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基于GMA直动式电液伺服阀及其放大机构的研究

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基于GMA直动式电液伺服阀及其放大机构的研究

作者：邱大龙安徽理工大学

学位级别：硕士

传统的电-机转换器固有频率和频宽限制着传统的电液伺服阀的发展,随着流体传动与伺服控制系统的广泛应用对电液伺服阀提出了更高的要求,如更高控制精度、更快响应速度和更大控制流量等,纵观目前研究现状,GMM具有的诸多优越性能得到越来... 详细信息

传统的电-机转换器固有频率和频宽限制着传统的电液伺服阀的发展,随着流体传动与伺服控制系统的广泛应用对电液伺服阀提出了更高的要求,如更高控制精度、更快响应速度和更大控制流量等,纵观目前研究现状,GMM具有的诸多优越性能得到越来越多的认可,目前国内在GMM的应用基础研究上还很薄弱,对其在电液伺服阀上的应用研究更加薄弱,因此,开展本课题研究将超磁致伸缩材料应用于流体元件,为提高伺服阀的响应速度和控制精度、解决伺服阀的驱动与控制,深入GMM在流体元件中的应用;在GMA与伺服阀滑阀中通过加入有效放大机构,使阀芯输入位移增大,阀体最小流通尺寸增大,提高了伺服阀的抗污染能力、增大了伺服阀的输出流量。本文基于GMM的众多优点,设计了一种伺服阀用转换器GMA,对其进行了静动态理论分析,并建立数学模型和仿真模型,仿真结果显示GMA阶跃上升时间Tr为0.31ms,稳态输出力F可达1138.9N,输出位移为91.9μn,结果显示GMA具有响应速度快、输出力大、输出位移大等优点。同时基于该GMA,选择液压式微位移放大结构,设计了基于GMA直动式大流量电液伺服阀的具体结构,并采用理论分析、静动态仿真分析相结合的方法,对其总体结构以及各项参数进行了深入的分析和研究。研究结果表明：GMA直动式电液伺服阀在10MPa供油压力下,输出流量为50.19L/min,阶跃响应上升时间为0.7ms,频宽为739Hz,相位裕度为70°,幅值裕量为26dB;合理选择供油压力、节流边圆角、径向间隙、等效质量、等效阻尼系数等可提高基于GMA电液伺服阀的特性。可见,基于GMA直动式电液伺服阀具有频宽高、响应速度快、稳定性好等特点,采用液压式微位移放大结构大大提升了伺服阀输出流量,能够满足军事工业、航空航天、工程机械等领域提出的高频响、大流量、抗污染能力强等要求。

关键词：超磁致伸缩材料放大机构直动式电液伺服阀静态特性动态特性

基于新型阀芯的先导式水压溢流阀结构与仿真研究

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基于新型阀芯的先导式水压溢流阀结构与仿真研究

作者：潘广香安徽理工大学

学位级别：硕士

水压阀作为水压传动技术的核心元件之一,其性能好坏对整个液压系统至关重要。鉴于水介质特殊的理化性质,水压阀存在气蚀、密封和润滑等严重影响工作性能及使用寿命的问题,而作为液压系统中主要元件之一的水压溢流阀显得更为突出。那么... 详细信息

