脉冲喷射开关阀理论及其在BCP应用中的研究

论文摘要

脉冲喷射装置是工业包装喷印、生物化学分析、电子封装等行业中实现微量流体喷射的执行装置，但现有脉冲喷射装置不能满足大流量、高速响应、性能稳定的要求，本文把高速开关阀的特性和脉冲喷射装置中喷嘴的结构结合起来，设计了一种新的脉冲喷射装置——脉冲喷射开关阀。在系统研究开关阀的性能的基础上，提出了开关阀的设计方法。针对大字符喷码机(Big Character Printer，简称BCP)的应用，建立了基于GMA的脉冲喷射开关阀的模型，阐述了开关阀的性能变化规律，对脉冲喷射开关阀的设计具有重要的参考价值。 论文主要内容包括： 第一章 绪论，论述了各种脉冲喷射方式的优缺点和可能的应用，提出了综合利用高速开关阀和喷射装置结构实现脉冲喷射的新途径，进而阐述了高速开关阀的发展历史和研究现状，阐明了本课题的来源和主要内容。 第二章 把高速开关阀的特性和脉冲喷射装置的喷嘴结构结合起来，设计了一种新的脉冲喷射装置——脉冲喷射开关阀，在详细阐述开关阀的性能基础上，提出了脉冲喷射开关阀的设计方法，为脉冲喷射开关阀的设计分析提供理论指导。 第三章 简要分析了BCP的工作原理，提出了一种适用于工业环境的字符点阵结构和控制方法。系统论述了开关阀喷印效果的影响因素，对BCP中的开关阀进行了设计分析，确定了超磁致伸缩式的驱动方式。 第四章 建立了基于GMA的脉冲喷射开关阀的动态模型，仿真分析了开关阀各参数对开关阀静、动态性能的影响，提出了开关阀的性能变化规律和提高性能的措施，为改善开关阀的性能提供了理论依据。 第五章 根据脉冲喷射开关阀的性能仿真结果和GMA的工作特性，对脉冲喷射开关阀中的GMA进行了设计和优化。 第六章 为验证脉冲喷射开关阀的性能，对开关阀和GMA的性能进行了实验研究，实验结果表明基于GMA的脉冲喷射开关阀能满足BCP的使用要求。 第七章 结论和展望，概括本课题的主要研究结果，并展望今后需要进一步开展的工作。

