（機(jī)械電子工程專業(yè)論文）基于gmm的直動式高頻微小伺服閥關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

fiiiijip i i i i iii l lil l l li i i i iu i 2 13 3 8 2 9 ad i s s e r t a t i o ni nm e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g k e yt e c h n o l o g yr e s e a r c ho fd i r e c t - a c t i n g h i g h - f r e p u e n c ym i c r os e r v ov a l v eb a s e do ng m m c a n d i d a t e ： w a n g w e i s u lp r o f w a n gc h u a n l b u p e r v l s o r ： 1 - r o tw a nh u a n l i m e c h a n i c a le n g i n e e r i n gs c h o o l a n h u i u n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y n o 16 8 ，s h u n g e n gr o a d ，h u a i n a n ，2 3 2 0 01 ，p r c h i n a 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及 取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方以外， 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得 塞徼堡墨太堂或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一 同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并 表示謝意。 學(xué)位論文作者簽名：球日期：碰年j 月日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解塞徵堡王太堂有保留、使用學(xué)位論文 的規(guī)定，即：研究生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識產(chǎn)權(quán)單位屬于_ 塞邀理王太堂。學(xué)校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的 復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)安徽理工大學(xué) 可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采 用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。( 保密的學(xué)位 論文在解密后適用本授權(quán)書) 學(xué)位論文作者簽名：王傳 導(dǎo)師簽名：棚 簽字日期如j ) 年月鄉(xiāng)日 簽字日期：如舟鑰與日 安徽理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 超磁致伸縮材料( g i a n tm a g n e t o s t r i c t i v em a t e r i a l ，簡稱g m m ) 是一種新型 的功能材料，在室溫下的形變量和輸出力大，并且對信號輸入能快速響應(yīng)，現(xiàn)已 成為物理學(xué)、材料科學(xué)、電磁學(xué)、控制工程和機(jī)械工程等諸多領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)， 其應(yīng)用價值已逐步顯現(xiàn)。 本文基于g m m 的眾多優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種伺服閥用轉(zhuǎn)換器( g i a n t m a g n e t o s t r i c t i v ea c t u a t o r ，簡稱g m a ) ，并對其進(jìn)行了靜動態(tài)理論分析，建立數(shù) 學(xué)模型進(jìn)行動態(tài)仿真分析，仿真結(jié)果顯示g m a 階躍上升時間乃為0 8 m s ，穩(wěn)態(tài) 輸出力f 可達(dá)1 8 3 2 n ，表明g m a 具有響應(yīng)速度快、輸出力大等顯著特點(diǎn)。同時 基于該g m a 轉(zhuǎn)換器，設(shè)計(jì)了一種新型結(jié)構(gòu)的直動式高頻電液伺服閥，并通過理 論分析和計(jì)算、數(shù)學(xué)建模和動態(tài)仿真分析、電磁場有限元分析等，對其關(guān)鍵技術(shù) 進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，得出如下結(jié)論：對g m m 直動式高頻伺服閥而言，其相位裕 度可達(dá)y = 8 4 。