水压阀作为水压传动技术的核心元件之一,其性能好坏对整个液压系统至关重要。鉴于水介质特殊的理化性质,水压阀存在气蚀、密封和润滑等严重影响工作性能及使用寿命的问题,而作为液压系统中主要元件之一的水压溢流阀显得更为突出。那么在充分考虑水介质理化特性的基础上,从结构、材料等方面着手,研发一种压力高、性能好及使用寿命长的水压溢流阀是十分必要的。在详细介绍水压溢流阀工作原理、存在的关键技术问题以及相应解决措施的基础上,提出一种能有效抑制气蚀、振动和噪声的新型阀芯先导式水压溢流阀。基于AMEsim建立新型阀芯先导式水压溢流阀动态仿真模型并进行仿真分析,仿真结果表明新型阀芯的先导式水压溢流阀具有响应快、响应平稳等优点,其主要结构尺寸诸如阀芯质量、阻尼孔直径以及各液腔体积等对其动态特性影响较大,在结构设计时要慎重考虑。水压锥阀作为新型阀芯先导式水压溢流阀的主要结构,其阀腔内的流场分布及气蚀发生机理是主要考察对象。基于计算流体动力学方法,建立水压锥阀流场仿真模型,得到阀腔内压力、速度以及湍动能等分布图,研究气蚀发生的根本原因,并进行结构优化研发一种能有效抑制气蚀、噪声和振动的水压锥阀。摩擦、润滑一直是水压溢流阀的关键技术问题之一,表面微造型是解决表面摩擦、润滑及密封等问题的有力措施。基于微造型设计理论,提出一种带有微造型的水压溢流阀,采用CFD流场仿真技术验证其可行性。仿真结果表明,适当的微造型可以改善水压溢流阀阀腔内的润滑状态,单一微造型的形貌、几何尺寸以及分布密度是影响微造型润滑性能的关键因素。总之,基于新型阀芯的先导式水压溢流阀具有响应快、稳定性好等优点,可有效抑制气蚀、振动和噪声等问题,改善阀腔内的润滑状态。研究结果对水压溢流阀的结构设计及性能分析有重要的参考意义和使用价值。

关键词：先导式水压溢流阀动态特性气蚀流场仿真微造型

水液压支架安全阀的CFD分析及其动态特性优化

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水液压支架安全阀的CFD分析及其动态特性优化

作者：陈明亮安徽理工大学

学位级别：硕士

安全阀水压化是煤矿液压支架水压化的关键,是推进煤矿绿色开采的前提之一。但水介质汽化压力高的理化特性,使得液压元件节流口处容易发生气蚀破坏,特别是在煤矿设备高压大流量的工况下,气蚀更为明显,这严重制约着水液压技术在煤矿设备... 详细信息

安全阀水压化是煤矿液压支架水压化的关键,是推进煤矿绿色开采的前提之一。但水介质汽化压力高的理化特性,使得液压元件节流口处容易发生气蚀破坏,特别是在煤矿设备高压大流量的工况下,气蚀更为明显,这严重制约着水液压技术在煤矿设备中的发展。而节流口处压降过大,则会引起压力波动,导致振动产生噪音,影响的动态性能。论文以水液压支架安全阀为研究对象,并以水作为工作介质,为解决其存在的气蚀问题,从结构优化入手,研究不同结构参数对阀腔气蚀分布的影响。同时基于气蚀研究结果,分析不同参数对阀动态性能的影响。主要研究内容有:(1)根据传统液压支架安全阀的结构特性,计算关键几何尺寸,构建阀腔多相流模型,应用Fluent进行网格独立性验证,当网格数量达到17万后,计算结果基本不变;分析阀腔压力、速度、气相、湍动能的分布情况。从分压角度考虑,设计双排阀口结构,在相同条件下仿真,并与传统安全阀作比较,发现阀腔负压区域减小,最大气相体积分数降低,后续研究基于双排阀口结构更为合理。(2)基于气蚀发生机理,研究阀口个数、孔间距以及孔径对阀腔压力与气相分布的影响。随着阀口个数以及孔径的增加,阀腔最大气相体积分数降低,压力分布更加均匀;当孔间距增加时,阀腔最大气相体积分数呈先减少后增加的变化规律。优化参数后,最大气相体积分数较传统安全阀降低了 19.4%。同时研究了不同开口度下双排阀口启动次序对气蚀的影响。双排阀口同步启动时,阀芯在移动过程中产生气蚀的范围最大、时间最长;阀口 1先开时,发生气蚀范围减小;阀口2先开时,阀腔气蚀范围进一步减小,抗气蚀性能最好。(3)基于所研究安全阀双排阀口和并联式双弹簧的结构特性,对作用面积与弹簧刚度做等效处理,应用AMESim对所研究安全阀进行动态分析,研究阀芯及其附件的等效质量、弹簧等效刚度、阀口个数、阀口直径、阀口重叠量对阀口压力和阀芯位移的影响。增大弹簧等效刚度,减小等效质量和阀口重叠量,可降低阀口压力,提高阀的稳定性。增大阀口个数和阀口直径可提高阀的稳定性,当阀口个数为16,阀口直径为1.4mm时,阀动态性能与阀的抗气蚀性能都达到最优。同时研究各参数间交互作用的影响,并取得最优参数组合。图[56]表[8]参[101]

