振動信號的功率譜密度。這三個主頻分別為 800 赫茲，3000 赫茲，5100 赫茲?；l是800 赫茲的頻率的諧波，它由水液壓馬達和泵產生并在方程 1 中定義。活塞室的壓力脈動和流量脈動產生的頻率為 3000 赫茲和 5000 赫茲，這個頻率用來評估水液壓馬達活塞的完整性。圖 6（b）給出了當活塞裂紋在活塞后部長為 2mm時，振動信號的功率譜密度.。圖 6（c）和 6（d）給出了活塞裂縫在前部時振動信號的功率譜密度。圖 6（e）顯示了活塞正常條件下的振動信號的功率譜密度。圖 6（b）-6（e）中的三個主導頻率分別為 800 赫茲，1600 赫茲和 3500 赫茲。水液壓馬達和泵的基本信號的諧波頻率為 800 和 1600 赫茲?；钊粔毫φ駝赢a生的頻率為 3500 赫茲。在的。圖 6（b）-6（e）中的主頻與圖 6（a）中的主頻一樣是 800 赫茲。圖 6（b）-6（e）中的其他主導頻率為 1600 和 3500 赫茲，與圖 6（a）中的其他兩個主頻為 3000 和 5100 赫茲是不同。圖 6.活塞扭矩為 2Nm 時，五種不同條件下的振動信號的功率譜密度在本次調查中，我們試圖找到振動信號和活塞條件之間的能源關系。均方根應用于振動信號的頻率分析。正如實驗裝置顯示，一個活塞條件下的 50 個振動信號。得到振動信號的功率譜密度的平均均方根需要兩個步驟：第一，分析振動信號的功率譜密度；第二，用均方根來計算振動信號的功率譜密度。我們分別計算五個條件下的所有活塞均方根平均值。圖 7 顯示了與在圖 6 所示的振動信號功率譜密度的有效值。五個條件下的活塞的有效振幅分別為0.00047，0.00011，0.00016，0.00012 和 0.00014。在五個活塞條件中 B5mm 活塞的 RMS 放大率是最高的。與在其他四個活塞條件下的均方根振幅不同。正如在水液壓馬達振動機理解釋的，當裂紋在后部且長度較長時，活塞室漏泄較大，產生的振動也較大。如圖 7 所示為 B5mm 條件下相應振動信號的幅值大小。圖 7.活塞扭矩為 2Nm 時，不同條件下的功率譜密度的有效值圖 8. 活塞扭矩為 2Nm 時，三個主頻的峰值的幅值我們研究在不同條件下的活塞在特定頻率的能量。圖 8 顯示了當活塞扭矩為2 牛米時，五個活塞條件下的三下，主頻為 F1 的振幅0.0052，0.0018，0.0018，0.0013 和 0.0014。B5mm 下的 F1 的振幅與其他四個條件的 F1 的幅度不同。B2mm 和 F5mm 下的 F1 的幅個主頻峰振幅。F1 表示五活塞條件下的頻率 800 赫茲。在 B5mm，B2mm，F5mm,F2mm 和 NC 條件度是相同的，并且 F2mm 及正常條件 NC 下的 F1 的幅度幾乎相同。f2 表示 B5mm 條件下活塞的頻率 3000 赫茲，它與其他四條件下的活塞頻率為 1600 赫茲不同。在B5mm,B2mm，F5mm，F2mm 和 NC 下主頻是 F2 的振幅分別為0.0036，0.0004，0.0007，0.0001 和 0.0006。雖然在 B2mm 和 F5mm 下的 F1 的幅度相同，但 B2mm 和 F5mm 下的 F2 的幅度是不同。當在 B2mm 和 F5mm 的 F1 幅度相同時， F2mm 和 NC 下的 F2 幅度是不同的。這樣可以用 F1 和 F2 振幅來區(qū)分不同的活塞條件。F3 表示 B5mm 條件下活塞頻率 5100 赫茲和其他四條件下活塞頻率 3500 赫茲。在 B2mm，F5mm，F2mm 和 NC 下的 主頻為 F3 的幅度分別是0.0004，0.0008，0.0003 和 0.0003。B2mm，F5mm 下的第三個主頻的幅度與其他兩個條件下第三個主頻的振幅是不同。在這里，我們研究了水液壓馬達轉速一直改變的過程中，不同壓力下功率譜密度和三個主頻的的特點。