论文题目: 基于GMM转换器喷嘴挡板伺服阀的研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 机械电子控制工程
作者: 王传礼
导师: 丁凡
关键词: 超磁致伸缩,电机械转换器,喷嘴挡板伺服阀,控制压力,磁场,仿真与实验
文献来源: 浙江大学
发表年度: 2005
论文摘要: 国民经济各部门和高科技各领域的发展,都不可避免地受到材料发展的制约或推动,作为主要传动与控制方式之一的流体传动与控制技术,当然也不例外。超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Material,简写为GMM)是近年才出现的一种新型功能材料,具有应变大、响应速度快、能量传输密度高、输出力大等优异性能。利用GMM设计新型的电—机转换器,取代传统型电—机转换器,如力矩马达或力马达等,可提高整个电液伺服阀的响应速度和控制精度。 论文以GMM为基础,以GMM转换器及其喷嘴挡板伺服阀为研究对象,采用理论分析、计算机仿真、静态磁场有限元计算、动态磁场磁路计算和实验研究相结合的方法,对其进行系统、深入的分析和研究。提出了基于GMM转换器的喷嘴挡板伺服阀的实现方案和具体结构,研制了GMM转换器及其喷嘴挡板伺服阀,确定了各参数间的匹配关系,建立了GMM转换器喷嘴挡板伺服阀设计、评价准则;通过动态磁场磁路计算、磁场有限元仿真及实验验证,得出了GMM转换器磁场分布和磁感应强度的变化规律。研究结果表明,由GMM转换器的输出杆,直接驱动挡板的结构形式,不仅切实可行,而且具有简单、可靠和便于控制的特点;采用温度补偿机构、预压力施加机构、可调动态偏置磁场和添加导磁环等措施,提高了压力控制性能;同时表明基于GMM转换器喷嘴挡板伺服阀,具有较宽的控制压力特性,可达0.52MPa;良好的线性度,约为2.5%;较快的响应速度,阶跃响应上升时间为1ms、幅频宽达680Hz。提出了伺服阀用GMM电—机械转换器自适应热补偿机构,并进行了理论分析和实验验证,结果表明提出的补偿机构能有效地补偿GMM棒的热变形,提高了GMM转换器喷嘴挡板伺服阀控制压力的输出精度。提出了测量动态磁场的简便实用方法,实现了测试装置在对电流—控制压力测量的同时,还能对动态磁场磁通变化率进行检测,解决了动态磁场不便测量的难题,并将测得结果与磁路仿真结果进行了对比分析,验证了磁路动态数学模型的正确性。 有关各章内容分述如下: 第一章介绍了传统型和新型两类电—机转换器的作用、原理及特点,并对其性能进行了比较;概述了GMM的性能优越性和发展历程;着重阐述了GMM电—机转换器在流体元件中的应用,并总结了该类转换器的最新研究成果及应用研究现状;简要概括了本课题的研究意义、研究难点和主要研究内容。 第二章从GMM的唯象理论和工程实际应用的角度出发,较系统地阐述了磁致伸缩现象的产生机理和各种有实用意义的物理效应,并根据磁力学理论,给出磁致伸缩方程式,同时对GMM的伸缩机理、磁—机耦合、压力及温度等特性进行了介绍和分析,为后几章的应用研究奠定了坚实基础。 第三章在介绍了基于GMM转换器,及其喷嘴挡板伺服阀的结构组成、工作原理和性能特点的基础上,较全面系统地研究了GMM转换器,及其喷嘴挡板伺服阀的设计理
论文目录:
摘要
ABSTRACT
目录
第一章 绪论
1．1 电—机械转换器的作用，分类及原理特点
1．1．1 传统型电—机转换器
1．1．2 新型电—机转换器
1．2 超磁致伸缩材料及其优点
1．2．1 GMM的性能优越性
1．2．2 GMM的发展历程
1．2．3 材料成分研究进展
1．3 国内外应用研究概况
1．3．1 主要应用领域
1．3．2 相关理论研究进展