，幅值裕量k g = 1 7 d b ，幅頻寬紕= 4 9 9 h z ，幅值穿越頻率國鼬= 4 0 3 h z ， 相位穿越頻率國。，= 5 7 8 0 h z ，可見基于g m m 的直動式高頻伺服閥的響應(yīng)速度快、 精度高、穩(wěn)定性好；轉(zhuǎn)換器g m a 的阻尼系數(shù)、線圈匝數(shù)、閥體結(jié)構(gòu)等對伺服閥 動態(tài)特性的影響較大，增大g m a 的阻尼系數(shù)可以提高伺服閥的高頻特性，增加 線圈匝數(shù)可以增大伺服閥的流量，減少伺服閥的構(gòu)件數(shù)量可以提高伺服閥的響應(yīng) 速度。 本文的研究可為基于g m m 的直動式高頻伺服閥的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)，為 直動式高頻伺服閥的研究注入了新的活力，同時為進(jìn)一步優(yōu)化該伺服閥的結(jié)構(gòu)提 供了重要依據(jù)。 圖【5 0 表 4 】參 6 7 關(guān)鍵詞：超磁致伸縮材料( g 刪) ；轉(zhuǎn)換器；直動式高頻微小伺服閥；動態(tài)特性分 析 分類號：t h l 3 7 5 2 + 2 ； i i a b s t r a c t 一一 a b s t r a c t g i a n tm a g n e t o s t r i c t i v em a t e r i a l ( g m m ) i san e wt y p eo ff u n c t i o n a lm a t e r i a l i t s e x c e l l e n tp e r f o r m a n c ea sg i a n ts t r a i na n dl a r g eo u t p u tf o r c e i tc a nr e s p o n dq u i c k l y w h e nt h es i g n a li n p u t i th a sb e c o m eah o ts p o to fr e s e a r c hi nt h ef i e l do fp h y s i c s ， n q l a t e r i a l ss c i e n c e ，e l e c t r o m a g n e t i c s ，c o n t r o le n g i n e e r i n ga n dm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ， t h ev a l u eo fi t sa p p l i c a t i o nh a sb e e ng r a d u a l l yr e v e a l e d i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h em e r i t so fg m m ，t h es t r u c t u r e o fan e wg i a n t m a g n e t o s t r i c t i v ea c t u a t o r ( g m a ) ，u s e d i ns e r v ov a l v ei sd e s i g n e d ，a sw e l la si t ss t a t i c a r l dd y n a m i ct h e o r ya n a l y s i sw o r k e d t h em a t h m a t i c a lm o d e l sa r eb u i l tf o rs i m u l a t i o n a r t a l y s i s ，t h er e s u l t so fw h i c h s h o wt h a tt h es t e pr i s et i m e t ra n dt h es t e a d ys t a t eo u t p u t f o r c efo fg m aa r er e s p e c t i v e l y0 8m sa n d18 3 2 n t h i sm e a n sg m a h a sn o t a b l e f e a t u r e so fh i g hr e s p o n s ea n dl a r g eo u t p u tf o r c e a n db a s e do nt h em e r i t so fg m a ，a n e ：ws t r u c t u r eo fh i g h f r e q u e n c yd i r e c t a c t i n gh y d r a u l i c s e r v ov a l v ei sd e s i g n e d t t l r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc o m p u t a t i o n ，m a t h e m a t i c a lm o d e l i n ga n dd y n a m i