气动薄膜执行机构的研究及其弹簧的优化设计

摘要

气动执行机构具有防爆、清洁、安全等特点，因此在石油、化工等流程控制中得到了广泛的应用。本课题的主要内容是对直行程单作用气动薄膜执行机构的研究；并对执行机构的控制弹簧进行优化设计；根据弹簧的预紧力，校核阀杆的失稳性。
　　文中阐述了气动薄膜执行机构的功能及结构特点。针对调节阀的整机结构，研究反作用气动薄膜执行机构的工作原理。建立动态平衡方程，推导其传递函数，并计算弹簧的初始压缩量。使用Simulink软件建立仿真模型，对气动薄膜执行机构的动态特性进行分析。研究滚动橡胶膜片的几何结构，根据滚动膜片强度的计算公式，推导气室膜片的有效面积。根据直通阀的结构、使用工况、控制参数等技术条件要求，分析阀体内的平衡力；按照调节阀的关断等级标准ANSI B16.104，确定阀芯的关断力。分别研究调节阀打开状态和关闭状态的静力平衡，推导出气动薄膜执行机构弹簧的刚度范围。
　　使用MATLAB非线性优化方法对执行机构弹簧的几何结构进行最优化设计，根据优化设计后得到的弹簧钢丝的直径、弹簧中径和工作圈数建立三维几何模型。以有限元的方法对所设计的弹簧做结构分析，针对弹簧的静态应力分布图，预测失效发生的位置。同时也对弹簧的疲劳强度进行了研究，校核弹簧的疲劳寿命。
　　根据弹簧优化设计后的刚度，计算弹簧在阀关断状态下的输出压力。确定阀杆承受的最大载荷，按照阀杆的材料和几何尺寸，对阀杆做强度校核和失稳分析，确定阀杆不会在调节阀关闭状态下发生弯曲、失稳的现象。

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字母注释表

第一章绪论

1.1课题研究的背景和意义

1.2气动薄膜执行机构的分类

1.3气动薄膜执行机构的特点

1.4本课题主要研究内容

第二章气动调节阀的整机结构

2.1气动调节阀的组成

2.2反作用气动薄膜执行机构的调节阀

2.3气动调节阀定位器的基本原理

2.4气动薄膜执行机构的传递函数

第三章气动薄膜执行器的力平衡分析

3.1滚动膜片的设计

3.2直通阀的结构和技术要求

3.3直通阀的控制力分析

3.4执行器的静态平衡力分析

3.5调节阀的死区

第四章MATLAB对执行机构弹簧的优化设计

4.1确定目标函数

4.2确定设计变量

4.3确定约束条件

4.4建立MTALAB优化设计文件

4.5优化结果分析

4.6执行机构弹簧的有限元分析

第五章阀杆的失稳分析

5.1执行机构的弹簧预紧力

5.2阀杆失稳的计算

5.3有限元法分析阀杆的失稳

5.4结果分析

第六章结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

致谢