PMNT大流量高速开关阀工程结构及性能研究

1 绪论1.1 引言随着计算机控制技术的飞速发展，液压领域也进入自动化控制时代。高速开关阀无需借助 D/A 转换结构便可与计算机直接相连，通过计算机控制脉冲信号的输入来控制高速开关阀的启闭，结构简易，控制容易，启闭频率高，与传统的开关阀相比，换向频率大大提高。电液伺服阀虽然控制精度高，响应频率快，但其制造成本高，结构复杂，污染敏感度强[1]，高速开关阀恰好克服了这些方面的缺点，具有抗污染能力强，结构简易，制造成本低等优点[2]。高速开关阀的研究在近二十年的液压研究领域中得到了高度重视，并在一些发达国家得到优先研制，成为液压领域中十分重要的研究课题。为追求高速开关阀的高频率和大流量，研究者们采用了各种办法，现今高速开关阀的优化研究主要从以下 3 个方面进行：一、电机转换器，电磁铁芯结构的设计与优化；二、阀芯及阀体结构的研究；三、新型电机转换器的研究。........1.2 高速开关阀的应用与研究现状1.2.1 高速开关阀的应用基于高速开关阀所具有的优良特性，无论是发达国家还是发展中国家都在进行大力的研究与开发，在至今 20 年的液压领域中高速开关阀逐渐得到了广泛的应用。像欧洲一些发达国家便将高速开关阀应用于汽车的液压悬架系统中，美国公司的内燃机全电子燃油喷射系统也成功的应用了高速开关阀作为电控喷油器的关键部件，在车轮防抱控制系统、离合操纵系统等实际工程领域中高速开关阀都有使用[3]。随着研究技术逐渐成熟稳重，高速开关阀在工程领域中的应用也将越来越广。1.2.2 国内外研究现状高速开关阀结构简易，工作效率高，可直接由计算机进行控制，能很好的代替人工进行数据的检测和精确的控制，在近 20 年里，高速开关阀的研究在液压领域中得到了高度重视，许多发达国家（德国、法国、美国、英国、加拿大、日本等）都相继做了大力的研发，得到了优先发展，如起步比较早的英国就研究出了两种不同铁芯绕法的电磁铁高速开关阀Helenoid 阀和Colenoid 阀，这两种铁芯结构可以增大电磁力的大小从而提高阀芯的运动速度，日本杰克赛尔公司研发的一种盘状结构的高速开关阀Disole 电磁铁阀[4-5]，elsey-Hayes 公司研发的导磁套一体式高速开关阀以及目前新型材料驱动器的超磁致伸缩高速开关阀、压电高速开关阀等，不过新型材料的高速开关阀应用还不广泛，还需要进一步的研究。相比之下，国内的研究水平较国外要落后许多，主要是跟随和模仿国外的研究，大多是从电磁铁高速开关阀的电磁铁驱动装置上进行结构上的改进和优化，而对于高速开关阀前沿性的研究几乎没有，不过就近几年来看，我国相关领域内的厂家联合各大高校进行了高速开关阀的突破研究，也做出了不少优秀的成果，如欧阳小平等人研究的新型压电高速开关阀，响应频率为200Hz、工作压力 20MPa、流量为 10 L/min，石延平，刘成文设计了一种大流量高速开关阀，切换用时 8~10ms，出口流量最高可达 120L/min，张小军，凌宁等研究的新型大流量高速开关阀，控制脉冲频率 100Hz、出口压力 20MPa，出口流量可达到 78L/min 等[6-7]，可以看出我国对高速开关阀的研究有了很大的发展，不过更高工作频率和更大出口流量的高速开关阀还有待进一步的开发。..........2 数字液压阀控制技术的发展2.1 间接控制式数字阀间接控制技术是液压控制阀中最早采用的控制技术，其原理主要是借助D/A 转换器将计算机的信号转变为模拟信号输入到液压伺服阀中，以此控制其阀芯的位移，通过传感器将阀芯的速度、压力、加速度等信号传递给 A/D反馈器，将模拟信号重新转变为计算机数字信号[17]，计算机通过对比反馈信号与自身输出的控制信号，得到一个偏差值，然后将该偏差信号输入到下一个控制循环中。.......2.2 直接控制式数字阀直接控制式数字阀与间接控制式数字阀相比，控制方便，结构简易，工作效率高。