c s i m u l a t i o na n a l y s i s ，e l e c t r o m a g n e t i cf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，c a r r i e do u tas y s t e m a t i c s t u d y o fi t s k e yt e c h n o l o g i e s r e a c h e d t h e f o l l o w i n g c o n c l u s i o n s ：f o rg m m d i r e c t a c t i n gh i g h f r e q u e n c y s e r v o v a l v e ，t h ep h a s em a r g i n 7 = 8 4 。，g a i n m a r g i nk 譬= 17 d b ，a m p l i t u d ew i d e 緲廣4 9 9 h z ，t h ea m p l i t u d e a c r o s st h ef r e q u e n c y2 4 0 3 h z t h ep h a s ec r o s s o v e rf r e q u e n c y = 5 7 8 0 h z i ti sv i s i b l et h a tg m md i r e c t 。a c t i n g h i g h - f r e q e n c y s e r v ov a l v eh a sf e a t u r e so ff a s tr e s p o n s es p e e d ，h i g hp r e c i s i o na n db e t t e r s t a b i l i t y t h ec o i lt u r n sa n dd a m p i n go fg m a c o n v e xa n db o d ys t r u c t u r eo fv a l v eh a v e a 7 e a t e ri m p a c to nt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f t h es e r v ov a l v e i n c r e a s i n gt h eg m a d a m p i n gc a ni m p r o v et h eh i g hf r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so f t h es e r v ov a l v e i n c r e a s e i n g t h t ：c o i lt u r n sc a ni n c r e a s et h ef l o wo ft h es e r v ov a l v e r e d u c i n gt h en u m b e ro f c o m p o n e n t so ft h es e r v ov a l v ec a ni m p r o v e t h er e s p o n s es p e e do ft h es e r v ov a l v e t h i s s t u d y p r o v i d e sat h e o r e t i c a l b a s i sf o rm ed e s i g n o f d i r e c t - a c t i n g h i g h f r e q u e n c ys e r v ov a l v eb a s e do ng m m a n di n j e c t sn e wv i t a l i t yt ot h es t u d y i n go f d i r e c t a c t i n gh i g h f r e q u e n c ys e r v ov a l v ea n dp r o v i d e sa ni m p o r t a n tb a s i sf o rf u r t h e r o p t i m i z a t i o no f t h es t r u c t u r eo f t h es e r v ov a l v e f i g u r e 5 0 】t a b l e 4 r e f e r e n c e 6 7 】 k e y w o r d s ：g i a n tm a g n e t o s t r i c t i v em a t e r i a l s ( g m m ) ；a c t u a t o r ； i i i 安徽理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 h i g h - f r e q u e n c ym i c r os e r v ov a l v e s ；d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i s c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t h l3 7 5 2 + 2 i v 目錄 目錄 摘要v