关键词：水液压安全阀气蚀特性动态特性参数优化

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基于逆磁致伸缩效应的压力传感器设计与研究

基于逆磁致伸缩效应的压力传感器设计与研究

作者：崔路飞安徽理工大学

学位级别：硕士

超磁致伸缩材料—Giant Magnetostrictive Material（简写为GMM）凭借诸多效应而应用于高尖科技领域,而传感器领域作为现代的前沿科学领域,无论在自动控制方面还是在自动检测中都起着举足轻重的作用,把超磁致伸缩材料与传感器技术相结... 详细信息

超磁致伸缩材料—Giant Magnetostrictive Material（简写为GMM）凭借诸多效应而应用于高尖科技领域,而传感器领域作为现代的前沿科学领域,无论在自动控制方面还是在自动检测中都起着举足轻重的作用,把超磁致伸缩材料与传感器技术相结合一直是国内外研究的课题。维拉里效应是GMM的一个重要特性,应用其特性可以设计成逆磁致伸缩压力传感器,逆磁致伸缩压力传感器和传统的压力传感器相比较,具有过载能力强、抗干扰能力好、适用于比较复杂的环境等优点。因此,本文基于GMM逆效应机理,并结合GMM压力传感器存在漏磁问题,设计出一种闭合磁路装置,在此结构基础上提出了逆磁致伸缩压力传感器的设计方案,论文主要工作内容如下:（1）基于GMM逆效应机理和现有超磁压力传感器不足,设计出一种闭合磁路装置,在此基础上提出了逆磁致伸缩压力传感器的构思方案。通过对维拉里效应的介绍,引入了偏置磁场,在此基础上对偏置线圈参数进行理论计算,并验证出第四章仿真的最佳偏置电流I=2.4A是比较合理的。而且设计了相关的结构,具体包括GMM棒、闭合磁路装置、测量装置等结构,并介绍了它们的功能和用途同时选取了合适的材料。（2）逆磁致伸缩压力传感器的磁路分析与结构优化。首先,对闭合磁路结构进行有限元仿真研究,得出其结构的合理性。然后,对闭合磁路结构中的导磁体长度、圆通磁轭厚度与偏置线圈的长度进行单一优化,在优化的过程中,引入了磁通密度不均匀度η作为衡量标准。最后,通过正交试验对其进行筛选,得出偏置线圈长度对磁通密度不均匀度η影响最大,而圆通磁轭的厚度对试验结果η影响最小,并根据试验结果得出最佳组合方案。（3）逆磁致伸缩压力传感器的理论模型与仿真研究。首先,基于逆磁致伸缩压力传感器的特性建立了传感器理论模型;然后,利用COMSOLMultiphysics软件对预压力、偏置电流进行仿真研究,分别得到不同偏置电流在恒定压力下的GMM棒内部的磁化强度分布云图、不同压力在恒定偏置电流下GMM棒内部的磁化强度分布云图、最佳预压力与最佳偏置电流;在此基础上,对仿真出的数据进行统一化处理,对处理后的数据进行拟合,最后对传感器的灵敏度等静态特性进行研究。图[38]表[12]参[76]

关键词：维拉里效应压力传感器闭合磁路装置偏置电流静态特性

织构化往复摩擦副的水润滑特性与减磨机理研究

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织构化往复摩擦副的水润滑特性与减磨机理研究

作者：陈国瑜安徽理工大学

学位级别：硕士

机械表面发生相对运动会产生磨损导致机械设备运行的故障,而以水作为介质难以形成润滑油膜,无法起到良好的效果。论文围绕水润滑状态下往复摩擦副表面织构化处理的减磨效果展开研究,针对不同织构形貌、尺寸参数以及其阵列排布在不同摩... 详细信息

