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湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告
題 目 工程機(jī)械用電液比例減壓閥
學(xué) 院 興湘學(xué)院
專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué) 號(hào) 2010963130
姓 名 伍若翔
指 導(dǎo) 老 師 劉金剛
開 題 時(shí) 間 2014年3月
一、 選題的依據(jù)與意義
電液比例閥是閥內(nèi)比例電磁鐵根據(jù)輸入的電壓信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)動(dòng)作，使工作閥閥芯產(chǎn)生位移，閥口尺寸發(fā)生改變并以此完成與輸入電壓成比例的壓力、流量輸出的元件。閥芯位移也可以以機(jī)械、液壓或電的形式進(jìn)行反饋。由于電液比例閥具有形式種類多樣、容易組成使用電氣及計(jì)算機(jī)控制的各種電液系統(tǒng)、控制精度高、安裝使用靈活以及抗污染能力強(qiáng)等多方面優(yōu)點(diǎn)，因此，電液比例減壓閥應(yīng)用領(lǐng)域日益拓寬。今年來研發(fā)生產(chǎn)的插裝式比例閥和比例多路閥充分考慮到工程機(jī)械的使用特點(diǎn)，具有先到控制、負(fù)載傳感和壓力補(bǔ)償?shù)裙δ堋Ｋ某霈F(xiàn)對(duì)移動(dòng)式液壓機(jī)械整體技術(shù)水平的提升具有重要意義。特別是在電控先到操作、無線遙控和有線遙控操作等方面展現(xiàn)了其良好的應(yīng)用前景。
電液比例閥,是電液比例控制技術(shù)的核心和主要功率放大元件,代表了流體控制技術(shù)的發(fā)展方向。它以傳統(tǒng)的工業(yè)用液壓控制閥為基礎(chǔ),采用電-機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置,將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為位移信號(hào),按輸入電信號(hào)指令連續(xù)、成比例地控制液壓系統(tǒng)的壓力、流量或方向等參數(shù)。 雖然比例閥與伺服控制系統(tǒng)中的伺服閥相比,性能在某些方面還有一定的差距。但電液比例閥抗污染能力強(qiáng),減少了由于污染而造成的工作故障,可以提高液壓系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和可靠性,更適用于工業(yè)過程;另一方面,比例閥的成本比伺服閥低,而且不包含敏感和精密的部件,更容易操作和保養(yǎng),因此在許多場合電液比例閥獲得了廣泛的應(yīng)用。
二、國內(nèi)外研究狀況及發(fā)展趨勢
根據(jù)用途和工作特點(diǎn)的不同,比例閥可以分為比例壓力閥(如比例溢流閥、比例減壓閥)、比例流量閥(如比例節(jié)流閥、比例調(diào)速閥)和比例方向閥(電液比例換向閥)三類。電液比例換向閥不僅能控制方向,還有控制流量的功能。下面分別綜述比例壓力閥和比例流量閥國內(nèi)外的研究進(jìn)展。
1967年瑞士布林格爾(Beringer)公司生產(chǎn)出KL用于船體表面除銹涂漆工藝的比例方向節(jié)流閥,這是世界上最早的比例閥。1971年和1972年日本油研(Yuken)公司相續(xù)申請(qǐng)了比例壓力閥和比例流量閥的專利,引起了許多國家及公司的廣泛重視,推動(dòng)了比例閥技術(shù)的發(fā)展。這期間出現(xiàn)的比例壓力閥(溢流閥和減壓閥)基本是以傳統(tǒng)手調(diào)液壓閥為基礎(chǔ)發(fā)展而來,區(qū)別僅是用比例電磁閥鐵取代了閥上原有的彈簧手調(diào)機(jī)構(gòu),閥的結(jié)構(gòu)原理和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則幾乎沒有變化。