i i a b s t r a c t i i i 目錄v c o n t e n t s v i i i 引言1 1 緒論3 1 1 電液伺服閥概述3 1 1 1 電液伺服閥的研究現(xiàn)狀3 1 1 2 電液伺服閥的發(fā)展趨勢4 1 2 超磁致伸縮材料概述7 1 2 1 超磁致伸縮材料的特性和變形機(jī)理7 1 2 2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀8 1 3 課題研究意義及內(nèi)容1 1 1 3 1 課題研究意義1 1 1 3 2 課題研究的難點(diǎn)1 2 1 3 3 課題研究的內(nèi)容1 2 2g m a 的設(shè)計(jì)與分析1 4 2 1g m a 設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的幾個問題1 4 2 2g m a 的結(jié)構(gòu)及工作原理1 5 2 3g m a 主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及關(guān)鍵參數(shù)的確定1 6 2 3 1g m m 棒的設(shè)計(jì)選型1 6 2 3 2 驅(qū)動頻率1 7 2 3 3 線圈及其骨架的設(shè)計(jì)1 8 2 3 4 預(yù)壓力裝置1 9 2 3 5 其它主要結(jié)構(gòu)的選擇與設(shè)計(jì)一2 0 2 4g m a 的數(shù)學(xué)模型2 1 2 4 1 靜態(tài)模型2 l 2 4 2 動態(tài)模型2 3 安徽理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 5g m a 的動態(tài)特性仿真2 5 2 5 1 仿真模型的建立2 5 2 5 2 仿真結(jié)果及分析一2 7 本章小結(jié)31 3g m m 直動式電液伺服閥的結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)3 2 3 1g m m 電液伺服閥的組成3 2 3 2g m m 直動式電液伺服閥的結(jié)構(gòu)及工作原理3 3 3 3g m m 直動式電液伺服閥的參數(shù)設(shè)計(jì)理論3 6 3 3 1g m a 的設(shè)計(jì)3 6 3 3 2 滑閥的參數(shù)設(shè)計(jì)3 7 3 4g m m 直動式電液伺服閥的參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算4 3 本章小結(jié)4 6 4 g l v l n 直動式電液伺服閥的建模及動態(tài)仿真分析4 7 4 1g m m 直動式電液伺服閥的動態(tài)基本方程4 7 4 1 1g m a 的基本方程4 7 4 1 2 閥芯力平衡方程一4 7 4 1 3 滑閥的流量方程5 0 4 1 4g m m 直動式電液伺服閥的流量輸出方程5 0 4 2g m m 直動式電液伺服閥的方塊圖與傳遞函數(shù)5 1 4 2 1g m m 直動式電液伺服閥的方塊圖5 1 4 2 2g m m 直動式電液伺服閥的傳遞函數(shù)5 1 4 2 3g m m 直動式電液伺服閥的總仿真模型5 2 4 3g m m 直動式電液伺服閥的仿真結(jié)果分析5 3 4 3 1 時域仿真分析一5 3 4 3 2 頻域仿真分析一5 5 4 3 3 主要參數(shù)對g m m 電液伺服閥動態(tài)特性的影響5 6 本章小結(jié)6 2 5 g m a 磁路磁場的研究與分析6 3 5 1 驅(qū)動磁場均勻性分析6 3 v i 目錄 5 1 1 驅(qū)動磁場軸向均勻性6 3 5 1 2 驅(qū)動磁場徑向均勻性6 4 5 2 電磁場計(jì)算理論6 5 5 2 1 有限差分法和有限元法6 5 5 2 2 有限元法的理論基礎(chǔ)6 5 5 3g m a 有限元分析6 6 5 3 1a n s y s 軟件簡介6 6 5 3 2 有限元結(jié)果及分析6 6 本章小結(jié)7 3 6 結(jié)論與展望一7 4 6 1 結(jié)論7 4 6 2 展望一7 5 參考文獻(xiàn)7 6 致 射81 作者簡介及讀研期間主要科研成果8 2 安徽理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 c o m e m s a b s t r a c t i i p r e f a c e j ； 1i n t m d u c t i o n ；! 