【摘要】：壓鑄是一種先進(jìn)、高效的金屬精密成型技術(shù),廣泛應(yīng)用于機(jī)電裝備、汽車及航空航天零部件的制造中,傳統(tǒng)壓鑄機(jī)液壓系統(tǒng)以礦物油作工作介質(zhì),存在油液泄漏造成污染及高溫工作環(huán)境下易燃等典型問題。與之相比,由水液壓驅(qū)動(dòng)的壓鑄機(jī)具有綠色環(huán)保及安全的突出優(yōu)勢(shì)。壓射系統(tǒng)是決定壓鑄機(jī)性能好壞的關(guān)鍵部分,大流量水壓比例插裝閥是壓射系統(tǒng)的核心控制元件。壓鑄機(jī)的壓射過程具有持續(xù)時(shí)間短、壓射速度快及壓射壓力高等特點(diǎn),因此要求其核心控制元件具有大流量、快速響應(yīng)能力。而水介質(zhì)的汽化壓力高、潤(rùn)滑性差及粘度低等特點(diǎn),給大流量水壓比例插裝閥的研制及應(yīng)用帶來了極大的困難與挑戰(zhàn),主要表現(xiàn)在:1)如何提高大流量水壓比例插裝閥響應(yīng)速度。大流量水壓比例插裝閥的主閥通徑大導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)慣性大,先導(dǎo)級(jí)負(fù)載大,同時(shí)主閥控制腔體積大,降低了閥的響應(yīng)速度;2)如何提高大流量水壓比例插裝閥控制精度。水介質(zhì)汽化壓力高,閥口處極易產(chǎn)生空化,引起閥芯的振動(dòng)和氣蝕,此外通過閥口的大流量會(huì)使得閥芯受到的液動(dòng)力大,閥口空化與液動(dòng)力相互作用,非線性效應(yīng)強(qiáng),降低了閥控制精度。針對(duì)上述存在的技術(shù)困難,本文提出了一種音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)雙比例先導(dǎo)閥控制的大流量水壓比例插裝閥的新型結(jié)構(gòu),重點(diǎn)對(duì)空化作用下的閥口液動(dòng)力特性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,建立了大流量水壓比例插裝閥的數(shù)學(xué)模型,對(duì)影響閥的響應(yīng)速度與控制精度的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,并研制了樣機(jī),其主要研究?jī)?nèi)容如下:針對(duì)壓射系統(tǒng)快慢壓射時(shí)大小兩種不同流量要求的工況特點(diǎn),提出了一種雙比例先導(dǎo)閥控制的大流量水壓比例插裝閥的新型結(jié)構(gòu),并進(jìn)行了主閥及先導(dǎo)閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),建立了主閥及先導(dǎo)閥動(dòng)力學(xué)模型。先導(dǎo)閥采用了音圈電機(jī)加杠桿力放大形式的球閥結(jié)構(gòu),主閥采用通流能力強(qiáng)、響應(yīng)快的二通插裝閥結(jié)構(gòu),主閥口采用了可實(shí)現(xiàn)大小通流面積分段控制的非全周閥口。先導(dǎo)控制級(jí)為由2個(gè)先導(dǎo)閥所組成的液壓半橋,控制主閥芯下控制腔的壓力與流量,并配合所安裝的主閥芯復(fù)位彈簧來共同控制主閥芯的運(yùn)動(dòng),同時(shí)通過主級(jí)閥芯上的位移傳感器對(duì)主閥芯進(jìn)行位置閉環(huán)控制。對(duì)空化作用下的液動(dòng)力特性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。采用水介質(zhì)作為主相及蒸汽為第二相的汽液兩相流仿真計(jì)算模型,研究了幾種典型閥口形式對(duì)液動(dòng)力及空化的影響機(jī)理。基于仿真結(jié)果,提出了一種以大小雙U型閥口復(fù)合形成的非全周主閥口形式,并對(duì)大小雙U型閥口進(jìn)行階梯形式閥口設(shè)計(jì),以形成二級(jí)節(jié)流閥口,提高流場(chǎng)低壓區(qū)域壓力,抑制閥口空化的發(fā)生,同時(shí)還滿足了主閥口對(duì)大小通流面積分段控制的需求。