小流量閥采用直接作用式結(jié)構(gòu),大流量閥仍采用1936年美國人維克斯(HarryVickers)發(fā)明的/差動(dòng)式壓力控制原理0。因?yàn)椴话芸貐?shù)的反饋環(huán)節(jié),導(dǎo)致控制壓力隨著負(fù)載流量的不同而改變,這是此類比例閥的主要不足,而且由于比例電磁鐵性能較差,這類比例閥的工作頻寬低(僅1~5Hz),穩(wěn)態(tài)磁環(huán)大(4%~7%),體積也大,多用在開環(huán)系統(tǒng)。
20世紀(jì)80年代初,浙江大學(xué)路甬祥提出了壓力直接檢測原理,他應(yīng)用該原理設(shè)計(jì)的比例溢流閥獲得了德國發(fā)明專利。按此原理,國內(nèi)外研制的比例溢流閥和比例減壓閥的性能都獲得了顯著提高,實(shí)現(xiàn)了人們長期以來所追求的等壓力特性。
從20世紀(jì)80年代后期開始,比例壓力控制技術(shù)的又一進(jìn)展是采用電氣閉環(huán)校正,出現(xiàn)了被控壓力―壓力傳感器檢測的新一代比例壓力閥。采用這種原理可將電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的非線性和先導(dǎo)閥的非線性擾動(dòng)都包含在閉環(huán)之內(nèi),因而可實(shí)現(xiàn)無靜差控制,同時(shí)利用電氣校正也可以很方便地改善閥的穩(wěn)定性和快速性。文獻(xiàn)介紹的采用力矩馬達(dá)驅(qū)動(dòng)單噴嘴擋板閥作先導(dǎo)級(jí)的壓力直接電檢測型比例溢流閥和比例減壓閥,其穩(wěn)態(tài)特性達(dá)到了當(dāng)時(shí)幾乎完美的程度。日本油研(Yuken)公司同期推出的這種比例溢流閥更將電控器、放大器、壓力傳感器與閥集成為一體,閥上還帶有壓力數(shù)字顯示和報(bào)警裝置 。國內(nèi)浙江 大學(xué)也研制成功采用這一原理和PID調(diào)節(jié)技術(shù)的三通型比例壓力閥,獲得了同樣的效果 。為完善這一技術(shù),國外還發(fā)展了將A/D、D/A轉(zhuǎn)換器、放大器與檢測單元集成為一體的壓力傳感器,降低了生產(chǎn)成本、提高了可靠性和精度,這一技術(shù)將 成為比例壓力控制的主要手段。
在模擬型比例元件發(fā)展的同時(shí),數(shù)字式的比例閥也獲得了蓬勃發(fā)展。由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的增量式數(shù)字壓力閥和用開關(guān)電磁鐵操縱的高速開關(guān)型數(shù)字壓力閥都已達(dá)到了使用階段。同模擬式閥相比,數(shù)字式的比例閥的優(yōu)點(diǎn)是更抗污染,開環(huán)控制精度高,無需A/D和D/A轉(zhuǎn)換器就能直接與計(jì)算機(jī)接口。不足之處是受控制功率的限制,系統(tǒng)頻寬較低,使得應(yīng)用范圍受到了限制。
為改善比例壓力閥的性能,國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究工作。德國亞琛工業(yè)大學(xué)(AachenTH)的澤納(F.Zehner)在文獻(xiàn)中重點(diǎn)研究了直接檢測的比例壓力閥,并特別介紹了采用直接壓力電檢測的比例溢流閥。我國浙江大學(xué)的郁凱元在文獻(xiàn)[17]中,分別研究了采用系統(tǒng)壓力直接檢測和主閥芯速度反饋的比例溢流閥和比例減壓閥,并提出采用主閥的三通結(jié)構(gòu)來改善比例減壓閥在無負(fù)載時(shí)的控制性能。