1 1a no v e r v i e wo f e l e c t r o - h y d r a u l i cs e r v ov a l v e 一2 1 1 1c u r r e n ts t a t eo fe l e c t r o h y d r a u l i cs e r v ov a l v e 一2 1 1 2 d e v e l o p m e n tt e n d e n c yo fe l e c t r o - h y d r a u l i cs e r v ov a l v e 三 1 2b r e i f i n t r u d u c t i o no f m a g n e t o s t r i c t i v em a t e r i a l 6 1 2 1 p r o p e r t i e sa n dd e f o r m a t i o nm e c h a n i s m o fg m m 魚 1 2 2c u r r e n ts t a t eo f r e s e a r c ho f d o m e s t i ca n d f o r e i g n 7 1 3r e s e a r c hs i g n i f i c a n c ea n dc o n t e n t 0 1 3 1 s i g n i f i c a n c eo f r e s e a r c h 0 1 3 2d i f f i c u l t i e so f r e s e a r c h 衛(wèi) 1 3 3c o n t e n t so f r e s e a r c h 且 2 d e s i g na n da n a l y s i so fg m m a c t u a t o r 3 2 1s e v e r a li s s u e si nd e s i g n i n gg m a 衛(wèi) 2 2s 仃u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fg m a 4 2 3m a i ns t r u c t u r ea n dk e yp a r a m e t e r sd e s i g no fg m a 5 2 3 1s e l e c t i o no f g m mr o d 一墮 2 3 2 d r i v i n gf r e q u e n c y 6 2 3 3c o i la n dc o i lf r a m ed e s i g n 7 2 3 4 p r e l o a d i n gd e v i c e 8 2 3 5 o t h e rm a j o rs t n l c l = u r e sd e s i g n 墮 2 4m a t h e m a t i c a lm o d e l so fg m a 墊 2 4 1s t a t i cm o d e l s 墊 2 4 2d y n a m i cm o d e l s 絲 2 5 d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cs i m u l a t i o no fg m a 4 2 5 1e s t a b l i s h m e n to fs i m u l a t i o nm o d e l 2 壘 2 5 2s i m u l a t i o nr e s u l t sa n da n a l y s i s 6 v i i i 目錄 2 6 c h a p t e rs u m m a r y 亞 3s t r u c t u r a la n dp a r a m e t e r sd e s i g no fg m m d i r e c t - a c t i n gs e r v ov a l v e 3 1 3 1t h ec o m p o s i t i o no f d i r e c t - a c t i n gs e r v ov a l v e 3 1 3 2s 協(xié)l c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fg m m d i r e c t a c t i n gs e r v ov a l v e 3 _ 2 2 3 3p a r a m e t e r sd e s i g nt h e o r yo fg m m d i r e c t a c t i n gs e r v ov a l v e 3 5 3 3 1p a r a m e t e rd e s i g no f g m a 3 5 3 3 2p a r a m e t e rd e s i g no f g m ms l i d ev a l v e 3 5 3 4p a r a m e t e r sd e s i g no fg m m d i r e c t - a c t i n gs e r v ov a l v e 4 2 ：；5 c h a p t e rs u m m a r y 4 5 4 m o d e l i n ga n dd y n a m i cs i m u l a t i o na n a l y s i sg m m s e r v ov a l v e 4 6 4 1 d y n a m i cb a s i ce q u a t i o n so fg m m d i r e c t a c t i n gs e r v ov a l v e 4 6 4 1 1b a s i ce q u a t i o n so f g m a 4 6 4 1 2f o r c eb a l a n c ee q u a t i o no f t h es p o o l 4 6 4 1 3f l o we q u a t i o no