具有仿生特性的2D水液压数字阀设计与研究

摘要

随着环境问题的日益突出，绿色可再生能源的加速推进和可持续的客观要求，使得水介质取代传统矿物油介质成为液压技术发展的重要方向，其自身也因其来源广、无污染、安全性好等诸多优势，促使这项技术重新崛起。但是由于水的理化特性对水压阀的结构和材料等方面提出了更高的要求。本文主要设计一种新型结构的2D水液压数字阀，针对水液压阀抗空化气蚀，设计具有仿生特征的新型结构，并采用仿真和可视化实验方法对2D水液压数字阀的相关特性进行研究。
　　首先，给出一种具有仿生结构的2D水液压数字阀的工作原理，利用现有的设计理论和方法，完成2D水液压数字阀的阀体模块、电-机械转换器模块和传动机构的三个模块的设计。其中，设计U形和双半圆形节流槽结构的主阀芯，使用聚碳酸酯材质加工出透明阀体，使用高速摄像机进行空化气蚀的研究。
　　其次，介绍水介质中空化气蚀磨损的机理，采用全气蚀模型对设计的水液压阀进行流场分析，利用仿生设计方法减轻空化气蚀对主阀芯的影响。使用BioTRIZ理论进行由生物模型到工程模型的映射，分析生物原型和设计对象的相似性，计算二者的相似度，提取出了毛蚶外壳沟槽仿生模型，设计具有矩形仿生结构和锯齿形仿生结构特征的主阀芯。
　　再次，设计2D水液压数字阀控制系统。确定通过PC控制直流电机的方案，选定无刷直流电机和与之配套的驱动控制器，根据系统需求完成相关软件开发，实现主阀芯位移的精确控制。
　　最后，对水液压阀的特性进行实验研究，在现有的水液压阀综合实验系统基础之上搭建2D水液压数字阀实验子系统。根据实验子系统对2D水液压数字阀的基本特性进行实验，包括不同节流槽开度流量实验、不同仿生结构开度流量实验、不同开度不同节流槽的压差流量实验、不同开度不同仿生结构的压差流量实验、可调式的分流实验和阀套周向调流实验。根据实验子系统搭建本实验所需的可视化实验装置，对空化现象进行实验分析，分析气泡生成和气泡的运动，分析对比不同仿生结构、不同开度和不同压力条件的空化气蚀特性，验证仿生结构的有效性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题来源

1.2 水液压传动技术

1.3 水液压阀国内外发展现状

1.4 数字阀的发展概况

1.5 液压阀空化气蚀的研究进展

1.6 本文的主要研究内容

第2章 2D水液压数字阀结构设计

2.1 引言

2.2 2D水液压数字阀工作原理

2.3 2D水液压数字阀阀体模块设计

2.4 2D水液压数字阀传动机构设计

2.5 2D水液压数字阀电-机械转换器

2.6 2D水液压数字阀整体结构

2.7 本章小结

第3章 2D水液压数字阀气蚀特性研究

3.1 引言

3.2 数学模型

3.3 2D水液压数字阀气蚀分析

3.4 生物原型分析

3.5 基于BioTRIZ设计模型的仿生改进

3.6 本章小结

第4章 2D水液压数字阀控制系统设计

4.1 引言

4.2 控制系统工作原理

4.3 无刷直流电机的选择

4.4 控制器选择与测试

4.5 USB-CAN适配器配置

4.6 软件设计

4.7 本章小结

第5章 2D水液压数字阀实验研究

5.1 引言

5.2 实验系统设计

5.3 实验设计

5.4 实验数据采集和实验结果分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