液压数字阀的研制与其向大流量的探索

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3.0 陈辉 2024-11-19 4 4 3.3MB 110 页 15积分
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摘要
流体控制系统数字技术的发展必是今后时代发展的需要及趋势，本文讨论了
液压电液数字阀的研制。从数字阀本身到整个系统从理论分析、数字模型、解析
仿真到实验研究、工程设计和技术开发，多方面相结合地进行了全面的研究，同
时从目前已开发出来的数字阀出发，探索如何进一步开发大流量的数字阀，为今
后该类系统的开发、研制提供理论及技术储备。
本文首先介绍了液压传动的四种控制方式，分别分析了其各自的控制原理及
性能特点，然后重点介绍了本文的研究重点—液压数字阀的控制原理及其发展概
况，最后从不同角度与其它三种控制方式对比，从中会很清楚的发现液压数字阀
的优势。
文章接着介绍了增量式数字阀。从数字阀的结构与步进电机控制两方面分别
阐述了增量式数字阀的研制过程，同时从阀的试验数据中，进一步深入的探讨阀
的性能。
接着,文章研究了高速开关数字阀。从阀的驱动电路、磁性材料、阀芯受力等
方面找出影响它特性的主要因素。制定出其元件的设计原则，同时对脉冲调制开
关式数字阀的开关特性、静特性、频率特性进行了深入的研究与性能测试。
作者希望通过该课题的研究，能够对液压控制技术的发展，对流体控制技术
与计算机控制技术更好的结合，起到一定的促进作用，同时也衷心希望我国的液
压控制技术取得飞速的发展。
关键词：高速开关阀 脉宽调制控制 大流量 数学模型 试验
ABSTRACT
The fluid power digital control system is the trend of hydraulic system in the future.
This dissertation deals with electro-hydraulic digital valve with its hydraulic control
system. The theoretical analysis, mathematical model, simulation, the valve design and
its development in digital valve are involved in this paper. Futhermore, some analysis
on the valves with larger flow from theoretical and technique also be made for the
demands of future study.
First all, the four basic hydraulic controlling systems are analysed to their
principles and performance respectively. Then, this dissertation emphases on its
controlling principle and developing trend which shows the role of hydraulic digital
valves. At the same time, the comparison with the other three systems, we can clearly
find out the advantage of hydraulic digital valve.
Then, this dissertation deals with the Increment Type Digital Hydraulic Valve. The
study is devoted to two aspects that are its structure of the valve and electric motor
control. At the same time, more investigation and study are on the characteristics of this
digital valve based on the experimental data.
Finally, this dissertation deals with the other kind of digital valve, Pulse Width
Modulated Digital Valve, which is used to the special solenoid, High-speed On-off
Solenoid. The key is to find out the proper magnet material and magnet circuit. And by
means of static and dynamic experiment the critical technical parameter we got leads us
to find out the way to improve the characteristics of such valve as well as the valve with
large flow rate as we suggest herewith.
Author hopes the thesis’s resrearch can do a little for the development of the hydraulic control
technique, and the combination of the hydraulic fluid technique and the computer control technique,
Author also hopes heartily the hydraulic control technique of the our country will develop quickly.
Key Word: High speed on/off valve, PWM control, large
flow,Mathematics pattern, Test
目录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .....................................................................................................................1
§1.1 液压阀控制理论基础 ........................................................................................ 1
§1.2 电液通断控制 .................................................................................................... 1
§1.3 电液伺服控制 .................................................................................................... 2
§1.4 电液比例控制 .................................................................................................... 3
§1.5 电液数字控制 .................................................................................................... 5
第二章 液压数字阀的发展概况 .....................................................................................7
§2.1 液压数字阀概述 ................................................................................................ 7
§2.1.1 增量式数字阀概述 ......................................................................................8
§2.1.2 高速开关数字阀概述 ................................................................................ 11
§2.2 液压数字阀的发展现状与趋势 ...................................................................... 14
§2.2.1 国外液压数字阀的发展现状 ....................................................................14
§2.2.2 国内液压数字阀的发展现状 ....................................................................16
§2.3 液压数字阀的发展趋势 .................................................................................. 17
§2.4 课题研究的来源及意义 ................................................................................ 18
§2.5 课题研究的主要内容 .................................................................................... 19
第三章 增量式数字阀的研制与分析 ...........................................................................20
§3.1 增量式数字阀性能指标设计原则 .................................................................. 20
§3.1.1 增量式数字阀电性能指标的设计原则 ....................................................20
§3.1.2 增量式数字阀机性能指标的设计原则 ....................................................24