ft h es l i d ev a l v e 4 9 4 1 4f l o wo u t p u te q u a t i o no fg m m d i r e c t a c t i n gs e r v ov a l v e 4 9 4 2b l o c kd i a g r a ma n dt r a n s f e rf u n c t i o no fg m ms e r v ov a l v e 5 0 4 2 1b l o c kd i a g r a mo fg m m d i r e c t - a c t i n gs e r v ov a l v e 5 0 4 2 2t r a n s f e rf u n c t i o no fg m m d i r e c t a c t i n gs e r v ov a l v e 5 0 4 3m l o l es i m u l a t i o nm o d e lo fg m m d i r e c t a c t i n gs e r v ov a l v e 丑 4 4s i m u l a t i o nr e s u l ta n a l y s i so f g m md i r e c t - a c t i ns e r v ov a l v e 5 2 4 4 1m l o l es i m u l a t i o nm o d e lo fs e r v ov a l v e 5 2 4 4 2s i m u l a t i o nr e s u l ta n a l y s i so fs e r v ov a l v e 5 4 4 4 3c h a r a c t e r i s t i c si n f l u e n c ec a u s e db yk e yp a r a m e t e r s 5 5 4 5 c h a p t e rs u m m a r y 6 1 5 m a g n e t i cc i r c u i ta n dm a g n e t i cf i e l d sr e s e a r c ho fg m a 6 2 5 1a x i a lu n i f o r m i t yo f d r i v i n gm a g n e t i cf i e l d 6 2 5 1 1a x i a lu n i f o r m i t yo f d r i v i n gm a g n e t i cf i e l d 6 2 5 1 2r a d i a lu n i f o r m i t yo f d r i v i n gm a g n e t i cf i e l d 6 3 5 2c a l c u l a t e ct h e o r yo fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l d 6 4 i x 安徽理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 5 2 1f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o da n df i n i t ee l e m e n tm e t h o d 6 4 5 2 2f i n i t ee l e m e n tm e t h o db a s i ct h e o r y 6 4 5 3f i n i t ee l e m e n tr e s u l t sa n da n a l y s i so fg m a 6 5 5 3 1i n t r o d u c t i o no f a n s y s 6 5 5 3 2r e s u l t sa n da n a l y s i so f f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sr e s u l t s 6 5 5 4 c h a p t e rs u m m a r y 7 2 6c o n c l u s i o na n d p r o s p e c t 7 3 6 1c o n c l u s i o n 7 3 6 2 p r o s p e c t 7 4 r e t e r a n c e 7 5 a c l o a o w l e d g e m e n t 7 9 r e s u m eo fa u t h o r 8 】【 x 引言 引言 超磁致伸縮材料的性能優(yōu)越，與新型的壓電陶瓷材料( p z t ) 和通常使用的磁 致伸縮材料n i 、c o 等相比，g m m 具有很多優(yōu)點(diǎn)：常溫時的變形能達(dá)到1 0 - 3 數(shù)量級， 數(shù)十倍于n i 的變形，幾倍于p z t 的變形；變形的線性范圍大，控制精度高，用于精 密機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的控制精度可達(dá)納米級；不存在老化疲勞問題，工作的穩(wěn)定性比 壓電陶瓷要好；在高溫后冷卻時，其磁致伸縮特性可完全恢復(fù)；響應(yīng)速度快，一 般在幾十毫秒以下，可達(dá)微秒級，對外磁場和應(yīng)力幾乎同時響應(yīng)；頻率特性好， 既適合高頻又適合低頻工作。