此外,國內(nèi)吳良寶等人用功率鍵合圖的方法對(duì)比例溢流閥的性能進(jìn)行了研究,主要研究了阻尼網(wǎng)絡(luò)對(duì)比例溢流閥性能的影響。印度學(xué)者達(dá)斯古浦塔(Dasgupta)也用功率鍵合圖的方法對(duì)電磁比例先導(dǎo)溢流閥的性能進(jìn)行了研究,并建立了比例閥的非線性模型。對(duì)采用B型液橋的直接檢測型比例溢流閥的性能進(jìn)行了仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì),改善了比例溢流閥的性能。國外學(xué)者曼科(S.Mamco)對(duì)帶先導(dǎo)流量恒定器的減壓閥和多種先導(dǎo)級(jí)結(jié)構(gòu)的直接檢測型溢流閥進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)研究。提出在主閥芯上開不同圓形槽的
方法改善了先導(dǎo)式比例溢流閥的壓力特性。文獻(xiàn)研究了在滑閥上開槽的方式來消除滑閥的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力并用這種方法設(shè)計(jì)了單級(jí)的大流量溢流閥,取得了與雙級(jí)控制同樣的效果。
在對(duì)比例壓力閥性能進(jìn)行大量分析和研究的同時(shí),許多研究者也致力于從結(jié)構(gòu)原理上對(duì)比例閥進(jìn)行改進(jìn)。德國亞琛工業(yè)大學(xué)(AachenTH)的文加登(F.Weinganten)應(yīng)用線性液阻代替圓孔阻尼器,使溢流閥的動(dòng)態(tài)超調(diào)量及快速性略有改善。文獻(xiàn)提出用主閥芯與導(dǎo)閥芯之間的位置隨動(dòng)反饋來提高壓力直接檢測型溢流閥的快速性和穩(wěn)定性的方法,該閥具有較好的壓力流量特性。國內(nèi)學(xué)者曾祥榮研究了采用液動(dòng)力補(bǔ)償?shù)拇罅髁恐眲?dòng)式比例溢流閥,并且還對(duì)這種閥所采用的液動(dòng)力補(bǔ)償方法作了進(jìn)一步的研究[。1986年日本油研(Yuken)公司和德國派克(Par2ker)公司分別申請(qǐng)了壓力直接電檢測的比例溢流閥和壓力間接電檢測的比例溢流閥專利,這些都推動(dòng)了壓力電檢測技術(shù)的發(fā)展。湖南大學(xué)黃勇針對(duì)比例壓力閥,在對(duì)比分析多種閥芯和閥腔幾何結(jié)構(gòu)后,優(yōu)化設(shè)計(jì)出一種新型閥芯和閥腔結(jié)構(gòu)的比例壓力閥。文獻(xiàn)采用PID控制和動(dòng)態(tài)矩陣控制(DMC)方法,對(duì)比例減壓閥進(jìn)行了緩沖控制研究。權(quán)龍?jiān)谄洳┦空撐闹刑岢鲂碌碾婇]環(huán)比例控制方法,并在比例減壓閥的出口與先導(dǎo)泄油口之間設(shè)置一旁通流量調(diào)節(jié)器,可解決現(xiàn)有比例減壓閥在負(fù)載很小時(shí)不能穩(wěn)定工作的難題。
傳統(tǒng)電液比例閥是以比例電磁鐵作為驅(qū)動(dòng)裝置的電-液信號(hào)轉(zhuǎn)換元件,雖然其結(jié)構(gòu)堅(jiān)固,抗污染能力較強(qiáng),價(jià)格較為低廉。但存在著運(yùn)動(dòng)部件體積慣量大(兩端對(duì)置),支撐部位多,摩擦力大、線性度差等固有弊病。同時(shí),由于比例電磁鐵固有特性的限制,導(dǎo)致電液比例閥無論在響應(yīng)時(shí)間還是在響應(yīng)速度上都不是很快,響應(yīng)速度稍高的但流量又太小,滯環(huán)大、死區(qū)大,而且給系統(tǒng)的控制算法帶來困難。以力矩馬達(dá)為驅(qū)動(dòng)裝置的電液伺服閥雖然控制品質(zhì)較好、頻響高、滯環(huán)小、死區(qū)亦小、且線性度好,但伺服閥對(duì)油液的污染十分敏感,系統(tǒng)的過濾成本高,且其加工難度大,價(jià)格昂貴,限制了伺服閥的應(yīng)用。
可以看出,目前,無論是電液伺服閥還是電液比例閥,都無法同時(shí)滿足液壓控制系統(tǒng)高速、高精度、大流量、低成本、抗污染等要求。