圖 9. 活塞扭矩為 5Nm 時，五種不同條件下的振動信號的功率譜密度圖 10. 活塞扭矩為 5Nm 時，不同條件下的功率譜密度的有效值圖 9 顯示當活塞扭矩為 5nm 時，五活塞條件下振動信號的功率譜密度。圖 9（a）顯示活塞裂紋在后部且 5mm 長時，振動信號的功率譜密度。其中的三個主頻為 800，3000，5100 赫茲，與圖 6（a）所示的情況一樣。在活塞腔中由于脈動壓力和流量脈動產生的頻率為基頻諧振頻率 800 赫茲和頻率 3000 和5100 赫茲。圖 9（b）顯示了活塞裂紋在后部并且 2 毫米長時的振動信號的功率譜密度。圖 9（c）和圖 9（d）顯示了活塞裂縫的前部時振動信號的功率譜密度。圖 9（e）所示的是活塞健康時振動信號的功率譜密度。在圖 9（b）-9（e）中的三個主導頻率分別是 800 赫茲，1600 赫茲和 3500 赫茲。圖 9（a）的主頻與圖 9（b）-9（e）的主頻一樣是 800 赫茲。圖 9（b）-9（e）的其他主導頻率為 1600 和 3500 赫茲，與圖 9（a）的其他兩個主頻為 3000 和 5100 赫茲不同。圖 9 與圖 6 相比，三大主導頻率相同，不同的是振幅，圖 9 中的振幅比圖 6 中的要高些。這是由于活塞扭矩從 2 牛米到 5 牛米增大時，活塞腔內的壓力脈動和流量脈動增強，產生強烈了振動信號。圖 10 如圖 9 所示顯示了振動信號功率譜密度的有效值。五個活塞條件下的振幅有效值為 0.0012，0.00018，0.00025，0.00024 和 0.00023。在 B5mm 活塞條件幅度有效值是在五個活塞條件中最高的， B5mm 下振幅有效值比 B2mm 下的高，B5mm 下裂紋比 B2mm 下的長，B5mm 下泄漏比 B2mm 下的大， B5mm 下振動信號的幅值比 B2mm 下的高， F5mm 下振幅是 F5mm，F2mm 和 NC 條件之間最大的，NC 下幅度最小。 這樣活塞的五個條件下的振幅不同，由此來檢測活塞條件。圖 11. 活塞扭矩為 5Nm 時，三個主頻的峰值的幅值我們還分析了在不同活塞條件下活塞在特定頻率時的能量。圖 11 顯示了當活塞扭矩增加為 5 牛米時，五活塞條件下三主頻峰的振幅。F1 表示五個活塞條件下頻率 800 赫茲。B5mm，B2mm，F5mm，F2mm 和 NC 下主頻為 F1 振幅分別為0.007，0.0017，0.0042，0.0045 和 0.0037，由于它們各不相同，就用此來分類活塞的幾種不同的情況。B5mm 下的 F2 和 F3 的頻率為 3000 5100 赫茲，其他四活塞條件下的 F2 和 F3 的頻率是 1600 和 3500 赫茲。B2mm, F5mm, F2mm, and NC 下的主頻為 F2 的幅值分別為 0.001, 0.0021, 0.0011, and 0.0026。B2mm, F5mm, F2mm, and NC 下的主頻為 F3 的幅值分別為 0.0009, 0.0013, 0.0008, and 0.0007。五個活塞條件下的三個主頻幅值是不同的。與圖 8 相比，三個主頻頻率一樣，但主頻的幅值要高。結論：本文的重點是以自來水液壓動力系統(tǒng)為工作原理的水液壓馬達活塞質量的檢測和評估。模擬活塞裂縫不同大小和地點的水液壓馬達。功率譜密度應用于分析在不同活塞條件和不同壓力水液壓系統(tǒng)的水液壓馬達的振動信號。該參數均方根用于計算振動信號的功率譜密度。不同條件下活塞的均方根是不同的。該振動信號頻譜顯示五個活塞條件下的三個主導頻率的振動信號。結果顯示在不同的活塞裂紋條件下的振動信號頻譜主頻峰的振幅有變化。水液壓系統(tǒng)的不同壓力下，三個主導頻率相同。這一趨勢和三個主頻振幅特征是相同的?；钊ぞ貜?2 增大至 5 納米時這三個主導頻率的也幅度增加。。