低功耗、大流量高速开关阀的仿真分析与优化设计

摘要

气动高速开关阀，是一种可与控制器直接相连，由数字量控制阀口开关，实现气体快速切换的气动元件，在PWM模式控制下拥有比例特性，可代替比例伺服阀，而且与之相比，又具有体积小、成本低、结构简单、切换迅速、抗污染能力强等优点，被广泛运用于现代工业领域中，成为当今气动技术重要的研究方向之一。
　　目前对流量在700 L/min以上，开关切换时间在10 ms以内的大流量高速开关阀鲜有报道。本文以此类开关阀为研究对象，采用数学建模、仿真分析、试验验证等方法对其进行深入研究，首先提出了一种具有衔铁固定膜片的二位二通气动高速开关阀结构，然后通过建立其有限元仿真分析模型及有限元—集总参数分析模型，对其静、动态性能影响因素进行了分析研究，获得了各参数的作用规律，最后在此基础上对所提出的高速开关阀进行了结构优化。仿真与试验结果表明，所开发的高速开关阀在气源压力为7 Bar的情况下，流量可达720 L/min，切换时间仅为9.5ms。本文各章节内容安排如下：
　　第一章，介绍了本文研究的背景与意义，分析了高速开关阀的研究现状，概括了本文研究的重点与研究内容。
　　第二章，从高速开关阀流量特性与动态响应特性出发，对高速开关阀的结构进行分析与设计，提出了一种新型的衔铁放置结构，确定了高速开关阀初始结构参数。
　　第三章，通过对高速开关阀中的电磁铁磁场仿真，详细分析了静铁芯结构、衔铁结构、线圈位置相关参数对E型电磁铁性能的影响，揭示了E型电磁铁性能影响规律,得到了优化后的电磁铁结构参数。
　　第四章，通过对高速开关阀流场仿真分析，得出了高速开关阀稳态气动力数学表达式；基于有限元—集总参数模型，详细阐述了弹簧刚度系数、激励电压与气源压力对高速开关阀动态性能的影响规律，获得了优化后的高速开关阀相关驱动参数。
　　第五章，介绍了高速开关阀流量特性测试与切换时间测试系统基本原理，利用测试设备对高速开关阀的性能进行测试，分析对比了仿真数据与试验数据，验证了模型的正确性。
　　第六章，总结了全文的主要工作与成果，为未来进一步的研究工作提供方向。

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1 绪论

1.1 研究背景与研究意义

1.2 高速开关阀的分类

1.3 高速开关阀的研究现状

1.4 研究内容

2 高速开关阀结构设计与分析

2.1 开关阀的阀芯结构设计

2.2 电—机械转换器设计

2.3 小结

3 电磁铁结构仿真与优化

3.1 电磁铁有限元建模

3.2电磁铁性能影响参数分析

3.3电磁铁初始结构性能优化

3.4 小结

4 高速开关阀动态特性仿真分析与优化

4.1高速开关阀系统建模

4.2 高速开关阀动态特性影响因素分析与优化

4.3小结

5 高速开关阀性能试验分析

5.1 流量特性试验

5.2切换时间试验

5.3 小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

附录

攻读硕士学位期间研究成果

致谢