机械表面发生相对运动会产生磨损导致机械设备运行的故障,而以水作为介质难以形成润滑油膜,无法起到良好的效果。论文围绕水润滑状态下往复摩擦副表面织构化处理的减磨效果展开研究,针对不同织构形貌、尺寸参数以及其阵列排布在不同摩擦工况下的减磨效果进行分析,旨在解决往复运动副摩擦磨损的问题,改善机械零件的使用寿命。论文研究的主要内容为:(1)运用经典Reynolds方程和N-S方程对往复摩擦副中织构单元的动压润滑数学模型进行了搭建,对织构动压润滑的形成机理进行了探究并借助matlab软件对球冠、半椭球及圆锥织构基于Reynolds方程的动压润滑效应进行了验证,分析了空化机理及空化边界条件,讨论了润滑方程在织构动压润滑研究中的有效性问题,建立了 N-S方程,对各变量进行了无量纲化处理,并对织构化摩擦副的润滑模型进行了求解。(2)针对凹坑半径及深度相同的球冠、半椭球及圆锥织构产生的油膜承载力有较为明显的差别现象进行了探究,分析了不同形貌织构凹坑产生的压力分布规律,研究了织构凹坑体积率和织构形貌的改变对织构化摩擦副减磨性能的影响,得出球冠形织构在相同参数下可产生较高的表面承载力,且织构半径相同时体积率处于7%到9%时织构具有较好的减磨性能;织构最大深度与摩擦副间隙比值小于1时体积率较小的织构可产生较高的承载力,织构最大深度与摩擦副间隙比值大于1时体积率较大的织构则产生较高的承载力。(3)针对织构阵列的排布方式对润滑减磨性能的影响进行了研究,以球冠状织构为研究对象,分析了不同错位角的均布织构对压力分布及承载力大小的影响,研究了单一织构阵列产生的表面承载力随工况改变的变化情况,同时研究了变排布织构阵列对表面承载力大小的影响,得出方形排布织构产生的表面承载力最大,两端大直径织构和深织构占比越大,则承载力也越大,织构阵列的参数变化不可过多,以两种不同尺寸的织构凹坑组成的阵列产生承载力的效果最好。(4)开展了织构化往复摩擦副摩擦磨损探究性试验,介绍了织构化往复摩擦副试件的加工方法及试验装置,设定了试验方案并进行了摩擦学试验,分析了表面织构化处理在实际工况中的减磨效应,验证了织构化处理摩擦副表面在实际运用过程中可以产生减磨效果,且随着电机转速的增大织构表面摩擦系数呈现先减小后增大的趋势,而工作载荷的增加则会使得试件表面摩擦系数呈减小趋势,通过数值比较可得织构直径为1000μm,深度为100μm时减磨率为25.34%,具有最好的减磨效果。图[71]表[7]参[79]

关键词：水润滑往复摩擦副织构阵列变织构摩擦磨损

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土压平衡顶管机液压驱动系统研究

土压平衡顶管机液压驱动系统研究

作者：谢赛南安徽理工大学

学位级别：硕士

土压平衡顶管机是一种集多项技术于一体的地下管道铺设设备,具有使用土质范围广、性能稳定、环境污染小和地面变形小等优异性能。近年来,伴随着我国城市化进程的加快,土压平衡顶管机的使用范围日益广泛,研究其驱动系统的相关设计理论与... 详细信息