省去了中间 D/A 结构与 A/D 结构中将模拟信号转化成数值信号的步骤。直接控制式数字阀可直接由计算机进行控制，能直接识别数字信号，实现真正数字控制的目的。随着液压控制技术的发展，直接式数字阀优势突出，势必将代替早期的间接式数字阀。现今采用直接式控制的数字阀包含有：增量式数字阀、脉宽式数字阀如 PWM、PCM 控制阀，常见的脉宽式高速开关阀一般都是选用 PWM 进行控制的[18]。增量式数字阀是基于 PNM 信号控制的一种直接式控制阀，通过 PNM 信号带动数字阀的驱动器（步进电机），实现直接控制数字阀启闭[19]的目的。增量式数字阀通过减少或增加前一步采样周期的步数来获得所需要的幅值。增量式数字阀又名步进数字阀，此种控制方法是按步进的方式对数字阀进行控制的。工作原理主要是应用步进电机驱动器放大计算机输入的脉冲信号，使液压执行元件按步进电机的输入信号进行工作。计算机发出的每一个脉冲都控制了步进电机转动一个固定的步矩角，步进电机在转动的过程中又将转动步矩经过螺纹或凸轮的传递，转变成一个方向上来回位移的输出量，控制数字阀阀芯的来回运动。数字阀的开度可通过电机原来所处的位置和转动的步数算出。........3 压电晶体驱动器.....103.1 压电材料的介绍 ............103.1.1 压电晶体的应用与分类 .......103.1.2 压电晶体材料研究现状及研究趋向 .... 113.2 压电晶体驱动器的原理.........123.2.1 驱动原理 .....123.2.2 应变方程式 ..........133.3 压电晶体驱动器分类 ....154 PMNT 用于高速开关阀驱动器的研究 ......194.1 驱动器结构及电路连接形式、工作原理 ......194.2 建模、分析对比 PMNT 与 PZT 的压电性能 .........204.3 分析 PMNT 的响应时间........224.4 本章小结.......235 高速开关阀阀芯结构、工作原理、力学分析.........245.1 大流量阀芯结构 ............245.2 工作原理.......255.3 力学分析.......265.4 本章小结.......278 基于 fluent 的高速开关阀内部流场动态分析8.1 数学模型及网格划分由于高速开关阀是结构对称的，阀体的内部流域是三维对称流动的，因此只需选取右边阀体内部流域的一半做为研究对象，以此提高计算效率，下图8-1 是高速开关阀的右边结构图，根据右边结构图，应用 UG 建立了高速开关阀内部流域的三维模型图 8-2。网格划分的精度和质量不仅影响着计算的精度同时还影响着计算的效率以及后期动网格计算时的出错率，质量好的网格需要具有适当的网格疏密度，既能保证计算精度又能提高计算效率。根据模型的结构特点及动网格计算的需求，本研究采用的是非结构化网格。通过多次划分、调整网格，最终网格的划分情况如下图 7-3 所示，网格节点数为 27323 个，网格单元总数为 137566个，通过质量检测，该网格的最小正交质量为 0.264349，最大纵横比例为15.0407，网格质量较好，适宜用于计算。选用弹性光顺法和局部重构法对流域进行动网格设定，阀芯的锥面及底面设置为刚体，顶面设置为静止面，阀芯非锥面的壁面设置为可变形面。导入已编写好的阀芯速度的 profile 文件，用以控制被设置为刚体面的移动速度。profile 文件中存有 3 个周期的阀芯启闭速度数据，用以计算高速开关阀 3 个启闭周期的流体运动现实，得到了高速开关阀启闭时流体运动的稳定现实。