在西方發(fā)達(dá)國家，超磁致伸縮材料已經(jīng)應(yīng)用于一些 高科技領(lǐng)域，例如：航空航天、精密制造等，國內(nèi)的研究主要還是在材料的制備 上，在理論方面也有一些研究，但在電液伺服閥等的應(yīng)用方面處于起步狀態(tài)。 電液伺服閥在機(jī)電液一體化領(lǐng)域是一個非常重要的元件，它在液壓控制系統(tǒng) 中的作用非常重要。工程實(shí)踐中如精密位置控制，航空航天和軍事等領(lǐng)域?qū)σ簤?系統(tǒng)的控制精度、響應(yīng)速度提出了更高的要求，在以前的電液控制系統(tǒng)中，伺服 閥的頻寬通常是在幾百以下，對于要求高的控制系統(tǒng)來說已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。而超磁致 伸縮材料在伺服閥中的應(yīng)用為解決這些問題提供了新的活力，對我國這樣一個稀 土大國來說無疑具有重要戰(zhàn)略意義。 安徽理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 1 緒論 1緒論 1 1電液伺服閥概述 電液伺服閥接受電信號后能輸出相應(yīng)的調(diào)制的流量和壓力，能將微小電氣信 號轉(zhuǎn)換成大功率液壓信號還可以成比例的輸出相應(yīng)的流量和壓力。電液伺服閥有 許多優(yōu)點(diǎn)，對輸入信號能夠快速響應(yīng)，而且它的穩(wěn)定性很好，控制精度也很高， 現(xiàn)己廣泛的應(yīng)用于航空航天、武器裝備、工程機(jī)械、船舶制造、醫(yī)療器械和冶金 化工等領(lǐng)域。 1 1 1 電液伺服閥的研究現(xiàn)狀 有文字記載的液壓控制技術(shù)的歷史最早可追溯到公元前2 4 0 年，生活在亞歷 山大城的古埃及人k t e s b i o s 發(fā)明了世界上第一個液壓伺服系統(tǒng)水鐘。這個水 鐘可能顯示長達(dá)一個月的準(zhǔn)確時間，從理論上講已經(jīng)具備了現(xiàn)代液壓伺服系統(tǒng)的 雛形。然而由于當(dāng)時統(tǒng)治階級不重視科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使得液壓控制技術(shù)在相當(dāng) 長的歷史時期內(nèi)一直毫無起色，直到1 8 世紀(jì)工業(yè)革命后才有一些重大進(jìn)展f 1 ，引。 二戰(zhàn)前后，由于工業(yè)發(fā)展和武器裝備的需要，液壓伺服控制技術(shù)得到了空前 高速的發(fā)展。西門子公司還發(fā)明了永磁式力矩馬達(dá)，能接收機(jī)械信號和電信號并 應(yīng)用于航空領(lǐng)域。 采用滑閥閥芯在閥套中移動的伺服閥結(jié)構(gòu)開始于二戰(zhàn)末期，閥芯的運(yùn)動由電 磁力和彈簧彈力共同作用。二戰(zhàn)后，對液壓伺服閥的研究速度明顯加快，有許多 兩級伺服閥在這個時候誕生了，在十九世紀(jì)五十年代末期，又誕生了三級電液伺 服閥。 此后伺服閥進(jìn)入了蓬勃發(fā)展時期，1 9 6 0 年以后的電液伺服閥已具有現(xiàn)代伺服 閥的特點(diǎn)：前后兩級實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)反饋控制；干式力矩馬達(dá)的應(yīng)用使其質(zhì)量更輕且 移動距離更??；前置級對功率級的壓差可達(dá)5 0 ，并且與工作油液相互獨(dú)立，其 機(jī)械結(jié)構(gòu)的對稱性減小了溫度壓力變化對零位的影響。但這時靠軍事需要來推動 其發(fā)展的電液伺服閥成本極高。 1 9 6 3 年，w c m o o g 公司推出了專門應(yīng)用于工業(yè)的7 3 系列伺服閥，此后，能 滿足各種工業(yè)要求的伺服閥陸續(xù)出現(xiàn)。由于這些伺服閥都以1 9 6 0 年的伺服閥結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)而研制，所以它們都有一些共同點(diǎn)：閥的體積加大以便于低成本制造；材料 不局限于鋼材，一些閥體采用鋁；閥的許用壓力降低，由原來的3 0 m p a 降至 1 6 m p a ，形成了系列化標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，大大降低了生產(chǎn)成本，擴(kuò)大了應(yīng)用領(lǐng)域。 安徽理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 由以上電液伺服閥的發(fā)展史不難看出其原理不會有多少變化，所以當(dāng)前電液 伺服閥的研究主要集中在改進(jìn)結(jié)構(gòu)、改進(jìn)加工工藝、使用新材料和測試方法四個 方面： 1 改進(jìn)結(jié)構(gòu)方面。利用冗余技術(shù)對伺服閥的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，伺服閥是伺服 系統(tǒng)的關(guān)鍵元件，因此伺服閥的可靠性是伺服控制系統(tǒng)中最重要的一環(huán)。