超高、大跨度足尺結(jié)構(gòu)多功能試驗(yàn)系統(tǒng)研究

新型試驗(yàn)系統(tǒng)在試驗(yàn)試驗(yàn)試驗(yàn)設(shè)備中的應(yīng)用,對(duì)試驗(yàn)試驗(yàn)的挑戰(zhàn)自隨著建筑業(yè)的進(jìn)步，大型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、大型和大型建筑的快速發(fā)展，不同復(fù)雜的新結(jié)構(gòu)要求試驗(yàn)系統(tǒng)具有大規(guī)模的加載能力、大面積的試驗(yàn)空間、大的加載時(shí)間和載載速度，這對(duì)試驗(yàn)程序的開(kāi)發(fā)提出了質(zhì)疑。1液壓泵組和大流量蓄能器組聯(lián)合供熱萬(wàn)噸級(jí)多功能試驗(yàn)系統(tǒng)具有六自由度加載能力,能夠完成多種復(fù)雜工況下的動(dòng)靜態(tài)加載試驗(yàn)。對(duì)于靜態(tài)加載,系統(tǒng)需要流量比較小,可以使用多臺(tái)泵分組并聯(lián)供油形式。對(duì)于Y向高速動(dòng)態(tài)壓剪試驗(yàn),由于Y向作動(dòng)器速度達(dá)1.5m/s,其需要液壓源的峰值流量達(dá)44000L/min,相對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)要大出很多,從系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)有效性出發(fā),采用液壓泵組和大流量蓄能器組聯(lián)合供油方式實(shí)現(xiàn)。減壓閥用于調(diào)節(jié)及穩(wěn)定系統(tǒng)供油壓力。液壓源運(yùn)行時(shí)的工作原理如圖2所示。1.1系統(tǒng)可主體按壓力的確定經(jīng)營(yíng)工況,系統(tǒng)壓力調(diào)定為根據(jù)工況要求,液壓泵組采用4組電機(jī)泵組,每個(gè)泵組由2臺(tái)工作泵組成,泵站總流量2800L/min。4個(gè)泵組的配置如下:(1)2組采用21MPa供油,總額定輸出流量1400L/min;(2)1組壓力31MPa/21MPa可調(diào),Y向高頻剪切試驗(yàn)前壓力調(diào)定為31MPa并為蓄能器組充油,剪切試驗(yàn)時(shí)壓力調(diào)定為21MPa和其他泵組、蓄能器組一同給系統(tǒng)供油,系統(tǒng)準(zhǔn)靜態(tài)工況試驗(yàn)時(shí)壓力調(diào)定21MPa,直接給系統(tǒng)供油;(3)1組電機(jī)泵組的2臺(tái)泵分別設(shè)置不同的工作壓力:一臺(tái)泵工作壓力21MPa為系統(tǒng)供油,另一臺(tái)泵工作壓力14MPa為伺服閥先導(dǎo)級(jí)供油。1.2蓄能器組pppb—大流量蓄能器組大流量供油蓄能器組的設(shè)計(jì)按照橡膠支座Y向高速壓剪工況進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)該工況下各作動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)情況,可得系統(tǒng)總負(fù)載流量輸出44364L/min,由此可獲得蓄能器組最大工作容積為6638L。蓄能器組采用帶分離式氮?dú)馄康幕钊托钅芷?分為活塞蓄能器和氮?dú)夤迌刹糠?其工作原理如圖3所示。由理想氣體的狀態(tài)方程,有:式中,pppb———放油后最低壓力時(shí)蓄能器中氣體占蓄能器總體積的比例VVnnDV———系統(tǒng)所需要的油液體積(10由油源設(shè)計(jì)需求,有:整個(gè)蓄能器組共布置4大組,每大組由3小組組成。每個(gè)小組配置為6×215=1290L活塞蓄能器和12×135=1620L氮?dú)馄俊?流量壓力控制2.1插裝減壓閥輸出壓力控制系統(tǒng)大流量蓄能器組隨著流量的供給,輸出壓力將下降。蓄能器組采用大流量插裝閥調(diào)節(jié)及穩(wěn)定系統(tǒng)供油壓力,而大流量插裝閥在進(jìn)行自身系統(tǒng)壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)時(shí)存在一定的相位滯后,會(huì)造成系統(tǒng)供油壓力波動(dòng)。為此需要對(duì)減壓閥的輸出壓力進(jìn)行控制,同時(shí)采用管路蓄能器吸收管道內(nèi)大流量油液造成的壓力脈動(dòng)。系統(tǒng)的工作原理如圖4所示?，F(xiàn)場(chǎng)管道配置一個(gè)壓力傳感器,其主要功能是對(duì)插裝減壓閥輸出壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè),通過(guò)與設(shè)定壓力比較,調(diào)整控制器的參數(shù),控制插裝減壓閥的開(kāi)口,從而調(diào)節(jié)插裝減壓閥輸出壓力,達(dá)到穩(wěn)定壓力的目的。