阀芯旋转式大功率电液激振基础理论和技术

阀芯旋转式电液激振器通过电机驱动阀芯旋转实现高速换向，可以突破阀芯往复式结构存在的局限，其振动波形与阀芯结构、阀芯液动力与阀芯转速的准确解算等问题是制约这类激振技术进一步发展的瓶颈。 建立了阀芯旋转式高速换向阀的压力－流量特性方程和阀芯的受力平衡方程，获得了不同阀口形状下高速换向阀的静、动态特性，揭示了阻尼系数和转动惯量对动态特性的影响规律。研究结果表明：增大阻尼系数，可以增大阻尼比，从而有效抑制阀的振荡和超调，降低调整时间，提高阀的工作稳定性，但阀的响应速度变慢，不利于阀的快速控制；降低转动惯量，可以提高阀的固有频率和阻尼比，从而抑制阀的振荡和超调，提高阀的响应速度。 建立了阀芯旋转式高速换向阀液动力矩的理论计算模型，研究了结构和运动参数对液动力矩的影响，提出了以阀芯转速稳定为目标的液动力矩补偿方法。研究结果表明：液动力矩是阀芯转速的非线性干扰因素；采用提出的液动力矩理论计算公式对阀芯旋转式高速换向阀液动力矩进行计算是可行的；提出的液动力矩补偿方法可有效降低阀芯旋转式高速换向阀液动力矩。 建立了阀口过流面积与振动波形之间的映射关系，研究了结构参数对振动波形的影响，提出了基于振动波形的阀口设计方法。研究结果表明：谐波共振是引起振动波形失真的原因，与三角形阀口和半圆形阀口相比，矩形阀口下的振动波形失真度最低；提出的阀口设计方法可有效提高振动波形的准确性。 对阀芯旋转式高速换向阀内流场进行分析。研究结果表明：随着阀口开度的增大，低压区的范围和位置也发生变化，低压区范围不断缩小，并逐渐从阀口中间向阀口壁面转移；阀口最低压力值随着供油压力的增大而降低，甚至会出现负压区，从而诱发气穴和噪声。 研制了阀芯旋转式激振阀实验台，分别开展了静态特性、液动力矩和振动波形实验。进一步研究了进油方向和回油方向单向通油和双向通油时稳态液动力矩的耦合，验证和完善了所提出的液动力矩理论计算模型、补偿方法以及基于振动波形的阀口设计方法。 基础研究成果为研制各类高频激振阀打下了基础，可满足各领域对于振动模拟和振动机械的高品质激振要求，具有重要理论意义和工程应用价值。 2100433B

频宽、功率和波形决定着各类激振技术的水平，前期研究中发现阀芯旋转式激振器振动波形与阀芯结构、阀芯液动力与阀芯转速的准确解算等问题是制约这类激振技术进一步发展的瓶颈。本项目假设阀芯转速稳定，依据流体连续流动定律获得理想条件下的初步计算模型，继而根据计算流体动力学（CFD）数值模拟和实验结果修正，获得准确的计算方法。在此基础上，揭示液动力等非线性因素对阀芯转速的相互影响规律，提出补偿方法；建立阀芯结构和振动波形的数学模型，提出基于振动波形的阀芯设计方法；揭示激振器内部流体流动规律，提出激振系统优化方法和约束条件；攻克液动力检测和流场观测分析等关键技术，提出振动频率、波形等外部特性和流场、压力分布等内部流动特征的实验方法，研制阀芯旋转式大功率激振器及实验系统。预期成果可突破现有激振技术在频宽、功率和波形失真方面的限制，满足各领域对于振动模拟和振动机械的高品质激振要求，具有重要理论和现实意义。

激振力（exciting force）是指由回转的不平衡质量作为振动系统的振动源产生的周期性简谐振动称为激振力。此不平衡质量为振动偏振子。根据这一原理设计了滑台式振动成型机振动台。

使振动体产生振动的力。其方向或作往复变化，如液压振动，或作360°方向变化，如偏心块旋转振动。液压振动的激振力决定于液压缸内活塞推力，与活塞面积和液体压力有关；单轴偏心块的激振力等于偏心块旋转时所产生的离心力，与偏心块质量、偏心距和转速有关；双轴式偏心块的激振力等于两偏心块离心力的向量和，若两偏心块的初始相位对称、转速相等、转向相反，则离心力时而叠加，时而抵消，形成往复定向振动。

以激振力或振荡脉冲的方式产生振动的装置。 是振动机械的激振源。有偏心块式、液压式、行星 式和电磁式等种。工程机械上最常用的是偏心块激振器。有机械式、电动机式、变频式、变矩式、液压式。

激振器（vibration exciter）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振力。

由于激振器在运行过程中承受的力矩和振动较大，会造成传动系统故障，常见的有轴承室、轴承位磨损等。该类问题发生后，传统方法以补焊或刷镀喷涂为主，但两者均存在一定弊端：补焊高温产生的热应力无法完全消除，易造成材质损伤，导致部件出现弯曲或断裂；而电刷镀受涂层厚度限制，容易剥落，且以上两种方法都是用金属修复金属，无法改变“硬对硬”的配合关系，在各力综合作用下，仍会造成再次磨损。当代西方国家针对以上问题多采用高分子复合材料的修复方法，而应用较多的有美嘉华技术产品，其具有超强的粘着力，优异的抗压强度等综合性能。应用高分子材料修复，可免拆卸免机加工既无补焊热应力影响，修复厚度也不受限制，同时产品所具有的金属材料不具备的退让性，可吸收设备的冲击震动，避免再次磨损的可能，并大大延长设备部件的使用寿命，为企业节省大量的停机时间，创造巨大的经济价值。 2100433B

振动是物体沿直线或曲线并经过其平衡位置所作的往复运动。一般指机械振动。在科学技术中振动一词通常指周期性振动，即每经过一定时间后，振动体回到原来的位置。象钟摆、弦线、音叉等的运动都是。其它如一个物理量通过某一恒定值而在其最大值和最小值之间往复变化的过程，也称振动。例如交变电磁场中的电场强度，磁场强度，交流电中的电流强度、电压等。物体随时间按正弦或余弦规律变化的过程，称谐振动，一般用A=A₀sin (ωt θ)表示(A_o为最大振幅，ω是角频率，θ为初相，t为时间)。如悬挂在弹簧下端的物体的运动就是一种谐振动。物体在不受外力而阻尼又可忽略的情况下，自然进行的振动称固有振动。如击鼓后鼓膜的振动，充电电容器和电感线圈联成回路后，电路中电流的振荡等。振动系统受到阻力作用，造成能量损失而使振幅逐渐减小的振动，称阻尼振动。如单摆因受空气阻力，振荡电路中由于电阻及电磁辐射而使振幅逐渐衰减的振动。振动系统在周期性或非周期性的外力作用下所作的振动，称受迫振动。此外，不具有周期性规律的振动，称无规振动或随机振动。任何复杂的振动都可以由许多不同频率和振幅的谐振动合成，谐振动是最简单的也是最基本的振动。