气动高速开关阀关键技术研究
发布时间：2022-10-22 20:36
气动高速开关阀因其体积小、成本低、结构简单、抗污染能力强、功率质量比大、切换迅速等优点,在微电子、医药产品粘结、包装装配及农产品色选系统等工业领域中获得了广泛的应用,并成为当今气动技术研究和发展的重要方向之一。同时,伴随数字集成电路技术的发展,气动高速开关阀在工业自动化中正逐步取代价格高昂的气动比例伺服阀,应用领域由传统的简单开环控制系统向伺服控制系统中拓展,用于实现低成本的力、位移、速度伺服控制。掌握高速开关阀所涉及的系列关键技术,研发具有自主知识产权的气动高速开关阀将有助于更好地满足日益提高的市场需求,进而推动我国在气动元件领域研究的发展,为气动自动化和气动伺服控制技术的发展更好地服务。 本文以气动高速开关阀关键技术为研究对象,采用理论分析、解析计算、数值仿真和试验研究相结合的方法,对开关阀所涉及的关键技术进行了系统、深入的研究。通过磁路分析和磁场有限元仿真,分别阐述了电磁铁结构及外部控制参数的作用机理。通过采用缩小衔铁质量的策略,在传统E型电磁铁基础上,提出了ε型电磁铁新结构。仿真与试验结果表明,ε型电磁铁在高速开关阀典型气隙长度范围内电磁力输出能力基本不变（40-60N...
【文章页数】：144 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
摘要
ABSTRACT
1 绪论
1.1 气动高速开关阀概述
1.2 国内外研究现状及分析
1.2.1 国外研究现状
1.2.1.1 液压高速开关阀的研究
1.2.1.2 气动高速开关阀的研究
1.2.2 国内研究现状
1.3 相关技术进展
1.3.1 功率驱动模块
1.3.2 新型应用
1.3.3 磁性材料
1.4 课题的研究意义及研究内容
1.4.1 研究意义
1.4.2 研究内容
1.5 本章小结
2 气动高速开关阀基础理论研究及结构方案设计
2.1 气动高速开关阀的结构、工作原理及性能要求
2.1.1 结构及工作原理
2.1.2 性能要求
2.2 静态流量特性分析
2.3 动态特性及其影响因素分析
2.3.1 开关电磁铁对动态性能的影响
2.3.2 材料性能对动态特性的影响分析
2.3.2.1 材料的静态磁特性
2.3.2.2 材料的频率特性
2.3.2.3 材料的温度特性
2.3.2.4 开关电磁铁稳态温升建模
2.4 高速开关阀设计依据
2.5 高速开关阀结构设计
2.5.1 圆柱E型电磁铁式高速开关阀
2.5.2 C型电磁铁式高速开关阀
2.6 本章小结
3 开关电磁铁理论分析、建模与优化
3.1 开关电磁铁等效磁路建模
3.1.1 磁路建模基础
3.1.2 圆柱E型电磁铁磁路建模
3.1.3 C型电磁铁磁路建模
3.2 开关电磁铁结构参数初步确定
3.3 开关电磁铁有限元方法建模
3.3.1 电磁场基本理论
3.3.2 电磁场求解基础与有限元建模
3.3.2.1 (准)静态磁场中的矢量磁位方程
3.3.2.2 (准)静态磁场中的标量磁位定解方程
3.3.2.3 电磁场有限元计算方法
3.3.3 电磁力有限元求解
3.3.4 电感的有限元求解方法
3.3.5 电磁铁运动耦合瞬态场建模
3.4 开关电磁铁数值仿真与优化
3.4.1 圆柱E型电磁铁数值仿真及对比
3.4.2 圆柱E型电磁铁结构优化
3.4.3 C型电磁铁数值仿真与对比
3.4.4 C型电磁铁磁结构参数优化设计
3.5 本章小结
4 气动高速开关阀动态性能仿真分析及其测试方法研究
4.1 开关阀动态性能概述
4.2 开关阀动态特性建模
4.2.1 开关阀阀芯受力分析与建模
4.2.1.1 阀芯气动力建模
4.2.1.2 开关阀阀芯气动力的有限元验证
4.2.2 基于磁通变化的开关阀动态特性建模
4.2.3 基于有限元-集总参数(FEA-LPM)的开关阀动态特性混合模型
4.3 开关阀动态特性仿真分析
4.4 开关阀动态特性影响因素分析
4.4.1 保持安匝数的影响
4.4.2 激励电压的影响
4.4.3 气源压力的影响