土压平衡顶管机是一种集多项技术于一体的地下管道铺设设备,具有使用土质范围广、性能稳定、环境污染小和地面变形小等优异性能。近年来,伴随着我国城市化进程的加快,土压平衡顶管机的使用范围日益广泛,研究其驱动系统的相关设计理论与设计方法,可为顶管机设备的设计制造提供一定的理论参考。本文首先分析了国内外顶管机行业的发展历史与研究现状,重点分析了土压平衡顶管机的驱动方式和驱动系统的发展方向,提出液压驱动方式具有安装尺寸小、成本低以及适应剧变工况等优点更适合作为土压平衡顶管机的驱动方式,并以工称直径(?)2200mm土压平衡顶管机为例,采用理论分析、参数计算和模拟仿真等方法,设计出其液压驱动系统并进行性能仿真。论文所设计的土压平衡顶管机液压驱动系统分为刀盘驱动系统、纠偏驱动系统和输土驱动系统,其中刀盘驱动系统采用变量泵—变量马达闭式容积控制回路、油缸“#”字型布置的纠偏驱动系统、输土系统采用变量泵—定量马达开式容积控制回路,利用蓄能器实现出土闸口的紧急关闭。基于上述基础,完成了各系统参数匹配计算与关键液压元件选型,建立了AMESim仿真模型并进行仿真分析。仿真结果表明：刀盘驱动系统调速平稳,在剧变载荷条件下0.5s内刀盘能够稳定至额定转速工作;纠偏系统能在负载刚度1e-7N/m及以下的土层中正常工作;输土系统在负载波动条件下,能稳定工作,蓄能器在紧急情况下能快速关闭出土闸口。论文设计的液压驱动系统能够满足实际工程需要,为土压平衡顶管机液压驱动系统进一步优化设计提供一定参考。

关键词：土压平衡顶管机液压驱动系统 AMESim仿真

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超磁致伸缩驱动器的结构优化与磁滞建模分析

超磁致伸缩驱动器的结构优化与磁滞建模分析

作者：鲍焱安徽理工大学

学位级别：硕士

超磁致伸缩驱动器(Giant magnetostrictive actuator,简称GMA)具有响应速度快、应变量大、输出力大等优点,能够实现电磁能和机械能或电磁信息和机械位移信息之间相互转换,是微位移驱动器、液压元件和振动控制的重要驱动元件。但超磁致... 详细信息

超磁致伸缩驱动器(Giant magnetostrictive actuator,简称GMA)具有响应速度快、应变量大、输出力大等优点,能够实现电磁能和机械能或电磁信息和机械位移信息之间相互转换,是微位移驱动器、液压元件和振动控制的重要驱动元件。但超磁致伸缩驱动器具有磁滞非线性特性,限制了超磁致伸缩驱动器的应用范围。因此,对超磁致伸缩驱动器进行结构优化及其磁滞非线性的建模分析,无论在理论和实际工程应用方面都具有重要意义。本文以超磁致伸缩驱动器为研究对象,对预压应力装置、温度补偿系统、磁场结构进行优化设计并仿真分析。采用ANSYS有限元软件对预压力装置进行静力学及模态分析,找出了驱动器的工作频率区间;分析了温度补偿系统的散热性能,表明所设计的温度补偿系统具有良好的降温效果;建立了磁场结构的磁路模型,并采用有限元法对其进行仿真分析,表明了建立的磁路模型是准确的;建立了超磁致伸缩驱动器的磁滞模型,并基于Jiles-Atherton模型建立了GMA的输出力等效模型。研究结果表明:设计的新型的预压应力装置承受最大应力达955MPa,其一阶谐振频率为269.46Hz,其值小于GMA的工作频率,对GMA产生影响较小;无温度补偿装置时,GMM棒上的最高温度为65.369℃,当采用温度补偿系统时温度保持为23.753℃,表明设计的温度补偿系统具有良好的降温性能;当仅有驱动线圈时,GMA内部的磁通密度分布不均匀,最大磁通密度为4.7×10-4T,当在GMM棒两端加入导磁块时,GMA内部的磁场分布明显均匀,最大磁通密度为6.11 ×10-4T,当加入外套筒形成闭合磁路时,GMA内部的最大磁通密度增大到6.77×104T,表明所设计的磁场结构导磁性能好;基于Jiles-Atherton模型,建立了等效力学模型,并得出了在激励磁场的作用下,GMA的输出位移随时间的变化曲线,有效模拟出了 GMA的磁滞非线性特性;分析了不同偏置磁场强度、饱和磁化强度以及外部等效质量、刚度、阻尼因素对GMA输出性能的影响,得出了当偏置磁场增大时,GMA的响应幅值减小,当饱和磁化强度、外部等效质量、刚度、阻尼增大时,GMA的滞回环面积减小。

