气浮式无摩擦气缸静动态特性研究

发布时间：2017-09-29 16:01

  本文关键词：气浮式无摩擦气缸静动态特性研究

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【摘要】：气动技术是工业机械自动化的一种重要技术手段。气缸作为气动系统中最为常见的执行机构,摩擦力成为影响气缸性能中非常重要的一个环节。结合气缸发展,气浮式无摩擦气缸的研究得到关注。本文将气浮轴承与低摩擦气缸相结合,利用气浮特性降低气缸运行时摩擦力,使其能够运用于精密控制以及高响应控制等场合。以气浮轴承特性为基础,深入研究气浮式无摩擦气缸结构参数指标、静态特性指标以及动态特性指标之间影响关系。提出一套完整的气浮式无摩擦气缸设计方案。本文主要研究内容如下：(1)确定气浮式无摩擦气缸结构,主要包括气缸体和活塞体。活塞体采用自主研发设计的具有气浮特性的气浮轴承。(2)为实现活塞体功能,对其表面进行精确的压力分布控制,建立一套完善包含负载考虑的活塞数学模型,包括一维解析数学模型和二维数值数学模型,并确定其压力分布关系。提出静态特性指标,包括径向承载力和气体泄漏量。采用基于二次开发的MATLAB PDE Tools求解二维数值数学模型,并以双排孔活塞模型作为研究对象,仿真分析各种活塞结构参数对其的影响,并验证一维解析数学模型和二维数值数学模型的可行性,以及模型应用范围。(3)气缸活塞参数较多,合理统筹参数类别,将静态特性作为优化目标,提出一种受限约束优化方法(COPT),通过与不同权值的加权优化方法(WOPT1,WOPT2)对比,验证受限约束优化方法(COPT)的可靠性和实用性。可根据用户的需求选择合适的活塞结构参数的优化解集。(4)运用AMESim和Simulink建立带有气体内泄漏模块的气缸动态模型。分别在不同的控制输入(换向阀控制电压给与时间Tstep、换向阀控制电压Ustep)、激励参数(供气压力Ps、负载质量M)、活塞结构设计参数条件下进行动态性能的仿真对比,验证静态性能的重要性以及结构参数的优化对气缸运行中的重要影响。进行测试实验台的总体设计,提出气浮式无摩擦气缸样机的性能测试方法。
【关键词】：气缸 气浮轴承 无摩擦 MATLAB PDE Simulink
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH138.51
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• ABSTRACT6-12
• 第1章 绪论12-24
• 1.1 气动技术简介12
• 1.2 低摩擦气缸的国内外研究现状12-16
• 1.2.1 基于密封特性原理的低摩擦气缸12-13
• 1.2.2 基于轴承导向原理的低摩擦气缸13-14
• 1.2.3 基于气浮活塞原理的低摩擦气缸14-16
• 1.3 气浮式轴承的国内外研究现状16-20
• 1.3.1 气浮式轴承结构研究现状16-18
• 1.3.2 气浮式轴承原理研究现状18-20
• 1.3.3 气浮式轴承优化研究现状20
• 1.4 气缸动态性能研究现状20-21
• 1.4.1 气缸动态原理研究现状20
• 1.4.2 气缸动态实验研究现状20-21
• 1.5 课题意义以及主要工作21-24
• 1.5.1 课题意义22
• 1.5.2 主要工作22-24
• 第2章 无摩擦气缸活塞的气隙压力分布建模24-38
• 2.1 结构设计与模型说明24-26
• 2.1.1 气浮式无摩擦气缸结构设计24-25
• 2.1.2 气浮式活塞结构设计25
• 2.1.3 气浮式活塞周向展开25-26
• 2.1.4 模型说明26
• 2.2 一维气体间隙流动的数学模型26-30
• 2.2.1 一维解析模型假设26-27
• 2.2.2 间隙气体流动方程27
• 2.2.3 节流孔流量计算27-28
• 2.2.4 压力分布计算28-30
• 2.3 二维气体间隙流动的数学模型30-37
• 2.3.1 二维数值模型基本假设30-31
• 2.3.2 气体润滑Reynolds方程一般形式31-32
• 2.3.3 静压活塞无因次Reynolds方程32-33
• 2.3.4 节流孔的流动特性33
• 2.3.5 边界条件33-35
• 2.3.6 节流口出口处的边界条件35-37
• 2.3.7 压力分布37
• 2.4 本章小结37-38
• 第3章 无摩擦气缸静特性研究38-52
• 3.1 静态性能指标38
• 3.2 一维模型静态性能指标计算38-39
• 3.2.1 气体泄漏量计算38
• 3.2.2 径向承载力计算38-39
• 3.3 二维模型静态性能指标计算39-40
• 3.3.1 气体泄漏量计算39-40
• 3.3.2 径向承载力计算40
• 3.4 二维数值模型求解方法40-43
• 3.4.1 MATLAB PDE工具箱简介40-42
• 3.4.2 稳态Reynolds方程转换42
• 3.4.3 二维数值模型的求解过程42-43
• 3.5 设计变量确定43-44
• 3.6 压力分布计算结果44-46
• 3.6.1 活塞表面整体压力分布44
• 3.6.2 一二维模型沿节流小孔轴向截面压力分布44-46
• 3.7 静态性能计算结果及分析46-50
• 3.7.1 无量纲小孔直径ds/Dcy对静态性能影响46-47
• 3.7.2 无量纲平均间隙h0/Dcy对静态性能影响47-48
• 3.7.3 无量纲化小孔位置11/L对静态性能影响48-49
• 3.7.4 长径比L/D对静态性能影响49-50
• 3.7.5 一维解析模型与二维数值模型对比总结50
• 3.8 本章小结50-52
• 第4章 无摩擦气缸静特性优化设计52-60
• 4.1 优化设计流程52-56
• 4.1.1 优化设计变量53
• 4.1.2 优化算法53-54
• 4.1.3 优化模型描述54-56
• 4.2 优化结果对比56-59
• 4.2.1 优化方法结果对比56-57
• 4.2.2 受限优化方法的有效性分析57-58
• 4.2.3 不同长径比L/D下COPT优化性能结果58-59
• 4.2.4 最优结果59
• 4.3 本章小结59-60
• 第5章 无摩擦气缸动态特性研究60-76
• 5.1 气缸动态机理模型60-64
• 5.1.1 变质量系统方程61
• 5.1.2 气缸两腔流量连续性方程61-62
• 5.1.3 气缸压力方程62
• 5.1.4 气缸动力学方程62-63
• 5.1.5 控制阀压力-流量方程63
• 5.1.6 总体动力学状态方程模型63-64
• 5.2 气缸仿真模型建立64-66
• 5.2.1 气缸仿真平台软件简介64
• 5.2.2 基于AMESim理想气缸动态模型建立64-65
• 5.2.3 基于MATLAB Simulink无摩擦气缸动态模型建立65
• 5.2.4 输入变量确定65-66
• 5.3 气缸动态性能开环控制仿真66-74
• 5.3.1 不同控制输入影响66-70
• 5.3.2 不同激励参数影响70-72
• 5.3.3 不同活塞结构设计参数影响72-74
• 5.4 本章小结74-76
• 第6章 无摩擦气缸实验平台研究76-82
• 6.1 实验台设计和性能测试方法76-81
• 6.1.1 试验台设计76-81
• 6.1.2 性能测试方法81
• 6.2 本章小结81-82
• 第7章 总结与展望82-84
• 7.1 总结82-83
• 7.2 展望83-84
• 参考文献84-88
• 硕士期间发表论文88

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本文编号：942891