基于PWM的液压高速开关阀结构设计与特性分析

【摘要】随着计算机技术的发展和在各领域的日益广泛应用,电液数字控制技术已经成为实现机电一体化的重要手段,是实现对液压系统进行高速、高精度控制的理想方法,目前已广泛应用于汽车、冶金、工程机械、航空航天等重要领域。高速开关阀的研究是电液数字控制技术中的一个重要部分,而高速开关阀是实现电液数字控制的关键元件,其工作原理是根据一系列脉冲电信号控制电磁铁产生吸力,使得阀芯高速正、反向运动,从而实现液流在阀口处的交替通、断功能,无需D/A转换接口即可实现可靠的数字化电液控制。特别近年来,工程机械等的发展对高速开关阀提出了更高的技术要求,而现有的高速开关阀主要存在着输出流量小、响应速度慢的缺点,如何解决大流量和高响应之间的矛盾一直是液压高速开关阀设计中的难点,这种矛盾的存在在一定程度上制约了高速开关阀的应用与发展。本文以高速开关阀大流量与高响应之间存在的矛盾为研究出发点,在保证高速开关阀大流量的基础上能够适当提高响应速度,基于此种目的设计了一种新型脉宽调制式(PWM)高速开关阀,该阀采用二级结构并实现二位三通控制,先导级为双喷嘴挡板阀,功率主级采用对称锥阀结构。预期所设计的脉宽调制式高速开关阀达到以下技术指标：空载流量大于40L/min(△P=16MPa),阀芯开关时间小于4ms。根据所设计高速开关阀的工作原理,运用CAD软件画出二维装配图,对主要的结构参数进行初步设计计算；运用Fluent软件对主阀口流道进行三维建模并分析其流场特性,得出了不同阀口开度下的流量-压力曲线；在建立高速开关阀数学模型的基础上,分别运用AMESim和MATLAB/Simulink对高速开关阀进行静动态特性研究,先后分析了双喷嘴挡板阀的控制压力在不同参数下的阶跃响应、不同脉宽占空比及几个重要参数变化对高速开关阀性能的影响,为该阀结构参数的合理选择提供了依据。通过对该阀的结构设计与仿真分析,最终得出所设计的高速开关阀的开启和关闭时间分别为3.2ms和3.6ms,空载流量达到50L/min以上,仿真结果达到预期目标。
【作者】尚世卓；
【导师】张远深；
【作者基本信息】兰州理工大学，动力工程，2014，硕士
【关键词】脉宽调制；高速开关阀；结构设计；流场；特性；仿真；

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