基于PZT驱动气动伺服阀研究

作     者：何再龙 hezailong

作者单位：兰州理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张远深

授予年度：2009年

学科分类：080704[工学-流体机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：压电驱动 气动伺服阀 杠杆放大 调整装置 性能仿真 

摘      要：传统流体控制阀大量使用电磁铁作为电一机械转换级,将控制信号转换为机械的位移,推动阀芯,实现通路的开关、切换或输出压力、流量的控制。电磁阀有价格低廉,操作使用方便等优点,但其存在体积大、功耗大、响应速度慢、发热和受电磁干扰等缺点,在严格要求输出小流量的场合;需要快速响应的场合;对功耗、体积、抗干扰能力、安全性和可靠性有严格要求的场合应用受到了限制。 针对电磁铁作为阀驱动器的不足,本论文以新型的阀芯驱动装置—积层式压电驱动器驱动杠杆式柔性铰链作为研究对象。积层式压电驱动器有不需传动机构、位移控制精确、响应速度快、无机械吻合间隙、有较大的力输出和器件几乎无功耗的优点。提出利用积层式压电驱动器为动力源,运用杠杆放大原理对积层式压电驱动器的位移进行放大,由此构造出压电型气动伺服阀,并从理论与仿真两方面进行深入研究。 论文主要内容如下: 第一章,概括本论文研究背景;分析了传统阀的应用限制;综述了新型智能材料及其驱动器在阀控制中的优点及运用;概述了压电阀的研究现状及发展方向;概述了本论文主要研究内容。 第二章,介绍压电材料的基本物理性质及其中重要的性能参数。对压电材料电机转换机理进行了论述,阐明了压电驱动的基础理论问题,为下一步积层式压电驱动器的建模分析提供理论上的指导。 第三章,通过理论分析,得出积层式压电驱动器的传递函数模型;建立了积层式压电驱动器多层压电结构的有限元模型,得到静、动态工作的分析结果;理论分析的结果表明,积层式压电驱动器具有较大的输出位移与输出力以及具有良好的动态响应特性。 第四章,在总结现有的柔性铰链及微位移放大机构的基础上,提出了单轴柔性铰链的设计方法,对杠杆式微位移放大原理进行了深入的研究分析。利用有限元方法分析了微位移放大机构的放大倍数、输入刚度及输出刚度,分析了典型结构参数对放大机构性能的影响,并与理论结果进行了对比分析,得到了微位移放大机构的结构参数与性能的影响关系。 第五章,利用杠杆式微位移放大机构设计了阀芯运动机构,建立了阀芯运动的系统模型,研究分析了静、动态性能,找出影响性能的主要因素及影响规律,得到了阀芯位移与一阶固有频率。有限元分析结果表明,由PSt150/7/80型积层式压电驱动器结合弹性回复板驱动的杠杆式阀芯运动机构的阀芯位移达到202μm。 第六章,采用PSt150/7/80型积层式压电驱动器配合杠杆式位移放大机构形成一种杠杆放大直动式压电伺服阀。该阀采用阀芯内置的结构方式,利用单叠堆实现阀芯的双向运动;采用钢球连接减小了阀芯所受的径向力;采用楔块式调中机构实现了阀芯位移的精细调整,改善了阀芯的对中精度;采用螺旋副预紧力调整装置,可以对阀芯运动机构施加可调的预紧力。用AMEsim软件对杠杆放大直动式压电伺服阀模型仿真,仿真结果表明,该阀阀芯位移达到202μm,在7bar压力下的最大质量流量为6.07g/s,系统的响应时间为8ms。 针对新型压电气动阀的设计创新性地提出一种新的驱动装置,并在该驱动装置中分析采用最简单的放大机构,运用AMESim软件中的HCD模块搭建压电气动伺服阀的仿真模型并对该气动阀的基本静、动态性能仿真。 在以后的研究中可做进一步的工作:对压电直动式气动伺服阀进行精确的流体学、动力学以及热力学建模,并采用合适的控制方法,以提高其工作的稳定性和可靠性;选择或设计性能更好的压电驱动器,减小压电驱动器的的等效电容来可以进一步提高压电气动伺服阀的响应速度;增大压电驱动器的输出位移和驱动力使得压电气阀获得更大的输出流量。