4.4.4 开关阀背压的影响
4.4.5 电磁铁工作气隙长度的影响
4.4.6 线圈匝数的影响
4.4.7 占空比的影响
4.4.8 开关阀动态特性仿真总结
4.5 开关阀动态性能测试方法研究
4.5.1 基于阀控腔动态压力特性检测的开关阀动态性能测试平台
4.5.2 阀控腔动态压力特性建模
4.5.3 阀控腔动态压力仿真研究及其影响因素分析
4.6 本章小结
5 气动高速开关阀综合试验研究
5.1 开关阀性能试验装置及原理
5.1.1 开关电磁铁力性能测试系统
5.1.2 开关阀动态性能测试系统
5.1.2.1 基于电磁铁动态位移与励磁电流检测的开关阀动态性能测试系统
5.1.2.2 基于阀控腔动态压力特性检测的开关阀动态性能测试系统
5.1.3 开关阀加速寿命性能测试系统
5.1.4 开关阀流量特性测试系统
5.2 开关阀驱动方案及实现
5.3 开关阀试验研究
5.3.1 开关阀试验平台可靠性验证
5.3.2 高速开关阀试验分析及对比
5.3.2.1 电磁铁行程-力特性试验及对比
5.3.2.2 开关阀动态特性试验及对比
5.3.2.3 开关阀寿命特性试验
5.3.2.4 开关阀流量特性试验
5.3.2.5 开关阀性能对比
5.4 气动高速开关阀光学分选应用效果
5.5 本章小结
6 总结与展望
6.1 论文总结
6.2 工作展望
参考文献
攻读博士学位期间取得的学术成果及荣誉
附录
【参考文献】：
期刊论文
[1]高频电气喷射阀优化设计与试验[J]. 向忠,刘昊,陶国良. 农业机械学报. 2009(04)
[2]Development of an ε-type actuator for enhancing high-speed electro-pneumatic ejector valve performance[J]. Zhong XIANG, Hao LIU, Guo-Liang TAO, Jun MAN, Wei ZHONG (State Key Laboratory of Fluid Power Transmission and Control, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China). Journal of Zhejiang University（Science A:An International Applied Physics ＆ Engineering Journal）. 2008(11)
[3]气动肌肉并联关节的位姿轨迹跟踪控制[J]. 朱笑丛,陶国良,曹剑. 机械工程学报. 2008(07)
[4]气动高速开关阀动态压力特性仿真与试验研究[J]. 向忠,陶国良,谢建蔚,刘昊. 浙江大学学报(工学版). 2008(05)
[5]气动人工肌肉关节的建模与仿真[J]. 谢建蔚,陶国良,周洪. 浙江大学学报(工学版). 2007(03)
[6]高速开关阀驱动的气动肌肉关节的滑模变结构跟踪控制[J]. 谢建蔚,陶国良,周洪. 中国机械工程. 2007(05)
[7]大米色选机信号处理算法与实现[J]. 郑力新,黄东海,周凯汀. 福建工程学院学报. 2006(04)
[8]TEST METHOD OF HIGH-SPEED ON-OFF VALVE DYNAMIC CHARACTERISTICS[J]. FU Linjian KONG Xiaowu QIU Minxiu State Key Laboratory of Fluid Power Transmission and Control,Zhejiang University,Hangzhou 310027, China. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2006(01)
[9]退火温度对冷轧无取向硅钢组织结构和磁性能的影响[J]. 张文康,毛卫民,白志浩. 特殊钢. 2006(01)
[10]柴油机高速电磁阀驱动特性仿真分析[J]. 宋军,黄建平,李孝禄,李书泽,黄震. 车用发动机. 2005(05)
