【摘要】： 傳統(tǒng)流體控制閥大量使用電磁鐵作為電一機(jī)械轉(zhuǎn)換級(jí),將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械的位移,推動(dòng)閥芯,實(shí)現(xiàn)通路的開關(guān)、切換或輸出壓力、流量的控制。電磁閥有價(jià)格低廉,操作使用方便等優(yōu)點(diǎn),但其存在體積大、功耗大、響應(yīng)速度慢、發(fā)熱和受電磁干擾等缺點(diǎn),在嚴(yán)格要求輸出小流量的場(chǎng)合;需要快速響應(yīng)的場(chǎng)合;對(duì)功耗、體積、抗干擾能力、安全性和可靠性有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合應(yīng)用受到了限制。 針對(duì)電磁鐵作為閥驅(qū)動(dòng)器的不足,本論文以新型的閥芯驅(qū)動(dòng)裝置—積層式壓電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)杠桿式柔性鉸鏈作為研究對(duì)象。積層式壓電驅(qū)動(dòng)器有不需傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、位移控制精確、響應(yīng)速度快、無機(jī)械吻合間隙、有較大的力輸出和器件幾乎無功耗的優(yōu)點(diǎn)。提出利用積層式壓電驅(qū)動(dòng)器為動(dòng)力源,運(yùn)用杠桿放大原理對(duì)積層式壓電驅(qū)動(dòng)器的位移進(jìn)行放大,由此構(gòu)造出壓電型氣動(dòng)伺服閥,并從理論與仿真兩方面進(jìn)行深入研究。 論文主要內(nèi)容如下: 第一章,概括本論文研究背景;分析了傳統(tǒng)閥的應(yīng)用限制;綜述了新型智能材料及其驅(qū)動(dòng)器在閥控制中的優(yōu)點(diǎn)及運(yùn)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?jī)?nèi)容。 第二章,介紹壓電材料的基本物理性質(zhì)及其中重要的性能參數(shù)。對(duì)壓電材料電機(jī)轉(zhuǎn)換機(jī)理進(jìn)行了論述,闡明了壓電驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)理論問題,為下一步積層式壓電驅(qū)動(dòng)器的建模分析提供理論上的指導(dǎo)。 第三章,通過理論分析,得出積層式壓電驅(qū)動(dòng)器的傳遞函數(shù)模型;建立了積層式壓電驅(qū)動(dòng)器多層壓電結(jié)構(gòu)的有限元模型,得到靜、動(dòng)態(tài)工作的分析結(jié)果;理論分析的結(jié)果表明,積層式壓電驅(qū)動(dòng)器具有較大的輸出位移與輸出力以及具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。 第四章,在總結(jié)現(xiàn)有的柔性鉸鏈及微位移放大機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上,提出了單軸柔性鉸鏈的設(shè)計(jì)方法,對(duì)杠桿式微位移放大原理進(jìn)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(jī)構(gòu)的放大倍數(shù)、輸入剛度及輸出剛度,分析了典型結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)放大機(jī)構(gòu)性能的影響,并與理論結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析,得到了微位移放大機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能的影響關(guān)系。 第五章,利用杠桿式微位移放大機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了閥芯運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),建立了閥芯運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)模型,研究分析了靜、動(dòng)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(jié)果表明,由PSt150/7/80型積層式壓電驅(qū)動(dòng)器結(jié)合彈性回復(fù)板驅(qū)動(dòng)的杠桿式閥芯運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的閥芯位移達(dá)到202μm。 第六章,采用PSt150/7/80型積層式壓電驅(qū)動(dòng)器配合杠桿式位移放大機(jī)構(gòu)形成一種杠桿放大直動(dòng)式壓電伺服閥。該閥采用閥芯內(nèi)置的結(jié)構(gòu)方式,利用單疊堆實(shí)現(xiàn)閥芯的雙向運(yùn)動(dòng);采用鋼球連接減小了閥芯所受的徑向力;采用楔塊式調(diào)中機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了閥芯位移的精細(xì)調(diào)整,改善了閥芯的對(duì)中精度;采用螺旋副預(yù)緊力調(diào)整裝置,可以對(duì)閥芯運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)施加可調(diào)的預(yù)緊力。用AMEsim軟件對(duì)杠桿放大直動(dòng)式壓電伺服閥模型仿真,仿真結(jié)果表明,該閥閥芯位移達(dá)到202μm,在7bar壓力下的最大質(zhì)量流量為6.07g/s,系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間為8ms。 針對(duì)新型壓電氣動(dòng)閥的設(shè)計(jì)創(chuàng)新性地提出一種新的驅(qū)動(dòng)裝置,并在該驅(qū)動(dòng)裝置中分析采用最簡(jiǎn)單的放大機(jī)構(gòu),運(yùn)用AMESim軟件中的HCD模塊搭建壓電氣動(dòng)伺服閥的仿真模型并對(duì)該氣動(dòng)閥的基本靜、動(dòng)態(tài)性能仿真。 在以后的研究中可做進(jìn)一步的工作:對(duì)壓電直動(dòng)式氣動(dòng)伺服閥進(jìn)行精確的流體學(xué)、動(dòng)力學(xué)以及熱力學(xué)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(shè)計(jì)性能更好的壓電驅(qū)動(dòng)器,減小壓電驅(qū)動(dòng)器的的等效電容來可以進(jìn)一步提高壓電氣動(dòng)伺服閥的響應(yīng)速度;增大壓電驅(qū)動(dòng)器的輸出位移和驅(qū)動(dòng)力使得壓電氣閥獲得更大的輸出流量。
【圖文】：

切應(yīng)變使極化方向偏轉(zhuǎn)示意圈

制備過程主要有:粉體的準(zhǔn)備、漿料的配制、流延成膜、沖片、內(nèi)電極印刷、疊片、膜片和內(nèi)電極一體化、器件的切割、排塑、燒結(jié)、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(guó)‘、\場(chǎng)、、些白壕體了熙科內(nèi)部電極外部電極口洲“圖內(nèi)電極印刷貼外電極與極化圖3.1積層式壓電驅(qū)動(dòng)器制備過程示意圖圖3.2積層式壓電驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)原理積層式壓電驅(qū)動(dòng)器與電磁式驅(qū)動(dòng)器相比較，具有的優(yōu)點(diǎn)為:①具有良好的響應(yīng)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(diǎn);②與雙晶片型壓電驅(qū)動(dòng)器相比較，，積層式壓電驅(qū)動(dòng)器的能量轉(zhuǎn)換效率高、電源功耗低、輸出力大、響應(yīng)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(qū)動(dòng)器相比，積層式壓電驅(qū)動(dòng)器的體積小，驅(qū)動(dòng)電壓低，應(yīng)用簡(jiǎn)便且成本低。積層式壓電驅(qū)動(dòng)器具有的這些優(yōu)點(diǎn)是與其結(jié)構(gòu)分不開的，下面對(duì)其進(jìn)行原理性的說明分析。積層式壓電驅(qū)動(dòng)器是由多片壓電陶瓷組成
【學(xué)位授予單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2009
【分類號(hào)】：TH138.5

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2674631