管路蓄能器組吸收管道內(nèi)大流量油液造成的壓力脈動(dòng),進(jìn)一步穩(wěn)定系統(tǒng)輸出壓力。2.2壓力油輸出根據(jù)流量需求,共使用4個(gè)大流量插裝減壓閥。每個(gè)大流量插裝減壓閥調(diào)節(jié)一大組蓄能器的壓力油輸出。根據(jù)蓄能器組配置可知,每大組蓄能器14s需排出油液容積為1686L,對(duì)應(yīng)平均流量為7226L/min。如果按正弦輸入流量考慮,則對(duì)應(yīng)峰值流量為11343L/min。2.3閥前安置蓄能器橡膠支座Y向高速試驗(yàn)下,系統(tǒng)瞬時(shí)流量很大,故在Y向作動(dòng)器伺服閥前安置蓄能器用來(lái)吸收壓力脈動(dòng)。設(shè)蓄能器最高工作壓力為p式中,Avω則根據(jù)理想氣體的狀態(tài)方程(式3),得蓄能器充氣體積(n=1~1.4):式中,Vppp經(jīng)計(jì)算半個(gè)周期內(nèi)蓄能器放油量V3壓力及插裝閥流量設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的仿真模型如圖5所示。其中模塊1表示大流量蓄能器組隨著流量的供給壓力下降的情況,輸入為蓄能器初始參數(shù)及流量輸出情況;模塊2表示大流量插裝閥控制壓力控制部分,輸入為插裝閥閥前壓力、需控制壓力和負(fù)載流量,輸出為插裝閥調(diào)節(jié)后的壓力及插裝閥輸出流量;模塊3表示作動(dòng)器及平臺(tái)負(fù)載部分,輸入為期望運(yùn)動(dòng)和工作壓力,輸出為負(fù)載流量及平臺(tái)實(shí)際運(yùn)動(dòng),其中輸入信號(hào)指令為0.5Hz,前后半個(gè)周期和6個(gè)整周期的Y向高速剪切運(yùn)動(dòng),設(shè)定控制壓力p將大流量插裝閥閥芯位移x式中,ωζk閥流量方程可表示為如下形式:式中,kxpp為了與實(shí)際接近,根據(jù)樣本仿真中加入最大輸出流量限制14000L/min。減壓閥蓄能器流量方程可以表示如下形式:式中,Vp設(shè)Q為管路蓄能器輸出流量,可以表示為如下形式:式中,Vp模塊3表示作動(dòng)器平臺(tái)負(fù)載部分,其中伺服閥流量方程可簡(jiǎn)化如式(12)所示:式中,kx該部分p考慮管路部分的壓縮流量,得出最終表達(dá)式:式中,VβQ4模擬分析本系統(tǒng)采用Simulink進(jìn)行系統(tǒng)仿真。為分析壓力控制的有效性,將仿真過(guò)程分為初始充油狀態(tài)仿真、流量擾動(dòng)仿真兩部分。4.1固有頻率仿真該階段管路減壓閥蓄能器和Y向閥前蓄能器初始充氣體積共720L,大流量減壓閥打開(kāi),系統(tǒng)為此蓄能器充油建立工作壓力21MPa的過(guò)程。大流量減壓閥閥芯固有頻率設(shè)計(jì)為20Hz,阻尼比為0.7,通過(guò)調(diào)節(jié)控制增益,使得系統(tǒng)能夠較快穩(wěn)定的達(dá)到預(yù)定壓力。仿真時(shí)間為1s,仿真結(jié)果見(jiàn)圖6、圖7(對(duì)應(yīng)20Hz曲線)。由圖可以看出,減壓閥閥芯很快達(dá)到了最大開(kāi)口30mm,并在最大開(kāi)口下保持給蓄能器充油,當(dāng)壓力接近21MPa后,很快減小閥口開(kāi)度。進(jìn)一步分析閥芯固有頻率的影響,分別取值10,5Hz,仿真結(jié)果見(jiàn)圖6、圖7。由圖可見(jiàn),隨著大流量減壓閥閥芯固有頻率降低,閥芯響應(yīng)速度變慢,管路壓力響應(yīng)也變慢。當(dāng)有外界流量干擾時(shí),會(huì)嚴(yán)重影響大流量減壓閥穩(wěn)壓的效果。4.2流量擾動(dòng)仿真初始?jí)毫⑵椒€(wěn)后3s,輸入6個(gè)正弦整周期加前后兩個(gè)半周期的Y向高頻剪切運(yùn)動(dòng)的流量干擾,仿真時(shí)間共17s,考察減壓閥工作狀況,結(jié)果如圖8~圖12所示。由以上結(jié)果可以看出,在目前配置情況下,大流量減壓閥能夠較好地輸出負(fù)載運(yùn)動(dòng)所需求的流量,且保證壓力穩(wěn)定在19.5~21MPa之間。5壓力控制回路系統(tǒng)的仿真分析針對(duì)萬(wàn)噸級(jí)多功能試驗(yàn)系統(tǒng)的工況特點(diǎn),采用液壓泵站和大流量蓄能器組聯(lián)合供油方式。蓄能器組采用大流量插裝閥調(diào)節(jié)及穩(wěn)定系統(tǒng)供油壓力。本研究針對(duì)其存在的供油壓力波動(dòng)問(wèn)題,對(duì)蓄能器組的輸出壓力進(jìn)行了控制,建立了包含大流量插裝閥壓力控制回路系統(tǒng)的整體仿真模型,對(duì)大流量蓄能器組、減壓閥蓄能器及管路蓄能器組進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。仿真分析