§3.1.3 增量式数字阀液性能指标的设计原则 ....................................................27
§3.1.4 增量式数字阀的研制指标 ........................................................................27
§3.2 增量式数字阀的研制 ...................................................................................... 28
§3.2.1 增量式数字阀的液压阀设计 ....................................................................28
§3.2.2 增量式数字阀的机械结构设计 ................................................................36
§3.2.3 增量式数字阀的电控设计 ........................................................................41
§3.3 增量式数字阀的建模仿真与静态试验 .......................................................... 45
§3.3.1 增量式数字阀的建模仿真 ........................................................................45
§3.3.2 增量式数字阀的静态试验 ........................................................................48
§3.4 增量式数字阀大流量的探索 .......................................................................... 52
§3.4.1 增量式数字阀的设计小结 ........................................................................52
§3.4.2 增量式数字阀的大流量探索 ....................................................................53
第四章 高速开关数字阀的研制与分析 .......................................................................54
§4.1 本章前言 .......................................................................................................... 54
§4.2 高速开关数字阀的研制 .................................................................................. 54
§4.2.1 高速开关数字阀的液压阀设计 ................................................................54
§4.2.2 高速开关数字阀的电磁铁设计 ................................................................69
§4.2.3 高速开关数字阀的整体构造图 ................................................................83
§4.2.4 高速开关数字阀的控制器设计 ................................................................85
§4.3 高速开关数字阀的有限元分析与静态试验 .................................................. 88
§4.3.1 高速开关数字阀的有限元分析 ................................................................88
§4.3.2 高速开关数字阀的性能测试 ....................................................................93
§4.4 高速开关数字阀的大流量探索 ...................................................................... 99
§4.4.1 高速开关数字阀的设计小结 ....................................................................99
§4.4.2 高速开关数字阀的大流量探索 ..............................................................100
第五章 工作总结与展望 .............................................................................................102
§5.1 工作总结 ........................................................................................................ 102
§5.2 全文展望 ........................................................................................................ 102
参考文献 .......................................................................................................................104
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...........................................107
致谢 ...............................................................................................................................108
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 液压阀控制理论基础
液压阀是液压系统中的控制元件，其合理与否直接影响液压系统的性能指标。
流体力学是研究液压传动的基础，液压传动是在流体力学的理论基础上逐步发展
起来的。
16 世纪到 19 世纪初，由于资本主义的兴起和发展，特别是欧洲的产业革命，
使流体力学开始得到了迅速发展。这一时期，许多学者对流体力学的基础理论做
出了显著的贡献。帕斯卡（1623~1662）提出了静止液体中的压力传递规律—帕斯
卡原理，牛顿（1643~1727）建立了流体的内摩擦定律，欧拉（1707~1783）导出
了描述理想流体运动的微分方程。19 世纪初，纳维尔和斯托克推导了描述粘性流
体运动的微分方程。到十八世纪又相继建立了流体流动过程中的质量守恒定律—
连续性方程和流体流动过程中的能量转换基本关系—伯努利方程式，以及流体的
节流公式、动量方程式、动量矩方程式。从 19 世纪末到 20 世纪初，工业生产的
突飞猛进，大大加速了流体力学的发展，雷诺通过对流动状态的实验研究，归纳
了判别流动状态的准则—雷诺数同时还建立了相似理论，瑞莱夫提出了量纲分析，
另外，普朗特、尼古拉茨、儒可夫斯基等众多学者也为流体力学的不断完善做出
了卓越的贡献，这些流体力学理论的发展与建立为液压技术的发展奠定了理论基
础。
§1.2 电液通断控制
1795 年英国人约瑟夫·登记了第一台液压机的英国专利—世界上首台水压机
出现，标志着液压传动开始进入工程领域。19 世纪工业上所使用的液压传动装置
是以水作为工作介质，因其密封问题一直未能很好的解决，曾一度导致液压技术
停滞不前。直至 1905 年美国人詹涅首先将矿物油代替水作液压介质后才开始改观。
到战后的二十世纪 50 年代，随着世界各国经济的恢复和发展，液压控制技术很快
转入民用工业，在工业上才逐步得到发展和应用。
随着工艺水平和电磁技术的发展提高，出现了多种操纵控制方式的液压阀，
有手动式、电磁式、机动式、液动式、电液动式，而电磁式液压阀（图 1.1）的出
现标志着液压技术与电气开关控制相结合进入了电液断通控制的时代，从而使得
电液控制技术得到了更快的发展和更广的应用。
液压数字阀的研制与其向大流量的探索
2
图1.1 Rexroth 电液通断控制阀
§1.3 电液伺服控制
以反馈控制理论为基础的电液伺服控制是较早主要在军事工程领域发展起来
的电液控制技术。第二次世界大战后期，由于喷气式飞机速度很高，因此对控制
系统的快速性、动态精度和功率—重量比都提出了更高的要求。随着控制理论的
出现和控制系统的发展，液压技术与电子技术的结合日臻完善。1940 年底，在飞
机上首先出现了电液伺服系统，从而产生了广泛用于武器装备的高质量电液控制
系统，并在战后逐步用于民用和工业设备。
图1.2 Moog D6631 系列二级伺服射流管先导级伺服比例阀
电液伺服阀（图 1.2）是一种自动控制阀，它既是电液转换元件，又是功率放
大元件，其作用是将小功率的电信号输入转换为大功率液压能（压力和流量）输
出，从而实现对液压系统执行器位移（或转速）、速度（或角速度）、加速度（或
角加速度）和力（或转矩）的控制。
电液伺服阀的基本结构是由电气—机械转换器、液压放大器（先导级阀和功
摘要：

摘要流体控制系统数字技术的发展必是今后时代发展的需要及趋势，本文讨论了液压电液数字阀的研制。从数字阀本身到整个系统从理论分析、数字模型、解析仿真到实验研究、工程设计和技术开发，多方面相结合地进行了全面的研究，同时从目前已开发出来的数字阀出发，探索如何进一步开发大流量的数字阀，为今后该类系统的开发、研制提供理论及技术储备。本文首先介绍了液压传动的四种控制方式，分别分析了其各自的控制原理及性能特点，然后重点介绍了本文的研究重点—液压数字阀的控制原理及其发展概况，最后从不同角度与其它三种控制方式对比，从中会很清楚的发现液压数字阀的优势。文章接着介绍了增量式数字阀。从数字阀的结构与步进电机控制两方面分...

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