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自传感驱动水压射流管伺服阀研究

作　者: 李志杰
导　师: 王新华
学　校: 北京工业大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 水压射流管伺服阀自传感流场仿真 AMESim仿真
分类号: TH137
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

水压伺服控制技术作为机电液一体化高度融合发展的现代液压技术，已成为当前国际流体传动与控制领域内一个重要的研究方向。水压电液伺服阀是水压伺服系统的核心控制元件，具有体积小、重量轻、响应速度快、控制精度高等突出优点。针对喷嘴挡板式电液伺服阀使用中存在的性能缺陷，基于射流管式伺服阀的优势及水压传动技术的特点，并结合超磁致伸缩自传感驱动技术，开展了自传感驱动水压射流管式伺服阀的工作机理、设计理论与方法及静动态性能仿真实验研究。在水压射流管伺服阀中，前置级射流放大器与接收器的结构尺寸直接影响伺服阀的整体性能，利用FLUENT软件，采用有限体积法，通过数值模拟与实验分析方法，系统研究喷嘴与接收器的垂直间隙、喷嘴孔直径、接收孔直径等结构尺寸以及喷嘴偏移等性能参数对接收器内流场的影响规律，得出优化尺寸组合，建立了射流放大器射流喷嘴偏移与接收器两接收孔内压力比之间的数学关系，揭示了射流管放大器的能量转换与分配机理。高速水流在流经射流管喷嘴时，极易在喷嘴及其下游产生空化现象；同时由于射流剪切层的存在以及射流喷嘴与接收器的间距狭小，水压射流管伺服阀易产生高频空化自激振荡，严重影响伺服阀的性能与使用。利用计算流体力学（CFD）软件，对射流管放大器内部空化流场特性进行仿真，系统研究了前置级射流管结构参数、压力与温度等操作参数对空化产生的影响规律，提出了抑制空化自激振荡产生的控制方法。以功率级滑阀阀芯为驱动对象，以阀芯位移为检测参量，建立了驱动器、射流管放大器、弹簧管组件、功率级滑阀以及反馈杆等伺服阀各环节的传递函数和方框图，系统分析和研究了驱动器输入电流/电压与阀芯位移之间的关系以及电-磁-机-液各环节之间的双向传递规律，最终建立了反映伺服阀整机控制特性的驱动控制信号（电压/电流）与传感检测信号（阀芯位移）的数学模型。借鉴现有油压电液伺服阀特性指标体系，建立水压射流管式电液伺服阀特性指标体系，并运用AMESim软件对自传感驱动器及伺服阀整机进行了性能仿真研究及参数敏感性分析，主要研究了水压射流管式电液伺服阀特性变化趋势，以及阀芯阀套间隙、滑阀口遮盖量、阀芯质量等参数变化对伺服阀特性的影响。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-24
  1.1 研究背景和意义  10-12
  1.2 国内外研究现状  12-23
    1.2.1 水压伺服控制技术  12-18
    1.2.2 射流管式电液伺服阀  18-20
    1.2.3 GMM自传感驱动器  20-23
  1.3 课题来源及主要研究内容  23-24
    1.3.1 课题来源  23
    1.3.2 主要研究内容  23-24
第2章水压伺服阀流场仿真计算方法  24-34
  2.1 流场仿真计算方法的应用性  24
  2.2 FLUENT软件简介  24-25
  2.3 流体流动的控制方程  25-26
    2.3.1 连续性方程  25
    2.3.2 运动方程  25-26
    2.3.3 能量方程  26
  2.4 湍流模型  26-29
    2.4.1 Standardkε模型  27-28
    2.4.2 Realizablekε模型  28-29
  2.5 气穴模型  29-31
    2.5.1 气穴现象  29
    2.5.2 多相流动的分类  29-30
    2.5.3 多相流动模拟的方法  30-31
  2.6 边界条件  31-32
    2.6.1 边界条件的分类  31
    2.6.2 常用边界条件简介  31-32
    2.6.3 湍流参数的确定  32
  2.7 网格划分方法  32-33
  2.8 仿真步骤  33
  2.9 本章小结  33-34
第3章射流管放大器能量分配机理研究  34-44
  3.1 射流管放大器仿真模型的建立  34-35
  3.2 射流管放大器仿真方法  35
  3.3 射流管放大器结构仿真设计  35-38
    3.3.1 射流管喷嘴与接收器的垂直间隙  35-36
    3.3.2 射流管喷嘴孔直径  36-37
    3.3.3 接收孔直径  37-38
  3.4 压力特性  38-42
    3.4.1 零位恢复压力效率  38-39
    3.4.2 压力—位移特性  39-42
  3.5 本章小结  42-44
第4章射流管放大器空化自振机理研究  44-58
  4.1 仿真方法  44
  4.2 仿真模型  44-45
  4.3 边界条件  45
  4.4 典型模拟结果分析  45-47
  4.5 影响因素  47-55
    4.5.1 压力的影响  47-49
    4.5.2 温度的影响  49-50
    4.5.3 结构参数的影响  50-55
  4.6 本章小结  55-58
第5章水压射流管伺服阀数学模型  58-68
  5.1 自传感驱动水压射流管伺服阀的数学模型  58-64
    5.1.1 超磁致伸缩效应  59
    5.1.2 GMM驱动器数学模型  59-63
    5.1.3 射流管阀数学模型  63
    5.1.4 功率级滑阀数学模型  63-64
  5.2 射流管伺服阀方框图及传递函数  64-67
    5.2.1 驱动器方框图  64
    5.2.2 射流管阀方框图  64-65
    5.2.3 功率级滑阀方框图  65
    5.2.4 水压射流管式伺服阀系统方框图及传递函数  65-67
  5.3 本章小结  67-68
第6章水压射流管式伺服阀性能仿真研究  68-82
  6.1 水压射流管伺服阀特性指标  68-72
    6.1.1 水压射流管伺服阀零位特性  68-69
    6.1.2 水压射流管伺服阀静态特性  69-71
    6.1.3 水压射流管伺服阀动态特性  71-72
  6.2 自传感驱动射流管伺服阀系统仿真研究方法概述  72-73
  6.3 自传感驱动器仿真研究  73-75
    6.3.1 自传感驱动器建模  73
    6.3.2 仿真结果与试验验证  73-75
    6.3.3 小结  75
  6.4 自传感驱动射流管伺服阀系统仿真研究  75-80
    6.4.1 内泄漏特性  76-77
    6.4.2 空载流量特性  77-78
    6.4.3 负载流量特性  78-79
    6.4.4 压力特性  79
    6.4.5 频率响应特性  79-80
    6.4.6 阶跃响应特性  80
  6.5 本章小结  80-82
结论  82-84
参考文献  84-92
攻读硕士学位期间所发表的学术论文  92-94
致谢  94

自传感驱动水压射流管伺服阀研究

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