关键词：超磁致伸缩材料磁场结构预压应力装置温度补偿系统磁滞非线性

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智能锻造生产线辅助机器人的结构设计与优化

智能锻造生产线辅助机器人的结构设计与优化

作者：薛忠健安徽理工大学

学位级别：硕士

传统锻造生产线存在劳动强度大、噪音污染严重、环境温度高、易发生烫伤危险等诸多问题,且人工操作锻件废品率高、生产效率低,导致行业竞争力差。智能锻造以锻造辅助机器人为核心,可代替人工实现锻造过程中的连续上料、夹持、翻转、下... 详细信息

传统锻造生产线存在劳动强度大、噪音污染严重、环境温度高、易发生烫伤危险等诸多问题,且人工操作锻件废品率高、生产效率低,导致行业竞争力差。智能锻造以锻造辅助机器人为核心,可代替人工实现锻造过程中的连续上料、夹持、翻转、下料等高强度、高风险的重复性劳动。为此,论文设计了一种新型六自由度锻造辅助机器人,并针对当前锻造机器人在构型设计、轻量化分析以及振动特性方面存在的难点问题,开展了相关理论分析和工业性试验,研究成果可为锻造辅助机器人的设计和应用提供重要参考。论文的主要研究工作如下:1.考虑多项技术参数和设计目标,完成了锻造机器人的结构设计。分析了智能锻造生产线的工作流程,明确了机器人需要完成的技术动作,在此基础上通过比较直角坐标型、球坐标型、SCARA型、圆柱坐标型和关节型五种机器人类型的优缺点,确定了关节机器人作为本设计的基本构型。明确了机器人的工作空间、工作载荷、运动方式和动作姿态,并根据各关节和机械臂的运动行程、最大速度和最大载荷等技术要求,确定了机器人的结构尺寸。此外,根据机器人夹持工况需求,设计了末端锻件夹持器结构,并运用Solidworks建立了机器人三维结构模型。2.基于改进D-H参数法的理论推导和MATLAB仿真分析,研究了机器人任意姿态下的运动学规律。分析了 D-H参数法和改进D-H参数法的有效性,运用改进D-H参数法为机器人关节链中每一杆建立坐标系矩阵,并基于改进D-H法推导了任意姿态下的正逆运动学方程。运用Matlab中的Robotics Toolbox对机器人正运动学方程下的姿态进行仿真模拟,得到了机器人末端运行的轨迹曲线以及各个关节角度、速度及加速度变化曲线,曲线光滑连续,无跳点,无超调,满足关节空间轨迹规划原则。3.进行了关键零部件的有限元分析,并提出了末端夹持器的轻量化设计方法。运用ANSYS WorkBench软件对机器人的小臂、夹爪、连接件和末端夹持器等进行有限元分析,模拟了各零部件在实际应用中的载荷分布和约束条件,得到了各零部件的应力、应变和变形位移,校核了各零部件的结构强度。同时,在符合强度和刚度要求的前提条件下,基于材料去除和多孔结构法,开展了连接件、夹爪和末端夹持器整体结构的轻量化设计和改进研究,优化后各部件的结构应力和重量均有大幅降低,从而改善了执行末端的整体性能。4.考虑激励振动源对机器人动力学性能的影响,对机器人进行了模态分析与结构优化。运用ANSYS WorkBench软件对机器人整机进行了模态分析,考虑机器人不同姿态下动力学性能的差异性,得到了机器人普通姿态和恶劣工作姿态下的前六阶固有频率,发现低阶频率易与外部激励振动源发生共振现象,进而采用增大基座接触面积和重量的方法对其结构进一步优化,优化后的各阶次固有频率均得到不同程度提高,并有效避开了共振频率区间,使得抗振性能和整体刚度得到较大提升。5.开展了智能锻造生产线的工业性试验,对其工业性试验情况及经济性进行了分析。通过将机器人锻造与传统人工锻造在相同月份下的生产情况进行比对,统计了两种锻造方式下的产量和合格率数据,分析了工业性试验情况下的经济性。统计结果表明,机器人辅助锻造的工作效率和锻件的合格率均得到明显的提高,说明所设计的辅助锻造机器人很好的满足了智能锻造生产线的使用要求。图[51]表[14]参[70]

关键词：智能锻造关节机器人有限元分析轻量化模态分析