博士论文
[1]低功耗比例电—机械转换器关键技术研究[D]. 李勇.浙江大学 2009
[2]液压自由活塞发动机运动特性及其数字阀研究[D]. 周盛.浙江大学 2006
[3]脉冲喷射开关阀理论及其在BCP应用中的研究[D]. 孟爱华.浙江大学 2006
硕士论文
[1]棉种色选装置的光电检测系统研究[D]. 李景彬.石河子大学 2006
[2]基于压电陶瓷驱动器的新型气动阀研究[D]. 高平波.浙江大学 2006
本文编号：3696827
【文章页数】：144 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
摘要
ABSTRACT
1 绪论
1.1 气动高速开关阀概述
1.2 国内外研究现状及分析
1.2.1 国外研究现状
1.2.1.1 液压高速开关阀的研究
1.2.1.2 气动高速开关阀的研究
1.2.2 国内研究现状
1.3 相关技术进展
1.3.1 功率驱动模块
1.3.2 新型应用
1.3.3 磁性材料
1.4 课题的研究意义及研究内容
1.4.1 研究意义
1.4.2 研究内容
1.5 本章小结
2 气动高速开关阀基础理论研究及结构方案设计
2.1 气动高速开关阀的结构、工作原理及性能要求
2.1.1 结构及工作原理
2.1.2 性能要求
2.2 静态流量特性分析
2.3 动态特性及其影响因素分析
2.3.1 开关电磁铁对动态性能的影响
2.3.2 材料性能对动态特性的影响分析
2.3.2.1 材料的静态磁特性
2.3.2.2 材料的频率特性
2.3.2.3 材料的温度特性
2.3.2.4 开关电磁铁稳态温升建模
2.4 高速开关阀设计依据
2.5 高速开关阀结构设计
2.5.1 圆柱E型电磁铁式高速开关阀
2.5.2 C型电磁铁式高速开关阀
2.6 本章小结
3 开关电磁铁理论分析、建模与优化
3.1 开关电磁铁等效磁路建模
3.1.1 磁路建模基础
3.1.2 圆柱E型电磁铁磁路建模
3.1.3 C型电磁铁磁路建模
3.2 开关电磁铁结构参数初步确定
3.3 开关电磁铁有限元方法建模
3.3.1 电磁场基本理论
3.3.2 电磁场求解基础与有限元建模
3.3.2.1 (准)静态磁场中的矢量磁位方程
3.3.2.2 (准)静态磁场中的标量磁位定解方程
3.3.2.3 电磁场有限元计算方法
3.3.3 电磁力有限元求解
3.3.4 电感的有限元求解方法
3.3.5 电磁铁运动耦合瞬态场建模
3.4 开关电磁铁数值仿真与优化
3.4.1 圆柱E型电磁铁数值仿真及对比
3.4.2 圆柱E型电磁铁结构优化
3.4.3 C型电磁铁数值仿真与对比
3.4.4 C型电磁铁磁结构参数优化设计
3.5 本章小结
4 气动高速开关阀动态性能仿真分析及其测试方法研究
4.1 开关阀动态性能概述
4.2 开关阀动态特性建模
4.2.1 开关阀阀芯受力分析与建模
4.2.1.1 阀芯气动力建模
4.2.1.2 开关阀阀芯气动力的有限元验证
4.2.2 基于磁通变化的开关阀动态特性建模
4.2.3 基于有限元-集总参数(FEA-LPM)的开关阀动态特性混合模型
4.3 开关阀动态特性仿真分析
4.4 开关阀动态特性影响因素分析
4.4.1 保持安匝数的影响
4.4.2 激励电压的影响
4.4.3 气源压力的影响
4.4.4 开关阀背压的影响
4.4.5 电磁铁工作气隙长度的影响
4.4.6 线圈匝数的影响
4.4.7 占空比的影响
4.4.8 开关阀动态特性仿真总结
4.5 开关阀动态性能测试方法研究
4.5.1 基于阀控腔动态压力特性检测的开关阀动态性能测试平台
4.5.2 阀控腔动态压力特性建模
4.5.3 阀控腔动态压力仿真研究及其影响因素分析
4.6 本章小结
5 气动高速开关阀综合试验研究
5.1 开关阀性能试验装置及原理
5.1.1 开关电磁铁力性能测试系统
5.1.2 开关阀动态性能测试系统
5.1.2.1 基于电磁铁动态位移与励磁电流检测的开关阀动态性能测试系统
