超高压大流量插装式比例流量阀的研究

摘要

随着我国工业的不断发展与进步，模锻压机在航空、航天、船舶等领域的应用越来越广泛，并渐渐向超大吨位发展。超高压大流量插装式比例流量阀作为大型模锻压机的核心元件，它的国产化对确保产业安全具有重要意义。 本文分析了国内外部分现有高压大流量插装式流量阀的工作原理、性能特点，提出了以高频响比例阀作为先导阀，采用位移电反馈形式实现主阀芯位移闭环控制的工作原理，设计了超高压大流量插装式比例流量阀，并对承受超高压压力的阀芯、阀套、活塞进行了静力学仿真。 本文通过对先导阀、主阀的流量、受力情况进行分析，建立了阀的数学模型，并利用AMESim软件建立了超高压比例流量阀的仿真模型，通过仿真分析验证了阀的功能和性能。同时，在仿真的基础上优化了阀的结构并试制了最高工作压力为70MPa的50通径超高压比例流量阀样机。 本文设计了基于STM32F4高性能芯片的数字式控制器及其基于PID的控制程序。数字式控制器能够与计算机测控技术相结合，实现控制器与上位机的通信，从而实现对控制参数的在线调整。数字式控制器硬件部分主要包括电源转换模块、高频响比例阀驱动模块、高频响比例阀位移闭环控制模块、传感器信号调理及采样模块、串口通信模块、CAN通信模块和安全逻辑模块等部分;软件部分主要包含基于PID的嵌入式控制程序、用于在线参数调整及监测的上位机程序。 本文在试验压力可达105 MPa的超高压耐压试验台上对所设计的超高压比例流量阀进行了耐压试验。最后，本文在一个自主设计的超高压型式试验台上完成了对阀的阶跃响应、频率响应、稳态控制特性实验。阶跃响应实验结果表明，空载时阀的阶跃响应上升时间为33ms，下降时间为30ms;带载70MPa时阀的阶跃响应上升时间为26ms，下降时间为53ms;频率响应实验结果表明，阀的幅频宽为15.6Hz，相频宽为11.5Hz;稳态控制特性实验表明，电信号阀芯位移特性曲线的滞回为0.62％、线性度为0.31％、重复精度为0.1％。试验结果表明，阀的整体性能良好，各项指标均符合设计目标。

目录

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致谢

摘要

1绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外相关研究现状

1．2．1国外研究现状

1．2．2国内研究现状

1．2．3国内外差距

1．3 项目研究意义

1．4 研究内容与研究方案

1．4．1研究内容

1．4．2研究方案

1．5 本章小结

2原理方案及结构参数设计

2．1 设计目标

2．2 原理概念设计

2．3 原理方案设计

2．4 主级结构参数计算

2．5 先导阀的选型

2．6 位移传感器的选型

2．7 结构总体设计

2．8静力学仿真

2．9 本章小结

3控制器的设计

3．1 引言

3．2 控制原理

3．3 控制器的硬件设计

3．3．1硬件设计的要求

3．3．2电源设计

3．3．3驱动级设计

3．3．4高频响比例阀位移闭环控制设计

3．3．5上电与欠压指示电路设计

3．3．6保护电路设计

3．3．7信号调理电路设计

3．3．8数字芯片核心电路设计

3．4 控制器的软件设计

3．4．1程序设计

3．5 本章小结

4数学建模与仿真分析

4．1 引言

4．2 数学建模

4．2．1先导阀的数学模型

4．2．2主阀的数学模型

4．3 仿真分析

4．3．1先导阀的仿真模型

4．3．2主阀的仿真模型

4．3．3阀的整体仿真模型

4．3．4仿真及结果分析

4．4 本章小结

5实验研究

5．1 引言

5．2 耐压试验研究

5．3 超高压试验台

5．4 试验台测控系统的组成

5．5 基于LabVIEW的测控程序

5．6 实验结果

5．6．1空载阶跃响应实验

5．6．2带载阶跃响应实验

5．6．3频响实验

5．6．4稳态控制特性实验

5．7 本章小结

6总结与展望

6．1 论文总结

6．2 展望与后续工作

参考文献