伺服阀衔铁组件的自激振动特性及磁流体的抑振研究

摘要

电液伺服技术是广泛应用于国防工业和现代化生产领域的重要驱动和传动技术。作为电液伺服系统不可或缺的核心元件，伺服阀的工作稳定性对整个伺服系统的可靠运行具有至关重要的影响。自激噪声引起的伺服阀稳定性和失效问题是国防、航空航天等领域高性能电液伺服系统的严重隐患之一。伺服阀内部存在着电磁、机械和流场的多物理场耦合作用机制，多物理场耦合的协调性是关系到伺服阀稳定性和可靠性的关键，也是引起伺服阀自激噪声的重要因素。本文研究衔铁组件在多物理场下的自激振动特性及抑振措施，对于伺服阀自激噪声产生机理的揭示及伺服阀乃至电液伺服系统的工作性能改善具有十分重要的意义。
　　本文针对多物理场下衔铁组件的自激振动特性及其抑振措施进行理论和实验研究。建立了考虑和未考虑磁弹簧影响时衔铁组件的干模态有限元模型，通过模态分析、谐响应分析和瞬态动力学分析深入研究了衔铁组件的自激振动特性，分析了关键几何参数、载荷、磁弹簧刚度及阻尼等对自激振动特性的影响。分别采用电磁激励法和声波激励法模态实验获取了关键点处频率响应、稳态响应及谐振自由衰减响应，辨识得到工作平面内的固有频率和谐响应特性，同时提出了一种基于自由衰减响应和傅里叶级数拟合法的模态阻尼比辨识方法。利用辨识所得模态参数验证并修正了仿真模型，为复杂工况下衔铁组件自激振动特性的研究奠定了理论基础。
　　针对喷嘴挡板阀前置级射流流场进行了CFD仿真，重点分析了高压大间隙及低压小间隙两种工况下射流流场的速度、压力分布特性，同时获取了射流流量及喷嘴射流力随入口压力和喷嘴挡板间隙的变化规律。基于N-S方程对射流流场参数进行了解析式推导和简化，建立了考虑压力损失和流动惯性的射流力数学模型。计算与仿真结果均显示，射流力随挡板位移的增加近似呈线性增大，其作用相当于一正刚度液压弹簧。基于有限元法对射流力作用下衔铁组件的振动特性进行了仿真研究。分别进行了射流力的静态特性实验和射流流场中衔铁组件的模态实验，获取了射流力对衔铁组件振动特性的影响，并验证了理论分析结果。
　　针对磁流体的抑振机理和抑振效果进行了理论与实验研究。基于双粘度模型对添加到力矩马达工作间隙中的磁流体挤压流动进行理论推导，建立了挤压模式下磁流体阻尼力的数学模型。基于磁化饱和状态下磁流体的粘磁特性，分析了磁流体阻尼力随挤压速度和挤压位移的变化规律，并由此得出磁流体的等效物理模型。采用有限元法分析了添加磁流体后衔铁组件的振动特性，基于QR阻尼法量化分析了磁流体对各阶模态的阻尼效应。采用电磁激励法对添加磁流体的衔铁组件进行振动特性实验，分析了磁流体对振动特性的影响，验证了磁流体等效模型的有效性以及磁流体对衔铁组件的阻尼效应。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 伺服阀自激噪声的研究现状

1.3 振动特性分析的研究现状

1.4 磁流体及其阻尼特性研究现状

1.5 本文的主要研究内容

第2章 衔铁组件的干模态振动特性仿真

2.1 引言

2.2 双喷嘴挡板伺服阀的结构及工作原理

2.3 衔铁组件的有限元建模

2.4 衔铁组件振动特性的有限元分析

2.5 本章小结

第3章 衔铁组件的干模态参数辨识

3.1 引言

3.2 电磁力激励下的模态参数辨识

3.3 声波激励下的模态参数辨识

3.4 本章小结

第4章 射流力作用下衔铁组件的振动特性计算

4.1 引言

4.2 喷嘴挡板阀前置级射流流场的CFD仿真

4.3 考虑压力损失及流动惯性的射流力简化计算

4.4 液压弹簧对衔铁组件振动特性的影响

4.5 本章小结

第5章 射流力作用下衔铁组件的振动特性实验

5.1 引言

5.2 衔铁组件弹性元件的刚度计算与测试

5.3射流力静态特性实验

5.4 射流流场中衔铁组件的模态实验

5.5 本章小结

第6章 添加磁流体的力矩马达衔铁组件振动抑制研究

6.1 引言

6.2 挤压模式下磁流体阻尼力数学模型

6.3 添加磁流体的衔铁组件振动特性仿真

6.4 添加磁流体的衔铁组件振动特性实验

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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