基于MEMS的液压系统V锥流量计的仿真与实验研究

摘要

随着液压系统状态监测和故障诊断理论水平的进步，管路流量特别是动态流量作为系统状态信息的丰富载体，越来越受到人们的重视。具有能耗低、高频响等特点的动态流量计是液压系统状态监测和故障诊断所急需的。本文将MEMS传感器与先进的差压发生装置V锥结合起来，实现了能耗低、高频响、可靠性高、成本低的液压系统动态流量测量。主要做的工作有： (1)提出了传统的V锥差压发生装置适合液压系统动态流量测量具有的优势与缺陷。将微观的MEMS传感器引入到宏观的液压系统流量测量中，结合V锥流量计自身的优势，建立了适合液压系统动态流量测量的新模型。 (2)分析V锥结构前后流道压力和流速的分布和变化规律，从N-S方程开始推导了V锥节流装置的压差与流量关系的数学模型。通过分析V锥结构关键参数对管路粘性损失、流出系数的影响以及所能产生的压力差大小等，选取了比较优化的结构参数。 (3)根据关键参数不同建立了8个不同模型应用Fluent软件进行对比仿真，并根据仿真结果得出了优化的β值和θ角的取值范围。选取了一组优化的参数建立了与实验样机完全一致的三维模型。进一步的仿真结果显示，流道中流速与压力的变化分布符合流量-压差关系数学模型的意义，故可以对其进行进一步的理论和实验研究。 (4)对加工制作的样机进行了静态和动态性能测试。通过静态测试，输出结果线性度和重复性较好，精度较高。最后通过动态流量测试试验，得出新型流量传感器具有超过200Hz的动态频宽。证明了这是适合液压系统特点的动态流量测量装置。 在下一步的研究中将建立与实际更加贴近的数学模型，总结出根据不同工况V锥结构参数选择的一般性规律，对动态流量测量进行深入研究。为液压系统状态监测和故障诊断提供精确的动态流量测量仪表。

目录

文摘

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声明

第1章 绪论

1.1论文研究背景及意义

1.2液压系统流量测量研究现状

1.3本文拟解决的关键性问题

1.4技术路线及创新之处

1.5论文的主要研究内容

1.6论文的课题来源

第2章 基于MEMS的液压系统V锥流量计模型

2.1传统V锥流量计结构与原理概述

2.1.1传统V锥流量计结构及原理

2.1.2传统V锥流量计的技术优势及缺陷

2.1.3传统V锥流量计国内外研究现状

2.2 MEMS微型传感器简介

2.3基于MEMS传感器的液压系统V锥流量计的模型建立

2.4本章小结

第3章 新型V锥流量计数学建模与结构参数优化

3.1流量-压差关系模型的导出

3.2 V锥体结构的优化设计

3.2.1关键参数对粘性损耗的影响

3.2.2关键参数对流出系数的影响

3.2.3关键参数对差压值的影响

3.3本章小结

第4章 新型V锥流量计仿真分析

4.1 CFD及FUJENT软件概述

4.1.1 CFD简介

4.1.2 FUJENT软件简介

4.2不同关键参数模型的对比仿真

4.2.1几何建模与网格划分

4.2.2计算模型与边界条件

4.2.3不同参数模型仿真结果对比

4.3优化模型的仿真分析

4.3.1优化模型建立及仿真结果分析

4.3.2压力差随流速变化的仿真分析

4.4本章小结

第5章 新型V锥流量计的实验研究

5.1实验平台及数据分析

5.1.1实验台介绍

5.1.2数据采集系统简介

5.2样机加工与传感器标定

5.3传感器静态测试分析

5.3.1基本测试结果与仿真对比

5.3.2不同结构参数的测试对比

5.4传感器动态测试分析

5.5试验的误差分析

5.6本章小结

第6章 总结与展望

6.1本文总结

6.2相关工作展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

致谢

研究生履历