..........结论高速开关阀作为新型液压执行元件与传统的电液伺服阀相比具有体积小、控制精度高、控制灵活度强、成本低廉、抗污染能力强等优点，可以替代制造成本高、污染敏感度强的液压伺服阀，特别适用于煤矿机械、冶金、锻压以及工程机械等污染环境特别严重的机械设备中，因此提高高速开关阀的响应速率和通流量是目前高速开关阀所需解决的主要问题。本文选用了压电晶体作为高速开关阀的驱动器，通过大量的资料搜集和查找，文章对压电晶体用作高速开关阀的驱动器做了理论分析，同时应用了AMESime 软件中的 HCD 库建立了压电驱动器的仿真模型，对比了 PZT 与PMNT 之间的压电性能，选用了 PMNT 压电晶体作为高速开关阀的驱动器，文章所设计的高速开关阀结构采用了类并联双阀结构，可增大高速开关阀的通流量。文章利用 Fluent 分析了高速开关阀的内部流道情况为高速开关阀的优化提供了帮助。通过应用 AMESime软件和 Fluent 流体软件对高速开关阀的内部流场进行了动态分析，得出了影响压电高速开关阀稳定性的一些因素。本课题得到了以下研究结论：（1）文章选用了新型压电材料PMNT 作为高速开关阀的压电晶体驱动器与常见的 PZT 相比，PMNT 的应变量可达 1 %~7 %，约为 PZT 的 3.5~4.5 倍，最高时可达 10 倍，机电耦合系数在 92 %以上且介电常数一般都在 3000 PC/N以上，最高可达 20000 PC/N 以上，用其作为驱动器所需要的电压相对 PZT 来说更小，更加节省电能，采用多层压电片叠加烧结的方式制作 PMNT 驱动器，这种高速开关阀的电一机转换器暂未见报道。（2）压电高速开关阀的阀体结构采用了类并联结构，通过仿真分析，此并联结构能增大高速开关阀的出口流量。通过对此结构的压电高速开关阀进行动态分析，分析结果表明：阀芯运动启闭时间相对 PWM 脉冲信号滞后，会影响到高速开关阀的响应速度，其根本原因是在外界施加电压时，压电晶体驱动器需要一定的时间进行反应才能输出最大位移，从而导致阀芯的启闭滞后于脉冲信号，要想缩短压电晶体应变的时间，提高高速开关阀响应速度，可选用介电常数更高的 PMNT 作为驱动器，这样能减少压电晶体的晶片数，提高高速开关阀的响应速度，也可通过减小阀芯行程使其刚好满足阀口全开的长度，也能达到提高响应速度的目的。（3）文章中建立了高速开关阀在进、出口节流两种工况下工作时的内部流场动态模型，应用 Fluent 的动网格技术研究了两种工况下阀芯高速运动时的内部流道情况，对比分析了高速开关阀的这两种工况在相同开口度下的速度分布和压力分布情况，并将速度矢量图和压力等值线图以可视化图像加以显示。（4）通过对进、出口节流式锥阀的可视化分析，可看出无论是进口节流式还是出口节流式锥阀的阀口处都极易产生气穴，从而引发气蚀现象，这种现象对高速开关阀的性能以及使用寿命都有严重的影响，严重时会导致全部液压系统崩溃，因此应尽量避免气穴的发生。要想进一步研究流场内部的气蚀现象，可在上述研究的基础上将湍流模型改变为两相模型，设置相关参数，便可模拟流道中油液在负压下气化时的流场现实。在以后的工作中可以就负压分布区域、气穴、气蚀产生的条件进行研究分析，从而进一步验证模拟结果的正确性。..........参考文献（略）