论文目录

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• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 脉冲喷射方式分析
• 1.2.1 热气泡式
• 1.2.2 压电致动式
• 1.2.3 热变形喷射
• 1.2.4 静电式喷射
• 1.2.5 气动式
• 1.2.6 喷射方式比较
• 1.3 大字符喷码机（BCP）的现状和存在的问题
• 1.4 高速开关阀的发展历史与现状
• 1.4.1 电磁铁式
• 1.4.2 压电晶体式或电致伸缩式
• 1.4.3 超磁致伸缩式
• 1.4.4 各种驱动方式的开关阀性能比较
• 1.5 课题的来源和主要内容
• 1.6 小结
• 第二章 脉冲喷射开关阀基础理论研究
• 2.1 脉冲喷射开关阀的结构和工作原理
• 2.1.1 基本结构
• 2.1.2 工作原理
• 2.2 静态性能分析
• 2.2.1 压力-喷射速度特性
• 2.2.2 流量-占空比特性
• 2.2.3 压力-流量特性
• 2.2.4 压力增益特性
• 2.2.5 阀系数分析
• 2.3 动态性能分析
• 2.3.1 阀腔内流体压力变化特性
• 2.3.2 受力分析
• 2.3.3 稳定性分析
• 2.3.4 频率响应分析
• 2.3.5 响应时间特性分析
• 2.4 脉冲喷射开关阀设计方法分析
• 2.4.1 结构形式选择
• 2.4.2 基本参数的确定
• 2.5 致动器的选择分析
• 2.6 小结
• 第三章 用于BCP的脉冲喷射开关阀主要性能参数确定及结构设计
• 3.1 大字符喷码机性能分析
• 3.1.1 大字符喷码机工作原理
• 3.1.2 点阵式字符成型原理
• 3.1.3 字符点阵结构分析
• 3.1.4 字符分辨率分析
• 3.1.5 字符大小分析
• 3.2 喷码机开关阀设计
• 3.2.1 开关阀参数确定
• 3.2.2 开关阀本体设计
• 3.2.3 致动器设计要求分析
• 3.3 小结
• 第四章 基于GMA的脉冲喷射开关阀性能研究
• 4.1 GMA的基本特性
• 4.1.1 GMA的工作原理
• 4.1.2 GMA静态位移输出分析
• 4.1.3 GMA静态输出力分析
• 4.2 开关阀动态性能分析
• 4.2.1 开关阀分析
• 4.2.2 开关阀动态性能建模
• 4.3 开关阀仿真模型建立
• 4.4 开关阀特性仿真分析
• 4.4.1 响应时间特性
• 4.4.2 占空比的影响
• 4.4.3 工作状态的影响
• 4.5 主要参数对开关阀动态性能影响的仿真分析
• 4.5.1 驱动线圈匝数的影响
• 4.5.2 涡流时间常数τ的影响
• eff的影响'>4.5.3 等效质量m_eff的影响
• eff的影响'>4.5.4 等效刚度k_eff的影响
• 4.5.5 等效阻尼比的影响
• 4.5.6 超磁致伸缩棒l/A的影响
• 4.5.7 流体工作压力的影响
• 4.5.8 开关阀动态特性仿真总结
• 4.6 小结
• 第五章 脉冲喷射开关阀中GMA的设计及优化
• 5.1 GMA的设计方法分析
• 5.2 GMM棒的设计
• 5.3 线圈设计
• 5.3.1 线圈安匝数分析
• 5.3.2 线圈电阻和电感分析
• 5.3.3 磁场生成能力分析
• 5.3.4 线圈能量转换效率
• 5.4 磁路设计
• 5.4.1 提高磁场利用率
• 5.4.2 提高磁场均匀性
• 5.5 预应力机构设计
• 5.6 开关阀致动器结构
• 5.7 小结
• 第六章 脉冲喷射开关阀综合实验研究
• 6.1 实验台架构建
• 6.1.1 信号采集与分析系统
• 6.1.2 开关阀驱动电源
• 6.1.3 检测传感器和测试设备
• 6.2 开关阀GMA输出位移研究
• 6.2.1 预应力对输出位移的影响
• 6.2.2 驱动磁场对输出位移的影响
• 6.2.3 驱动频率对GMA位移的影响
• 6.3 开关阀流量研究
• 6.3.1 流体压力对流量的影响
• 6.3.2 脉宽占空比对流量的影响
• 6.3.3 驱动电流对流量的影响
• 6.4 开关阀的动态响应特性研究
• 6.4.1 开关阀阶跃响应
• 6.4.2 开关阀方波响应
• 6.4.3 开关阀的幅频特性
• 6.5 BCP喷射效果
• 6.6 小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 研究总结
• 7.1.1 工作总结
• 7.1.2 创新点
• 7.2 工作展望
• 参考文献
• 附录A 磁致伸缩效应的机理与特性参数
• A.1 磁致伸缩效应的机理和特性
• A.1.1 磁致伸缩现象
• A.1.2 磁致伸缩效应的机理
• A.1.3 磁致伸缩材料的各向异性
• A.1.4 磁滞
• A.1.5 ΔE效应
• A.1.6 其他磁致伸缩效应
• A.2 超磁致伸缩材料的性质
• A.2.1 磁致伸缩系数与预应力的关系
• A.2.2 倍频效应及λ与偏置磁场的关系
• A.2.3 λ与温度的关系
• A.3 Terfenol-D特性参数
• A.3.1 杨氏模量
• A.3.2 磁导率
• A.3.3 磁机耦合系数
• A.3.4 压磁系数
• A.3.5 机械品质因子和系统阻尼
• 附录B 实验照片
• 攻读博士学位期间论文发表情况和完成的科研项目
• 致谢