高速气缸动力学与缓冲性能研究

发布时间：2017-08-13 23:11

  本文关键词：高速气缸动力学与缓冲性能研究

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【摘要】：气动技术作为一种新兴的机械传动技术,经过了两百多年的发展历程,如今已经被广泛地应用于生产自动化的各个领域中。而气缸作为气动系统中应用最广的执行元件,高速化已经成为了提高工业自动化生产效率的迫切需求和必然方向。然而高速运行的气缸在行程末端停止时很容易产生振动和冲击,严重地缩短了气缸的使用寿命。因此,高速气缸在行程末端的缓冲问题已经成为了制约其快速发展的关键性技术难题。本文的主要研究内容是通过理论和试验相结合的方法对高速气缸的动态特性以及缓冲性能进行较为全面的分析和研究,进而提出提升高速气缸缓冲性能的方法。基于气体动力学和热力学理论建立了高速气缸运动过程不同阶段:启动阶段,加速阶段,缓冲减速阶段以及余压排气阶段的动力学理论模型,运用MATLAB中的SIMULINK模块和GUI模块根据理论模型建立了具有友好交互界面的仿真计算模型并对高速气缸的动态特性进行了仿真计算和分析。设计并搭建了气缸动态特性试验测试系统,包括气动回路的设计、试验台的安装以及测控程序的编写,为理论仿真模型的验证以及高速气缸缓冲性能的研究提供了试验基础。进一步对高速气缸运行过程中的动态参数进行了试验测试并将仿真结果与试验结果进行对比分析,验证了仿真模型的正确性。在前期的理论和试验基础上,进一步对高速气缸的缓冲状态和传统溢流阀缓冲结构的缓冲能力进行了分析,根据试验结果指出了溢流阀缓冲调节能力的不足。进而采用遗传算法对缓冲溢流阀的结构参数进行了优化设计,通过优化前后的仿真结果的对比分析,说明经过结构优化后的高速气缸缓冲性能得到了一定的提升。最后,为了进一步提升高速气缸的缓冲性能,提出了背压控制式的新型缓冲结构方案并进行了相应的结构设计。根据所设计的结构建立了对应的动力学仿真模型并进行仿真分析。分析结果表明:背压控制式缓冲结构能够保证高速气缸在高速运行时实现良好的缓冲,并且相较于传统溢流阀缓冲结构具有更好的缓冲调节能力。本文的研究结果表明,通过结构优化设计以及采用背压控制式缓冲结构都提高了高速气缸的缓冲性能并通过理论仿真模型分析了两种方法的可行性,为今后对高速气缸缓冲结构的设计以及研制提供了一定的理论参考依据。
【关键词】：高速气缸 动力学 缓冲性能 新型缓冲结构
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH138.51
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 课题研究背景11-12
• 1.2 高速气缸缓冲方式及结构12-16
• 1.2.1 外置式缓冲装置12-14
• 1.2.2 伺服控制缓冲系统14-15
• 1.2.3 内置式缓冲结构15-16
• 1.3 国内外缓冲技术研究现状16-19
• 1.3.1 国外研究现状16-18
• 1.3.2 国内研究现状18-19
• 1.4 研究意义和研究内容19-21
• 第二章 高速气缸动力学建模与仿真计算21-37
• 2.1 高速气缸动力学模型21-28
• 2.1.1 动力学方程22-23
• 2.1.2 热力学方程23-25
• 2.1.3 流量特性方程25-26
• 2.1.4 内置溢流阀方程26-28
• 2.2 基于SIMULINK和GUI模块仿真模型的建立28-34
• 2.2.1 SIMULINK仿真计算模型的建立28-30
• 2.2.2 仿真模型GUI交互界面设计30-34
• 2.3 仿真结果分析34-36
• 2.4 本章小结36-37
• 第三章 试验测试系统的搭建与仿真模型验证37-52
• 3.1 测试系统总体方案37-38
• 3.2 气动回路系统38-40
• 3.2.1 气缸最小起动压力测试38-39
• 3.2.2 气缸运动及速度控制39-40
• 3.3 试验台的安装40-43
• 3.3.1 气动元件的安装41
• 3.3.2 负载及传感器的安装41-43
• 3.4 信号采集及控制系统43-48
• 3.4.1 硬件电路接线44-46
• 3.4.2 基于LabVIEW测控程序开发46-48
• 3.5 试验测试与仿真模型验证48-50
• 3.6 本章小结50-52
• 第四章 高速气缸缓冲性能分析与结构优化52-68
• 4.1 高速气缸缓冲状态分析52-56
• 4.1.1 三种不同缓冲状态52-54
• 4.1.2 缓冲过程能量关系计算与分析54-56
• 4.2 缓冲溢流阀调节能力分析56-59
• 4.3 缓冲溢流阀结构优化59-65
• 4.3.1 结构优化思路及方法60-61
• 4.3.2 遗传算法数学模型及优化结果61-65
• 4.4 结构优化前后缓冲效果对比分析65-67
• 4.5 本章小结67-68
• 第五章 背压控制式缓冲结构设计与仿真分析68-87
• 5.1 背压控制式缓冲结构方案68-72
• 5.1.1 高速气缸过缓冲状态分析68-70
• 5.1.2 缓冲结构方案与缓冲原理70-72
• 5.2 缓冲系统结构设计72-76
• 5.2.1 快排式溢流阀结构72-74
• 5.2.2 普通溢流阀结构74-75
• 5.2.3 总体结构75-76
• 5.3 动力学仿真模型的建立76-80
• 5.3.1 快排式溢流阀动力学模型76-77
• 5.3.2 固定容腔动力学模型77-78
• 5.3.3 普通溢流阀动力学模型78-79
• 5.3.4 仿真计算模型79-80
• 5.4 仿真结果与缓冲效果分析80-86
• 5.4.1 仿真结果分析80-83
• 5.4.2 缓冲效果分析83-86
• 5.5 本章小结86-87
• 总结与展望87-90
• 总结87-88
• 展望88-90
• 参考文献90-95
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果95-96
• 致谢96-97
• 附件97

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本文编号：669498