超高速电液比例阀的研究

论文摘要

电液比例阀是电液比例控制技术的核心元件,它以传统的工业用液压控制阀为基础,采用模拟式电气—机械转换装置,将电气信号转换为位移信号,按输入电气信号指令,连续成比例地控制液压系统的液流压力、流量或方向等参数。电液比例阀与伺服控制系统中的电液伺服阀相比,虽然其性能在某些方面还有一定的差距。但是,其显著的优点是抗污染能力强,减少了由于污染而造成的工作故障,提高了液压系统的工作稳定性和可靠性,因此更适合于工业过程。另一方面,比例阀的成本比伺服阀低,而且不包含敏感和精密的部件,更容易操作和保养,已在许多液压控制场合获得广泛的应用。然而,传统的电液比例阀是以比例电磁铁作为驱动装置的电—液信号转换元件,由于其固有特性的限制,导致电液比例阀无论是响应时间还是响应速度都不是很快。响应速度较快的,流量却比较小。为此,本文提出超高速电液比例阀。超高速电液比例阀能实现液压控制系统液流方向和流量的控制,满足电液比例控制系统高速、高精度、大流量、低成本和抗污染的综合要求。超高速电液比例阀采用动圈式电—机械转换器作为驱动装置的电—机械转换元件,控制性能很好,某些性能指标达到甚至超过了电液伺服阀。首先,针对常规动圈式电—机械转换器在电磁力、响应时间和响应速度等性能上的不足,从其核心部分——永磁体结构入手,对比单个永磁体不同的磁化技术和多个永磁体不同的磁化阵列结构,提出了一种新颖永磁体沿外磁场磁力线方向磁化、8片瓦型有气隙Halbach磁化阵列型动圈式电—机械转换器。通过对设计的动圈式电—机械转换器静态磁场、参数化磁场、瞬态磁场、温度场、涡流磁场、功率损耗和趋肤效应等的分析,表明该动圈式电—机转换器具有良好的动静态性能,无论电磁力,还是响应时间和响应速度都比常规结构有较大的提高。接着,从超高速电液比例阀的液压部分着手,根据其结构和原理,并结合功率键合图法和CFD计算,分析了超高速电液比例直动式先导阀、叠加式单向节流阀和主控阀的静态和动态特性,得到超高速电液比例阀高频和快速响应的机理。然后,针对常规电液比例阀建模的局限性,根据包含各种非线性特征的孔流量方程,为超高速电液比例阀模型建立统一的非线性数学方程。获得关于阀芯几何属性和物理模型参数对通过比例阀端口流量的关系式,得到能分析正遮盖、负遮盖和零遮盖比例阀的流量方程,此时流量被表达为关于阀芯遮盖参数和其他常规参数的连续非线性函数。同时,对超高速电液比例阀统一模型的非量纲分析表明,模型的精确性独立于模型参数之外,统一模型的误差仅依赖于液压阻尼系数。为了确保超高速电液比例阀的性能可靠,必须监测比例阀的临界参数,以确定故障是否出现。但是,在比例阀运行过程中,直接测量某些参数将会是非常困难的。本文提出三种参数估计方法,一般最小二乘法、极大似然估计法和模糊RBF网络法,用来估算超高速电液比例直动式先导阀的弹簧刚度。估计结果与实际结果相差不大,表明这三种方法是可行的。最后,通过对超高速电液比例直动式先导阀的实验研究,可知实验结果与仿真结果基本吻合,表明所设计的电液比例阀具有高频和快速响应特性,能较好地满足高速电液比例控制技术的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的学术背景和实际意义
• 1.2 比例阀国内外研究综述及发展趋势
• 1.2.1 比例压力阀研究综述
• 1.2.2 比例流量阀研究综述
• 1.3 课题的来源和技术路线
• 1.4 课题的主要研究内容
• 1.5 本章小结
• 第2章 超高速电液比例阀结构与原理
• 2.1 引言
• 2.2 超高速电液比例阀特点
• 2.3 超高速电液比例阀结构与原理
• 2.4 本章小结
• 第3章 电-机械转换器的研究
• 3.1 引言
• 3.2 电-机械转换器的分类
• 3.2.1 动铁式电-机械转换器
• 3.2.2 动圈式电-机械转换器
• 3.3 静态磁场分析
• 3.3.1 推力线圈骨架结构
• 3.3.2 永磁体材料
• 3.3.3 永磁体充磁技术
• 3.3.4 永磁体阵列结构
• 3.4 参数化磁场分析
• 3.5 瞬态磁场分析
• 3.5.1 理论基础
• 3.5.2 边界条件
• 3.5.3 分析结果
• 3.6 温度场分析
• 3.6.1 理论基础
• 3.6.2 边界条件
• 3.6.3 分析结果
• 3.7 涡流磁场分析
• 3.7.1 理论基础
• 3.7.2 边界条件
• 3.7.3 分析结果
• 3.8 功率损失分析
• 3.8.1 功率损失与材料关系
• 3.8.2 功率损失与频率关系
• 3.8.3 功率损失与材料和频率关系
• 3.9 趋肤效应分析
• 3.10 控制仿真
• 3.11 本章小结
• 第4章 超高速电液比例阀特性分析
• 4.1 引言
• 4.2 功率键合图理论
• 4.2.1 理论基础
• 4.2.2 基本元件
• 4.2.3 建模方法
• 4.3 先导阀特性分析
• 4.3.1 先导阀阀芯驱动力
• 4.3.2 先导阀稳态液动力及补偿方法
• 4.3.3 先导阀CFD计算
• 4.3.4 先导阀瞬态液动力
• 4.3.5 先导阀液压卡紧力及减弱措施
• 4.3.6 先导阀惯性力
• 4.3.7 先导阀粘性摩擦力
• 4.3.8 先导阀弹簧力
• 4.3.9 先导阀阀芯运动方程
• 4.4 单向节流阀特性分析
• 4.4.1 结构与原理
• 4.4.2 CFD计算
• 4.5 主控阀特性分析
• 4.5.1 主控阀阀芯驱动力
• 4.5.2 主控阀稳态液动力
• 4.5.3 主控阀CFD计算
• 4.5.4 主控阀瞬态液动力
• 4.5.5 主控阀液压卡紧力及减弱措施
• 4.5.6 主控阀惯性力
• 4.5.7 主控阀粘性摩擦力
• 4.5.8 主控阀弹簧力
• 4.5.9 主控阀阀芯运动方程
• 4.6 仿真分析
• 4.7 本章小结
• 第5章 超高速电液比例阀统一建模与分析
• 5.1 引言
• 5.2 比例阀统一建模
• 5.2.1 孔流量特性
• 5.2.2 比例阀建模
• 5.2.3 液压缸建模
• 5.3 比例阀特性分析
• 5.4 模型非量纲分析
• 5.5 仿真分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 超高速电液比例阀参数估计
• 6.1 引言
• 6.2 参数估计方法
• 6.2.1 一般最小二乘法
• 6.2.2 极大似然估计法
• 6.2.3 模糊RBF网络法
• 6.3 分析计算
• 6.4 本章小结
• 第7章 超高速电液比例阀实验研究
• 7.1 引言
• 7.2 实验目的
• 7.3 实验原理
• 7.4 实验方案
• 7.4.1 实验方案一
• 7.4.2 实验方案二
• 7.4.3 实验方案三
• 7.4.4 方案选择
• 7.5 实验方法
• 7.6 实验结果
• 7.7 本章小结
• 结论
• 1、全文总结
• 2、工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文