1．4 课题研究意义及研究内容
1．4．1 课题研究意义
1．4．2 技术研究难点
1．4．3 课题研究内容
第二章 磁致伸缩现象机理及超磁致伸缩材料的特性
2．1 磁致伸缩现象的诱发机理
2．1．1 磁致伸缩现象
2．1．2 磁致伸缩的唯象理论
2．2 超磁致伸缩材料的基本特性
2．2．1 晶体晶向及表示方法
2．2．2 磁致伸缩的唯象公式
2．2．3 “倍频”现象
2．2．4 压应力特性
2．2．5 温度特性
2．3 磁致伸缩的物理效应及压磁方程
2．3．1 磁致伸缩的物理效应
2．3．2 压磁方程
2．4 磁—机耦合特性
2．4．1 磁—机耦合系数
2．4．2 压力、温度对k_(33)的影响
2．5 本章小结
第三章 基于GMA喷嘴挡板伺服阀的结构综合与分析
3．1 总体结构和原理
3．1．1 结构原理
3．1．2 关键技术
3．2 热变形抑制的方法与原理
3．2．1 热变形抑制方法
3．2．2 热补偿机构的原理
3．2．3 理论分析
3．2．4 实验结果分析
3．3 能量转换过程
3．3．1 GMM转换器能量分析
3．3．2 GMM转换器的能量损耗
3．4 GMA喷嘴挡板伺服阀特性分析
3．4．1 控制压力特性方程
3．4．2 压力灵敏度分析
3．4．3 特性分析
3．5 GMM喷嘴挡板的结构参数选择
3．6 基于GMM转换器两级电液伺服阀的实现方案
3．6．1 单GMM转换器方案
3．6．2 双GMM转换器方案
3．7 本章小结
第四章 GMM转换器及其喷嘴挡板伺服阀的建模与仿真
4．1 GMM转换器的输出模型
4．1．1 静态模型
4．1．2 动态模型
4．2 GMM转换器的动态特性仿真
4．2．1 仿真模型的建立
4．2．2 仿真结果及分析
4．3 GMM喷嘴挡板伺服阀的建模与仿真
4．3．1 GMM喷嘴挡板伺服阀的模型
4．3．2 阀的仿真结果及分析
4．4 GMM转换器其它数学模型简介
4．4．1 磁—机耦合模型
4．4．2 滞回特性模型
4．4．3 谐振模型
4．5 GMM转换器的实验研究
4．5．1 测试系统组成
4．5．2 GMM转换器输出位移
4．5．3 GMM转换器输出力
4．6 本章小结
第五章 GMM转换器磁路设计和磁场有限元分析
5．1 GMM的驱动形式
5．1．1 驱动形式
5．1．2 双线圈的连接方式
5．2 GMM转换器磁路分析
5．2．1 磁路构成与原理
5．2．2 磁路计算及分析
5．3 驱动和偏置线圈的设计
5．3．1 线圈最大驱动电流的确定依据
5．3．2 线圈的功率优化和参数计算
5．3．3 线圈参数计算
5．4 驱动磁场均匀性分析
5．4．1 驱动磁场的轴向均匀性
5．4．2 驱动磁场的径向均匀性
5．5 磁场有限元分析
5．5．1 磁场有限元模型
5．5．2 有限元结果及分析
5．6 动态磁场的仿真与实验
5．6．1 动态磁场的建模
5．6．2 仿真与实验结果
5．7 本章小结
第六章 基于GMA喷嘴挡板伺服阀的实验研究
6．1 液压与测试系统的构建
6．1．1 液压系统组成
6．1．2 测试系统组成
6．1．3 测试原理及方法
6．2 实验测量误差分析
6．2．1 测量误差来源
6．2．2 系统误差分析
6．3 控制压力静态特性实验
6．3．1 控制压力静态实验
6．3．2 控制压力滞回特性实验
6．4 控制压力动态特性实验
6．4．1 阶跃特性实验
6．4．2 正弦特性实验
6．5 本章小结
第七章 总结和展望
7．1 论文总结
7．2 工作展望
参考文献
攻读博士学位期间发表及完成的学术论文
致谢
附录
发布时间: 2005-10-08
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