【摘要】： 傳統(tǒng)流體控制閥大量使用電磁鐵作為電一機械轉換級,將控制信號轉換為機械的位移,推動閥芯,實現(xiàn)通路的開關、切換或輸出壓力、流量的控制。電磁閥有價格低廉,操作使用方便等優(yōu)點,但其存在體積大、功耗大、響應速度慢、發(fā)熱和受電磁干擾等缺點,在嚴格要求輸出小流量的場合;需要快速響應的場合;對功耗、體積、抗干擾能力、安全性和可靠性有嚴格要求的場合應用受到了限制。 針對電磁鐵作為閥驅動器的不足,本論文以新型的閥芯驅動裝置—積層式壓電驅動器驅動杠桿式柔性鉸鏈作為研究對象。積層式壓電驅動器有不需傳動機構、位移控制精確、響應速度快、無機械吻合間隙、有較大的力輸出和器件幾乎無功耗的優(yōu)點。提出利用積層式壓電驅動器為動力源,運用杠桿放大原理對積層式壓電驅動器的位移進行放大,由此構造出壓電型氣動伺服閥,并從理論與仿真兩方面進行深入研究。 論文主要內容如下: 第一章,概括本論文研究背景;分析了傳統(tǒng)閥的應用限制;綜述了新型智能材料及其驅動器在閥控制中的優(yōu)點及運用;概述了壓電閥的研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向;概述了本論文主要研究內容。 第二章,介紹壓電材料的基本物理性質及其中重要的性能參數(shù)。對壓電材料電機轉換機理進行了論述,闡明了壓電驅動的基礎理論問題,為下一步積層式壓電驅動器的建模分析提供理論上的指導。 第三章,通過理論分析,得出積層式壓電驅動器的傳遞函數(shù)模型;建立了積層式壓電驅動器多層壓電結構的有限元模型,得到靜、動態(tài)工作的分析結果;理論分析的結果表明,積層式壓電驅動器具有較大的輸出位移與輸出力以及具有良好的動態(tài)響應特性。 第四章,在總結現(xiàn)有的柔性鉸鏈及微位移放大機構的基礎上,提出了單軸柔性鉸鏈的設計方法,對杠桿式微位移放大原理進行了深入的研究分析。利用有限元方法分析了微位移放大機構的放大倍數(shù)、輸入剛度及輸出剛度,分析了典型結構參數(shù)對放大機構性能的影響,并與理論結果進行了對比分析,得到了微位移放大機構的結構參數(shù)與性能的影響關系。 第五章,利用杠桿式微位移放大機構設計了閥芯運動機構,建立了閥芯運動的系統(tǒng)模型,研究分析了靜、動態(tài)性能,找出影響性能的主要因素及影響規(guī)律,得到了閥芯位移與一階固有頻率。有限元分析結果表明,由PSt150/7/80型積層式壓電驅動器結合彈性回復板驅動的杠桿式閥芯運動機構的閥芯位移達到202μm。 第六章,采用PSt150/7/80型積層式壓電驅動器配合杠桿式位移放大機構形成一種杠桿放大直動式壓電伺服閥。該閥采用閥芯內置的結構方式,利用單疊堆實現(xiàn)閥芯的雙向運動;采用鋼球連接減小了閥芯所受的徑向力;采用楔塊式調中機構實現(xiàn)了閥芯位移的精細調整,改善了閥芯的對中精度;采用螺旋副預緊力調整裝置,可以對閥芯運動機構施加可調的預緊力。用AMEsim軟件對杠桿放大直動式壓電伺服閥模型仿真,仿真結果表明,該閥閥芯位移達到202μm,在7bar壓力下的最大質量流量為6.07g/s,系統(tǒng)的響應時間為8ms。 針對新型壓電氣動閥的設計創(chuàng)新性地提出一種新的驅動裝置,并在該驅動裝置中分析采用最簡單的放大機構,運用AMESim軟件中的HCD模塊搭建壓電氣動伺服閥的仿真模型并對該氣動閥的基本靜、動態(tài)性能仿真。 在以后的研究中可做進一步的工作:對壓電直動式氣動伺服閥進行精確的流體學、動力學以及熱力學建模,并采用合適的控制方法,以提高其工作的穩(wěn)定性和可靠性;選擇或設計性能更好的壓電驅動器,減小壓電驅動器的的等效電容來可以進一步提高壓電氣動伺服閥的響應速度;增大壓電驅動器的輸出位移和驅動力使得壓電氣閥獲得更大的輸出流量。
【圖文】：

切應變使極化方向偏轉示意圈

制備過程主要有:粉體的準備、漿料的配制、流延成膜、沖片、內電極印刷、疊片、膜片和內電極一體化、器件的切割、排塑、燒結、上外電極、器件的加工、塑封、極化等。圖3.1為制備過程示意圖〔59〕槳料;叼!兌粉末卜勻八遭瞼廠翻國‘、\場、、些白壕體了熙科內部電極外部電極口洲“圖內電極印刷貼外電極與極化圖3.1積層式壓電驅動器制備過程示意圖圖3.2積層式壓電驅動器結構原理積層式壓電驅動器與電磁式驅動器相比較，具有的優(yōu)點為:①具有良好的響應特性、較高的定位分辨率、電源功耗低，以及不產(chǎn)生電磁噪聲等特點;②與雙晶片型壓電驅動器相比較，，積層式壓電驅動器的能量轉換效率高、電源功耗低、輸出力大、響應速度快和輸出位移穩(wěn)定，能夠減少蠕變現(xiàn)象;③與堆積型壓電驅動器相比，積層式壓電驅動器的體積小，驅動電壓低，應用簡便且成本低。積層式壓電驅動器具有的這些優(yōu)點是與其結構分不開的，下面對其進行原理性的說明分析。積層式壓電驅動器是由多片壓電陶瓷組成
【學位授予單位】：蘭州理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2009
【分類號】：TH138.5

【參考文獻】

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本文編號：2674631