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基于GMM转换器直动式电液伺服阀的机理研究

作　者: 吴晓磊
导　师: 王传礼
学　校: 安徽理工大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 超磁致伸缩转换器直动式电液伺服阀静态特性动态特性流场仿真
分类号: TH137.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

流体传动与控制领域中,利用新型功能材料研制高性能的驱动与控制元件,一直是国内外学者的研究热点。超磁致伸缩材料(GMM)作为一种新型的高科技功能材料,具有响应速度快、磁致伸缩应变大、输出力大等诸多优异性能,在流体元件中的应用基础研究尤为引人瞩目。本文基于超磁致伸缩材料,提出了一种自动热补偿式电液伺服阀用GMM转换器,对其进行了理论分析,建立了其静动态数学模型和AMESim仿真模型,仿真结果表明自动热补偿式GMM转换器具有响应快、输出位移和输出力大等特点,其阶跃响应上升时间仅为0.25ms,输出位移为85.4μm,输出力达到991N。以上述自动热补偿式GMM转换器为基础,以提高直动式伺服阀的响应速度、频宽等为目标,提出了基于自动热补偿式GMM转换器的直动式电液伺服阀。采用理论分析、静动态仿真分析、有限元分析和流场仿真分析相结合的方法,对其总体结构、数学模型、内部流道结构以及各项参数等进行了深入的分析和研究,得出了影响其性能的主要因素,得到了各结构参数对其静、动态特性的影响规律以及内部流场的分布规律。研究结果表明,合理选择阀口遮盖量、径向间隙、节流边圆角等可以提高GMM伺服阀的静态特性；合理选择供油压力、径向间隙、等效质量、等效阻尼系数等可以提高GMM伺服阀的动态特性；GMM伺服阀在10MPa供油压力下,输出流量为6.02L/min,阶跃响应上升时间为0.7ms,稳态调整时间为1.2ms,频宽为765Hz。可见,与传统的直动式电液伺服阀相比,基于GMM转换器的直动式电液伺服阀具有响应速度快、频宽高、流量大、稳定性好等特点,能满足高频响、大流量、抗污染能力强等技术要求,可用于航空航天、军事工业、精密位置控制等领域。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-14
1 绪论  14-24
  1.1 电液伺服阀概述  14-16
    1.1.1 电液伺服阀的组成及分类  14-15
    1.1.2 电液伺服阀的研究现状  15-16
  1.2 超磁致伸缩材料概述  16-22
    1.2.1 超磁致伸缩材料的优异性能  17
    1.2.2 超磁致伸缩材料的工作特性  17-18
    1.2.3 国内外应用研究现状  18-22
  1.3 课题研究意义及研究内容  22-24
    1.3.1 课题研究意义  22
    1.3.2 课题研究难点  22-23
    1.3.3 课题研究内容  23-24
2 伺服阀用GMM转换器的结构设计与分析  24-40
  2.1 GMM转换器的总体结构及工作原理  24-25
  2.2 GMM转换器的结构设计  25-29
    2.2.1 GMM棒的设计  25-26
    2.2.2 电磁结构的设计  26-28
    2.2.3 热补偿机构的设计  28
    2.2.4 预压力机构的设计  28-29
  2.3 GMM转换器的数学模型  29-32
    2.3.1 静态模型  29-30
    2.3.2 动态模型  30-32
  2.4 GMM转换器的动态特性仿真分析  32-39
    2.4.1 仿真模型的建立  32-33
    2.4.2 仿真结果及分析  33-39
  2.5 本章小结  39-40
3 GMM直动式电液伺服阀的结构设计与有限元分析  40-60
  3.1 GMM直动式电液伺服阀的结构原理  40-41
  3.2 GMM直动式电液伺服阀特性分析  41-50
    3.2.1 滑阀的静态特性  41-44
    3.2.2 滑阀的驱动力  44-49
    3.2.3 滑阀的功率和效率  49-50
  3.3 GMM直动式电液伺服阀参数设计  50-54
    3.3.1 GMM转换器的参数设计  51
    3.3.2 滑阀的参数设计  51-53
    3.3.3 GMM直动式伺服阀结构参数的选择  53-54
  3.4 关键零部件有限元分析  54-58
    3.4.1 GMM棒  55-56
    3.4.2 滑阀阀芯  56-57
    3.4.3 输出杆  57-58
  3.5 本章小结  58-60
4 GMM直动式电液伺服阀的建模与仿真  60-76
  4.1 GMM直动式电液伺服阀的数学模型  60-61
    4.1.1 GMM转换器数学模型  60
    4.1.2 阀芯运动模型  60
    4.1.3 滑阀压力流量模型  60-61
    4.1.4 GMM直动式电液伺服阀输出流量方程  61
  4.2 GMM直动式电液伺服阀的静态特性仿真分析  61-65
    4.2.1 静态仿真模型的建立  61-62
    4.2.2 静态仿真结果及分析  62-65
  4.3 GMM直动式电液伺服阀的动态特性仿真分析  65-74
    4.3.1 动态仿真模型的建立  65-66
    4.3.2 动态仿真结果及分析  66-74
  4.4 本章小结  74-76
5 GMM直动式电液伺服阀的流场建模与仿真  76-100
  5.1 基本控制方程  76-77
  5.2 GMM伺服阀的流场建模  77-79
    5.2.1 几何建模  78
    5.2.2 网格划分  78-79
    5.2.3 边界条件  79
  5.3 三维流场仿真结果与分析  79-87
    5.3.1 收敛性分析  80-81
    5.3.2 压力场分析  81-83
    5.3.3 速度场分析  83-85
    5.3.4 湍动能和涡流分析  85-87
  5.4 不同开口度下的流场仿真结果与分析  87-98
    5.4.1 不同开口度下的压力场分析  87-89
    5.4.2 不同开口度下的速度场分析  89-93
    5.4.3 不同开口度下的湍动能和涡流分析  93-98
  5.5 本章小结  98-100
6 结论与展望  100-102
  6.1 结论  100-101
  6.2 展望  101-102
参考文献  102-108
致谢  108-110
作者简介及读研期间主要科研成果  110

基于GMM转换器直动式电液伺服阀的机理研究

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