新型旋转式液压高速开关阀内部流场特性和数字仿真研究

【摘要】高速开关阀的发展始于20世纪80年代,可以实现高精度液压控制,并具有体积小、结构简单、控制灵活、可靠性高、抗污染能力强和价格廉价等优点。在液压控制系统中,高速开关阀起到非常重要的作用,其性能直接影响到整个系统的性能。目前,国内外很多高校和研究机构都对高速开关阀进行了深入研究,也取得了一定的成果。但是,液压高速开关阀普遍还存在大流量和高频响之间的矛盾,从而无法满足大功率和高精度液压系统的要求。本文提出的一种旋转式液压高速开关阀,其结构主要由阀芯和阀套两部分组成。阀芯主要由PWM段和两端的出口端组成,PWM段主要由6段交替连接的螺旋叶片和6个出油孔组成,两端的出口端主要分别由三个涡轮叶片组成；阀套主要由进出油孔、中间环形油道和三个菱形喷嘴组成。开关阀的开关动作无需外加动力,主要利用开关阀内高速流体对阀芯上的螺旋叶片和涡轮叶片冲击,从而产生了阀芯所需的旋转动力,阀芯旋转时,液压油可以选择性地流回油箱或流向负载,由此便产生了开关动作,并且开关阀的开关频率(即PWM频率)由阀芯的旋转频率决定,开关阀的开关动作不需要阀芯的加减速换向等操作,所以大大减少开关阀开关动作的驱动能量。通过改变阀芯和阀套的轴向相对位置,即可调节开关阀的PWM占空比,并PWM占空比从0到100%连续可调。阀芯的轴向位移控制系统主要由摆线计量泵、H桥控制电路和单片机组成,通过摆线计量泵将阀芯一端的液压油抽向另一端,来改变阀芯的轴向位移,从而对PWM占空比进行控制。通过分析液压高速开关阀的运行原理后,需要对开关阀进行结构化建模,本次建模采用的三维软件是Pro/Engineerwildfire5.0。为了对开关阀内流场进行分析,需要获取开关阀内的流体,通过PRO/E软件的原件切除命令即可获得开关阀内的流体。为了分析开关阀内的流场,本文采用的CFD软件为FLUENT对阀内流场进行仿真,通过对仿真结果进行分析,进而对开关阀的结构(如：喷嘴大小、涡轮叶片的形状和出口端出口面积的大小)进行改进,从而得到较为优化的开关阀结构,使得开关阀具有较高的频率响应(86.7HZ)。同时,还搭建了基于开关阀的阀控液压系统,结合系统工程高级建模与仿真软件AMEsim对阀控液压系统进行自动建模,并对开关阀的动态性能进行仿真分析,主要是通过调节占空比对负载位移进行控制,根据仿真结果表明,该开关阀性能较好,动态位移误差较小,稳态位移误差也达到了预定的设计目标,同时为开关阀的今后研究打下基础。
【作者】吴书全；
【导师】陈健；
【作者基本信息】广东工业大学，仪器仪表工程（专业学位），2014，硕士
【关键词】高速开关阀；液压控制系统；流场分析；系统仿真；

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