双相对置超磁致伸缩驱动水压伺服阀的仿真分析

摘要

随着食品加工、制药、钢铁、核能工业、消防工程、航运及海洋工程、地质钻探、环卫工业等特殊领域对安全、清洁、环保的要求越来越高,水压伺服控制技术已成为国内外一个极为重要的研究课题。水压伺服阀是水压伺服控制系统的核心部件,其性能直接影响着整个系统的性能。水压伺服阀中包含喷嘴挡板、环缝、滑阀等一系列阀口型式,要设计出高性能的水压伺服阀,必须对这几种典型阀口的流动特性、特别是流量压力特性和气穴现象进行深入的研究和分析。
　　 传统伺服阀以电磁力矩马达作为驱动器,工作频宽窄、能量密度小、分辨率低,难以满足现代工业对伺服系统的要求,基于超磁致伸缩材料(GMM)制作的超磁致伸缩驱动器(GMA)具有高频响、高可靠性和高精度等优异特性,应用前景非常广阔。将GMA用作水压伺服阀的驱动器,提出了一种新型的双相对置超磁致伸缩驱动水压伺服阀。
　　 根据液阻和液压全桥理论,在水压伺服阀中,阀芯端部的环缝与喷嘴挡板阀组成B+B型液压全桥,对此提出了传统型和专用型两个方案,通过对两种液压全桥的压力特性和静态特性的研究和对比,确定了应用于水压伺服阀的液压全桥类型,以此指导环缝与喷嘴挡板阀的结构设计。
　　 运用CFD技术对水压伺服阀中的滑阀节流、环缝节流和喷嘴挡板阀的流场特性进行了仿真分析,获得了整个流场内的速度、压力、湍动能以及气体体积分数的分布规律和变化规律。在仿真分析的基础上,结合水压伺服阀的设计参数,通过对比分析确定了滑阀、环缝以及喷嘴挡板阀的结构参数,提出了相应的设计理论和方法,并探讨了相关的制造工艺。
　　 根据液压全桥的负载特性和滑阀的结构参数确定了挡板的工作区间,并对工作区间内喷嘴挡板阀的流量压力特性进行了研究,结果表明设计的喷嘴挡板阀满足液压全桥对可变液阻的特性要求。利用FLUEWT软件研究了环缝液阻的变化规律及加工误差对环缝流场的影响,探讨了阀芯额定行程对环缝液阻的影响,并与相应半桥上喷嘴挡板阀液阻的变化相对比,结果表明设计的环缝结构满足固定液阻的使用要求。
　　 在对驱动器和弹簧管进行结构分析和力学分析的基础上确定了驱动器的输出力和位移,根据GMM的磁致伸缩效应和预压力效应设计出双相对置超磁致伸缩驱动器,并对驱动器的最大输出力以及在最大工作位移处的输出力进行了校核,提出了双相对置超磁致伸缩驱动器的设计理论和方法。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外发展现状

1.3 课题来源及主要研究内容

1.3.1 课题来源

1.3.2 主要研究内容

第2章 流场仿真分析的数学模型

2.1 流场仿真的必要性

2.2 FLUENT软件简介

2.3 流体流动的控制方程

2.3.1 连续性方程

2.3.2 运动方程

2.3.3 能量方程

2.4 湍流模型

2.4.1 Standard κ-ε模型

2.4.2 Realizable κ-ε模型

2.5 气穴模型

2.5.1 气穴现象

2.5.2 多相流动的分类

2.5.3 多相流动模拟的方法

2.6 边界条件

2.6.1 边界条件的分类

2.6.2 常用边界条件简介

2.6.3 湍流参数的确定

2.7 网格划分的方法

2.8 仿真步骤

2.9 本章小结

第3章 水压滑阀的仿真设计和特性研究

3.1 滑阀的结构与材料

3.1.1 滑阀的结构型式

3.1.2 水压滑阀的材料选择

3.2 水压滑阀的仿真模型

3.2.1 几何模型的建立和网格划分

3.2.2 计算条件

3.3 全周开口滑阀的仿真设计

3.3.1 边界条件的确定

3.3.2 阀芯直径的确定

3.3.3 入口流道直径的选择

3.3.4 阀芯额定行程的选择

3.3.5 流量特性研究

3.3.6 湍动能影响因素研究

3.3.7 稳态液动力计算

3.4 非全周开口滑阀的仿真设计

3.4.1 几何模型的建立和网格划分

3.4.2 设计参数

3.4.3 阀芯额定行程的确定

3.4.4 流量特性研究

3.4.5 射流角研究

3.4.6 稳态液动力计算

3.5 均压槽的设计论证

3.6 本章小结

第4章 液阻和液压全桥的设计和研究

4.1 液阻和液压全桥简介

4.1.1 液阻的定义和计算

4.1.2 液压半桥和液压全桥

4.2 水压伺服阀中的液压全桥选用

4.3 水压伺服阀用液压全桥的压力特性研究

4.3.1 传统B+B型液压全桥的压力特性

4.3.2 专用B+B型液压全桥的压力特性

4.4 水压伺服阀用液压全桥的静态特性参数

4.4.1 传统B+B型液压全桥的静态特性参数

4.4.2 专用B+B型液压全桥的静态特性参数

4.5 本章小结

第5章 水压喷嘴挡板阀的仿真设计和特性研究

5.1 双喷嘴挡板阀简介

5.1.1 双喷嘴挡板阀结构及其工作原理

5.1.2 水压喷嘴挡板阀的材料选择

5.1.3 水压喷嘴挡板阀的设计参数

5.2 水压喷嘴挡板阀的仿真模型

5.2.1 仿真模型

5.2.2 计算条件

5.3 水压喷嘴挡板阀的仿真分析和设计

5.3.1 直管段直径的确定

5.3.2 阻尼孔直径的选择

5.3.3 阻尼孔长度的确定

5.3.4 喷嘴端面厚度的影响研究

5.3.5 喷嘴外圆斜面角度的设计

5.3.6 喷嘴挡板间隙的确定

5.3.7 结构参数的组合校验

5.4 专用喷嘴挡板阀的仿真分析和设计

5.5 压力特性研究和挡板工作区间的确定

5.6 本章小结

第6章 水压环缝节流的仿真分析和设计

6.1 环缝结构及其流量计算

6.2 水压环缝的设计参数和仿真模型

6.3 水压环缝的仿真分析和设计

6.3.1 环缝间隙的初步确定

6.3.2 环缝叠合长度的影响研究

6.3.3 加工误差对环缝液阻的影响研究

6.3.4 环缝结构的备选方案研究

6.3.5 备选方案的对比分析

6.3.6 入口倒角的影响研究

6.3.7 出口倒角的影响研究

6.4 专用环缝的仿真分析和设计

6.5 本章小结

第7章 驱动器的设计和输出力校核

7.1 超磁致伸缩材料简介

7.2 驱动器的设计

7.2 弹簧管的受力变形分析

7.3 驱动器输出力校核

7.3.1 参数取值说明

7.3.2 计算公式

7.3.3 驱动器的最大输出力计算

7.3.4 GMM棒刚度的计算

7.3.5 驱动器工作中的输出力校核

7.4 本章小结

总结与展望

全文总结

创新点

展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

一、已发表论文

二、专利申请

致谢