高速气缸自适应缓冲系统的研究

摘要

国内外各大气动元件生产商和科研机构均在制约气动系统高速化的高速气缸缓冲上投入了大量的人力和物力，但至今没有取得突破性的进展，主要原因就是没有研制出对气缸工况条件变化有自适应能力的缓冲系统。工况条件中对缓冲影响最大、变化也最复杂的是活塞速度，解决了对活塞速度的自适应缓冲问题，就解决了缓冲的关键问题。由此确定本文研究的目标为：高速气缸活塞基准速度为3m/s，速度波动10﹪，研制一种对活塞速度有自适应能力的缓冲系统，使其至少平衡高速气缸运动部件动能的95﹪以上。通过对前人研究成果的仔细分析和高速气缸工作阶段运动特性及动态特性的仿真研究和实验研究，提出了基于“两个假设”的自适应缓冲原理，两个假设是：当活塞速度变化时，缓冲腔系统输入能量与反馈量有足够好的线性关系和缓冲腔系统输出能量与控制量有足够好的线性关系。自适应缓冲原理是：以背压腔气压或流出背压腔的气体质量流量为反馈量，通过该量调节缓冲腔最高气压，进而控制缓冲腔系统输出能量，并使之与随气缸工况条件变化的系统输入能量自动平衡。通过对基于自适应缓冲原理的五个缓冲系统方案的分析对比，确定实现自适应缓冲的最佳方案是：以缓冲腔初始气压为反馈量，缓冲阀开启气压为控制量的压力反馈式缓冲阀。　　建立了采用理想压力反馈式缓冲阀缓冲的高速气缸数学模型和仿真模型。通过对高速气缸四个运动阶段的仿真研究，证明缓冲腔初始气压、缓冲阀开启气压与活塞速度均有足够好的线性关系。　　设计了由压力反馈式缓冲阀、固定容腔、溢流阀、排气阀、节流阀、单向阀组成的缓冲系统。　　建立了自适应缓冲系统的数学模型和仿真模型，对其动态特性、运动特性和系统能量进行了仿真研究。　　综合上述，本文创造性地提出了基于两个假设的自适应缓冲原理，压力反馈式缓冲阀，固定容腔，缓冲阀大节流口，缓冲阶段密闭缓冲腔，各阀在短时间内仅有一次动作及首次将气缸的运动过程划分为四个阶段，圆满地解决了高速气缸缓冲的关键问题，实现了对活塞速度变化的自适应缓冲。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号表

第1章绪论

1.1课题来源及研究的目的和意义

1.2高速气缸缓冲技术概况

1.2.1缓冲腔气缓冲

1.2.2缓冲器缓冲

1.2.3气动伺服系统缓冲

1.3缓冲技术发展概况

1.3.1国外缓冲技术发展概况

1.3.2国内缓冲技术发展概况

1.4主要研究内容

1.4.1研究方法

1.4.2研究内容

第2章自适应缓冲原理研究及缓冲阀方案设计

2.1缓冲腔系统能量分析

2.1.1工作参数对气动参数的影响

2.1.2缓冲腔系统能量分析

2.2缓冲腔系统能量计算

2.3自适应缓冲原理研究

2.4缓冲阀方案分析

2.4.1方案1压力调定式缓冲阀

2.4.2方案2压力反馈式缓冲阀

2.4.3方案3流速反馈式缓冲阀

2.4.4方案4拉伐尔流速反馈式缓冲阀

2.4.5方案5蓄能压力反馈式缓冲阀

2.5本章小结

第3章两个假设的初步验证和缓冲阀参数估算

3.1高速气缸工作阶段数学模型

3.1.1气缸活塞运动方程

3.1.2气缸各腔能量方程

3.1.3进出气缸各腔流量方程

3.2高速气缸工作阶段动态特性仿真研究

3.2.1高速气缸工作阶段仿真模型

3.2.2工作阶段动态特性仿真研究

3.2.3缓冲起始时刻动态特性仿真研究

3.3针阀缓冲高速气缸实验研究

3.3.1实验装置

3.3.2实验条件及实验数据

3.3.3实验数据统计处理

3.3.4实验结果分析

3.4压力反馈式缓冲阀参数估算

3.4.1缓冲腔系统能量计算

3.4.2缓冲阀参数估算

3.4.3缓冲误差计算

3.5本章小结

第4章理想压力反馈式缓冲阀动态特性仿真研究

4.1缓冲高速气缸数学模型

4.2理想缓冲阀数学模型

4.2.1缓冲阀原理

4.2.2理想缓冲阀数学模型

4.3理想缓冲阀动态特性仿真研究

4.3.1缓冲高速气缸仿真模型

4.3.2缓冲阀参数可调范围仿真研究

4.3.3良好缓冲行程仿真研究

4.3.4自适应能力仿真研究

4.3.5稳定阶段动态特性仿真研究

4.3.6自适应范围仿真研究

4.4本章小结

第5章自适应缓冲系统动态特性仿真研究

5.1缓冲阀动态特性仿真研究

5.1.1缓冲阀结构原理

5.1.2缓冲阀数学模型

5.1.3缓冲阀仿真模型

5.1.4缓冲阀动态特性仿真研究

5.2溢流阀动态特性仿真研究

5.2.1溢流阀结构原理

5.2.2溢流阀数学模型

5.2.3溢流阀仿真模型

5.2.4溢流阀动态特性仿真研究

5.3排气阀动态特性仿真研究

5.3.1排气阀结构原理

5.3.2排气阀数学模型

5.3.3排气阀仿真模型

5.4自适应缓冲系统动态特性仿真研究

5.4.1自适应缓冲系统工作原理

5.4.2自适应缓冲系统数学模型和仿真模型

5.4.3缓冲阀参数可调范围仿真研究

5.4.4缓冲系统自适应能力仿真研究

5.4.5缓冲腔系统能量仿真研究

5.4.6气源压力和驱动质量波动仿真研究

5.5本章小结

第6章自适应缓冲系统结构设计

6.1缓冲阀结构设计

6.2溢流阀结构设计

6.3排气阀结构设计

6.4自适应缓冲系统结构设计

6.5本章小结

第7章自适应缓冲系统动态特性实验研究

7.1实验装置

7.2实验参数初值

7.3良好缓冲验证实验Ⅰ

7.4良好缓冲验证实验Ⅱ

7.4.1实验现象

7.4.2相关参数变化规律验证实验

7.4.3自适应能力验证实验

7.5本章小结

结论

参考文献

攻读博士期间发表的论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明及使用授权书

致谢

个人简历