為此,必須開發(fā)一種全新的液壓閥技術(shù),能夠綜合這兩類閥的長處,克服它們的短處,這就是超高速電液比例閥。
超高速電液比例閥能實(shí)現(xiàn)液壓控制系統(tǒng)液流方向和流量的控制功能,滿足系統(tǒng)高速、高精度、大流量、低成本、抗污染的綜合要求。超高速電液比例閥是采用動(dòng)圈式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器作為驅(qū)動(dòng)裝置的電-液信號(hào)轉(zhuǎn)換元件,控制性能很好,某些性能指標(biāo)達(dá)到甚至超過了電液伺服閥,尤其是在頻率響應(yīng)方面更優(yōu)越,可達(dá)300Hz以上。另一方面,與傳統(tǒng)伺服閥不同,其中不存在噴嘴一類的細(xì)小節(jié)流口,故抗污染能力強(qiáng),無需高成本的過濾措施,工作可靠性高。
提高電液比例閥的性能指標(biāo)如頻響、線性度和負(fù)載能力等,有助于提高電液比例控制系統(tǒng)的整體特性,這也是電液比例閥技術(shù)的發(fā)展趨勢。
提高控制精度和控制速度一直以來是各行各業(yè)的敏感話題,在許多機(jī)械行業(yè)中,特別是需要高精控制場合中,擁有較大的市場前景。隨著我國建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,需求量會(huì)不增加。目前,超高速電液比例閥技術(shù)在國外一些著名注塑機(jī)公司得到了應(yīng)用。而國內(nèi)一般均采低速比例閥控制,效率低,精度差。因此超高速電液比例閥的研究,成為各廠家在日益激烈的市場競爭中是否能夠保持優(yōu)勢的關(guān)鍵。研制性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、成本低廉、能同時(shí)為生產(chǎn)廠家和用戶歡迎的超高速電液比例閥,對(duì)推動(dòng)整個(gè)液壓技術(shù)領(lǐng)域的向前發(fā)展具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。
三、本課題研究內(nèi)容
1、設(shè)計(jì)內(nèi)容及參數(shù)
①熟悉電液比例減壓閥結(jié)構(gòu)和工作原理；
②根據(jù)工作原理，列出減壓閥銜鐵、閥芯的受力方程，完成靜態(tài)特性仿真曲線，確定結(jié)構(gòu)參數(shù)；
③設(shè)計(jì)參數(shù)：進(jìn)口壓力4MPa，要求出口壓力0~2.5Mpa可調(diào)，流量20L/min。
2、預(yù)期提交的材料清單
①設(shè)計(jì)說明書（包括液壓、電磁力的計(jì)算）；
②結(jié)構(gòu)原理圖；
③設(shè)計(jì)圖紙，1張A0（裝配圖），2張A2（閥芯和閥套）；
④英文翻譯。
3、進(jìn)度計(jì)劃
1—2周：完成文獻(xiàn)資料查閱（確定整體方案）；
3—10周：完成主要工作；
11—12周：寫設(shè)計(jì)說明書和答辯。
四、本課題主要特色
主要特色：電液比例減壓閥的快速性、靈活性等優(yōu)點(diǎn)與液壓傳動(dòng)力量大的結(jié)合起來，能連續(xù)地、按比例地控制液壓系統(tǒng)中執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)的力、速度和方向，簡化了系統(tǒng)，減少了元件的使用量，并能防止壓力或速度變換時(shí)的沖擊現(xiàn)象。比例閥主要用在沒有反饋的回路中，對(duì)有些場合，如進(jìn)行位置控制或需要提高系統(tǒng)的性能是，電液比例閥也可作為信號(hào)轉(zhuǎn)換與放大元件組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。
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