水液压旋转式伺服阀研究

摘要

液压传动具有功率密度大、输出力/力矩大、调速方便、工作平稳、冲击小、快速启动/制动/换向、过载保护等优点,在仿生机器人领域越来越受到重视。然而,由于油液存在污染、易燃、易爆、废液处理成本高等一系列严重问题,使得油压驱动的仿生机器人的安全性受到质疑,工作环境受到制约。水压驱动是以纯水作为工作介质来实现能量传递和控制的驱动方式,它具有油压驱动的一切优点,同时克服了油压驱动的缺陷,能大幅提高仿生机器人的性能。
　　液压伺服阀是仿生机器人的关键部件,控制着其执行机构的位置及速度。本研究针对仿生机器人和水下机械手,提出研发一微型直流电机直接驱动的旋转式水压伺服阀。该阀以纯水(包括自来水和海水)代替矿物油作为工作介质解决了矿物油所带来的污染、易燃、易爆、工作场所肮脏等缺点,同时提高了仿生机器人的性能如:响应速度、效率、控制精度等。在运动方式上,该阀采用旋转的运动方式代替传统的滑动,解决了滑动式的伺服阀对污染敏感、易于卡死等问题,且阀芯及阀口均采用轴对称布置,阀芯上下端都与水箱相通,减小径向和轴向不平衡力(理论值为零),达到降低所需驱动功率目的,这些与传统液压控制阀完全不同的。采用微型直流电机可以实现PWM控制,提高了控制的精度、稳定性等。
　　本文主要的研究任务是:课题来源于山东省自然科学基金项目,主要研究目的是为水下机器人和机械手研发一微型直流电机直接驱动的水压旋转式伺服阀,主要工作包括以下内容:
　　1)研究了纯水液压技术的特点、应用及研究现状,阐述了研制水液压元件存在的技术难题和关键技术,特别是材料选择的原则不同于油压元件的设计制造。滑动式伺服阀存在诸多缺陷,因此需要研发新型的旋转式水压伺服阀来解决这些问题。
　　2)研发出旋转式水压三位四通伺服阀,本文对其结构设计、工作原理以及性能特点做了充分的描述。该阀采用微型直流电机直接控制阀芯的旋转,旋转的角度范围是53°(由端盖出的特殊结构设计严格控制),阀芯旋转角度的不同控制着阀空的大小以及流向,从而控制流量流速,达到控制驱动器的目的。采用微型直流电机直接驱动伺服阀,可以实现PWM控制,提高了控制的精度、稳定性。
　　3)研究了旋转式水压伺服阀的静动态特性,包括流量与压力特性、流动特性、压力特性、泄露特性及动态特性。非线性特性比如滞后现象以及死区,在阀的特征中都有存在。压力动态显示出了有时短暂的压降现象,这说明了内部泄漏和电源的局限性的因素。线性参数如流量增益和压力增益也都是估计的值。动态试验研究的阶跃响应显示了,应用一个简单的PID控制器在10毫秒时就能达到阀门全开的状态。此外,阀在一个2Hz正弦波确定阀芯位置的操作上表现出很好的参考跟踪性能。
　　4)对旋转式水压电液伺服阀进行数学建模,根据旋转式电液伺服阀的结构及工作原理,建立数学模型,将该阀中的直流电机、变速器和阀芯都进行了数学模型建立,并分析了阻力矩的组成和影响因素,确定了该阀控制的系统方程和传递函数根据数学模型和传递函数进行系统稳定性分析,为系统仿真研究提供理论基础。
　　5)研究了旋转式水压伺服阀的流场特性,包括对流量压力特性、液动力矩特性以及射流角都进行了充分的仿真研究。通过Fluent软件的支持,建立不同阀芯位置的模型(共10个),加载1～16Mpa的入口压力,出口的压力设为大气压然后进行计算,得到流量随阀芯旋转角度和压力大小的变化曲线以及相同变量下的液动力矩值,同时得到速度云图、压力云图以及射流角的变化曲线。通过结身分析证明了该阀的可靠性和实用性。
　　未来的工作将包括一些部件的重新设计,以降低泄漏和非线性效应,从而解决阀的性能和实际生产之间的平衡问题。