5.1.2.2 基于阀控腔动态压力特性检测的开关阀动态性能测试系统
5.1.3 开关阀加速寿命性能测试系统
5.1.4 开关阀流量特性测试系统
5.2 开关阀驱动方案及实现
5.3 开关阀试验研究
5.3.1 开关阀试验平台可靠性验证
5.3.2 高速开关阀试验分析及对比
5.3.2.1 电磁铁行程-力特性试验及对比
5.3.2.2 开关阀动态特性试验及对比
5.3.2.3 开关阀寿命特性试验
5.3.2.4 开关阀流量特性试验
5.3.2.5 开关阀性能对比
5.4 气动高速开关阀光学分选应用效果
5.5 本章小结
6 总结与展望
6.1 论文总结
6.2 工作展望
参考文献
攻读博士学位期间取得的学术成果及荣誉
附录
【参考文献】：
期刊论文
[1]高频电气喷射阀优化设计与试验[J]. 向忠,刘昊,陶国良. 农业机械学报. 2009(04)
[2]Development of an ε-type actuator for enhancing high-speed electro-pneumatic ejector valve performance[J]. Zhong XIANG, Hao LIU, Guo-Liang TAO, Jun MAN, Wei ZHONG (State Key Laboratory of Fluid Power Transmission and Control, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China). Journal of Zhejiang University（Science A:An International Applied Physics ＆ Engineering Journal）. 2008(11)
[3]气动肌肉并联关节的位姿轨迹跟踪控制[J]. 朱笑丛,陶国良,曹剑. 机械工程学报. 2008(07)
[4]气动高速开关阀动态压力特性仿真与试验研究[J]. 向忠,陶国良,谢建蔚,刘昊. 浙江大学学报(工学版). 2008(05)
[5]气动人工肌肉关节的建模与仿真[J]. 谢建蔚,陶国良,周洪. 浙江大学学报(工学版). 2007(03)
[6]高速开关阀驱动的气动肌肉关节的滑模变结构跟踪控制[J]. 谢建蔚,陶国良,周洪. 中国机械工程. 2007(05)
[7]大米色选机信号处理算法与实现[J]. 郑力新,黄东海,周凯汀. 福建工程学院学报. 2006(04)
[8]TEST METHOD OF HIGH-SPEED ON-OFF VALVE DYNAMIC CHARACTERISTICS[J]. FU Linjian KONG Xiaowu QIU Minxiu State Key Laboratory of Fluid Power Transmission and Control,Zhejiang University,Hangzhou 310027, China. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2006(01)
[9]退火温度对冷轧无取向硅钢组织结构和磁性能的影响[J]. 张文康,毛卫民,白志浩. 特殊钢. 2006(01)
[10]柴油机高速电磁阀驱动特性仿真分析[J]. 宋军,黄建平,李孝禄,李书泽,黄震. 车用发动机. 2005(05)
博士论文
[1]低功耗比例电—机械转换器关键技术研究[D]. 李勇.浙江大学 2009
[2]液压自由活塞发动机运动特性及其数字阀研究[D]. 周盛.浙江大学 2006
[3]脉冲喷射开关阀理论及其在BCP应用中的研究[D]. 孟爱华.浙江大学 2006
硕士论文
[1]棉种色选装置的光电检测系统研究[D]. 李景彬.石河子大学 2006
[2]基于压电陶瓷驱动器的新型气动阀研究[D]. 高平波.浙江大学 2006
本文编号：3696827
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