結(jié)合伺 服閥的常見故障例如容易受到油液污染等對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，許多廠家生產(chǎn) 出了抗污染性較好的射流管式、偏導(dǎo)射流式伺服閥。在美國和俄羅斯等發(fā)達(dá)國家 的航天工業(yè)上有了多余度的伺服機(jī)構(gòu)；我國在上世紀(jì)9 0 年代也進(jìn)行了三余度伺服 機(jī)構(gòu)的：研制，其產(chǎn)品主要應(yīng)用于航天系統(tǒng)。 2 新材料應(yīng)用方面。針對伺服閥的性能要求，采用強(qiáng)度、彈性、剛度等更 為優(yōu)越的材料，還有一些特殊材料，例如壓電陶瓷和超磁致伸縮材料等。德國還 用紅寶石制作噴嘴擋板，使工作壽命大大延長。g m m 的應(yīng)用進(jìn)一步提高了伺服 閥的動態(tài)響應(yīng)特性。 3 改進(jìn)加工工藝方面。即進(jìn)一步提高閥的加工精度。例如在閥芯閥套的配 合上，哈爾濱工業(yè)大學(xué)利用全自動的智能配磨系統(tǒng)替代了傳統(tǒng)氣動配磨的模式， 利用液壓油介質(zhì)更直接的測出滑閥副的實(shí)際情況。在焊接方面，中船重工與德國 合作，用當(dāng)今世界最先進(jìn)的焊接工藝對力矩馬達(dá)進(jìn)行焊接取得良好效果。此外， 哈工大利用智能化的力矩馬達(dá)彈性元件測量裝置解決了原來手動測量中的測量精 度低、操作復(fù)雜和效率低等問題，不重復(fù)性測量誤差降到百分之一以下。 4 改進(jìn)測試方法方面。提高測量儀器的測量精度降低外界電磁信號的干擾 都能提i 葛測量精度，更準(zhǔn)確的反映伺服閥本身的特性，因此在測試儀器和測試技 術(shù)等方面很值得研究。利用計(jì)算機(jī)對電液伺服閥的靜、動態(tài)性能進(jìn)行測試也是現(xiàn) 代測試技術(shù)的一大特點(diǎn)。 1 1 2 電液伺服閥的發(fā)展趨勢 電液伺服閥在機(jī)電液一體化領(lǐng)域是一個非常重要的元件，它在液壓控制系統(tǒng) 中的作用非常重要。工程實(shí)踐中如精密位置控制，航空航天和軍事等領(lǐng)域?qū)σ簤?系統(tǒng)的l - g n 精度、響應(yīng)速度提出了更高的要求，在以前的電液控制系統(tǒng)中，伺服 閥的頻寬通常是在幾百以下，對于要求高的控制系統(tǒng)來說已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。在傳統(tǒng)電 液控制系統(tǒng)中，伺服閥的頻寬受穩(wěn)定性的限制，其頻率只能是力矩馬達(dá)頻率的幾 分之一，這使得進(jìn)一步提高電液伺服閥的響應(yīng)速度變得十分困難。然而隨著新材 料的應(yīng)用和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，這些問題將得到解決。 4 1 緒論 現(xiàn)階段對電液伺服閥的研究力度大大加強(qiáng)，電液伺服閥在技術(shù)上的研發(fā)主要 體現(xiàn)在以下幾個方面。 1 結(jié)構(gòu)。m o o g 公司的d 6 3 3 、d 6 3 4 直動式閥以及e a t o n v i c k e r s 公司的l f d c 5 v 型有了很多實(shí)用產(chǎn)品。直動式的電液伺服閥沒有一般伺服閥的前置級，直接用力 矩馬達(dá)拖動閥芯，降低了加工成本，擴(kuò)大了電液伺服閥在工業(yè)上的應(yīng)用場合。國 內(nèi)有研究機(jī)構(gòu)將普通電液伺服滑閥的滑動設(shè)計(jì)為滑閥閥芯與閥套上有傾角斜槽的 轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動時通過斜槽的相互開通和封閉控制輸出壓力和流量。轉(zhuǎn)動式能降低閥 的摩擦阻力，提高了抗污染能力。 現(xiàn)在新型伺服閥的驅(qū)動方式已越來越多。這些新結(jié)構(gòu)提高了伺服閥的性能， 開拓了設(shè)計(jì)者的研發(fā)思路，開啟了電液伺服閥的研發(fā)的新篇章。 2 新材料?，F(xiàn)代電液伺服閥的新材料主要是用壓電陶瓷、形狀記憶合金和超 磁致伸縮材料等作為轉(zhuǎn)換器的材料。這新新型的功能材料具有各自特殊的性能。 壓電陶瓷艮i i p z t 元件具有壓電效應(yīng)，當(dāng)在晶體元件上施加一定外力時，在其兩 頭的外表面上就有符號相反并且數(shù)量一樣的電荷i _ = 】。p z t 直動式電液伺服閥的結(jié)構(gòu) 如圖l 所示：閥芯與兩端的鏈接桿是鉸連接，在兩端的桿件上都貼有壓電材料元件， 當(dāng)通電時壓電材料會產(chǎn)生壓電效應(yīng)，這樣閥芯就會運(yùn)動。 pcoc = p 1 位移傳感器2 閥芯3 位移測量儀4 多層壓電元件a5 多層壓電元件b 圖1p z t 直動式伺服閥 f i g lp z td i r e c td r i v es e r v ov a l