在確定了雙U型主閥口結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,通過流場(chǎng)仿真研究了雙U型閥口結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)液動(dòng)力的影響,對(duì)閥口結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),液動(dòng)力減小了約10%�；诖罅髁克畨罕壤逖b閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理,建立了雙先導(dǎo)閥液壓半橋及主閥控制腔的非線性數(shù)學(xué)模型,并結(jié)合先導(dǎo)閥及主閥芯的動(dòng)力學(xué)方程,建立了大流量水壓比例插裝閥的仿真模型,深入分析研究了其先導(dǎo)級(jí)系統(tǒng)壓力、主閥芯控制腔直徑、主閥芯質(zhì)量及復(fù)位彈簧剛度對(duì)動(dòng)態(tài)性能的影響,獲得了其對(duì)動(dòng)態(tài)性能影響的規(guī)律,對(duì)先導(dǎo)級(jí)系統(tǒng)壓力及主閥芯控制腔直徑等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。經(jīng)優(yōu)化后的大流量水壓比例插裝閥的階躍響應(yīng)性能得到了較大的提升,其中最大超調(diào)量從15%減小到6%(減小了約60%),階躍響應(yīng)的調(diào)整時(shí)間從58ms減小到了48ms(響應(yīng)速度提高了約17.2%)。完成了大流量水壓比例插裝閥的樣機(jī)研制及試驗(yàn)研究,搭建了音圈電機(jī)推力特性試驗(yàn)臺(tái)、先導(dǎo)閥性能試驗(yàn)系統(tǒng)及整機(jī)性能試驗(yàn)系統(tǒng)。對(duì)音圈電機(jī)的推力線性輸出特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究,確定了音圈電機(jī)的最佳推力行程區(qū)間為4mm~15mm;先導(dǎo)閥及整閥樣機(jī)試驗(yàn)研究結(jié)果表明,先導(dǎo)閥與主閥開啟與關(guān)閉過程控制平穩(wěn)無震蕩,其中先導(dǎo)閥階躍響應(yīng)上升時(shí)間約為12~15ms,開啟時(shí)的調(diào)整時(shí)間約為30ms,關(guān)閉時(shí)的調(diào)整時(shí)間約為35ms。主閥芯位移具有良好的線性度與控制精度,主閥芯的位置控制精度在2%以內(nèi),低壓小流量工況時(shí)的(小于16MPa)主閥芯的階躍響應(yīng)調(diào)整時(shí)間約為60~80ms,高壓大流量工況時(shí)(大于16MPa)主閥芯的階躍響應(yīng)調(diào)整時(shí)間約為90~110ms。本文的研究成果可為大流量水壓比例插裝閥的研制提供理論指導(dǎo),同時(shí)為全水液壓驅(qū)動(dòng)壓鑄機(jī)的研制奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。此外本文的相關(guān)研究成果還可以進(jìn)一步應(yīng)用在鍛造機(jī)、鋼廠冶金機(jī)械、煤礦液壓支架等裝備上。
【圖文】：

2.主閥芯 3.閥套 4.閥蓋 5.位移傳感器 6.集成控制電路 7.壓力圖 1.1 Moog 的 DSHR 比例伺服插裝閥研發(fā)的 DSHR 系列二通伺服比例插裝閥的結(jié)構(gòu)如圖 1.1閥的主閥芯采用了對(duì)稱缸的結(jié)構(gòu)形式，并在主閥芯上開了腔的壓力平衡[54]。主閥芯在運(yùn)動(dòng)過程中，負(fù)載形式主要缸的結(jié)構(gòu)形式，其控制面積為環(huán)形臺(tái)階面，減小了控制速度。Moog 的 DSHR 系列比例伺服插裝閥有 NG40，，NG125，NG160 等六個(gè)規(guī)格，其先導(dǎo)閥可選 D661 系列的用 2 個(gè) D661 做先導(dǎo)級(jí)），其中 NG40，NG50 這兩個(gè)規(guī)閥，主閥芯的行程在 14mm~50mm 之間，0~100%輸入信（Δp=16MPa），額定流量為 850L/min~13350L/min（Δp=諸如壓鑄機(jī)壓射系統(tǒng)這類瞬時(shí)大流量液壓控制系統(tǒng)研制閥，也具有類似的結(jié)構(gòu)[55]。如圖 1.2 所示，該系列具到 NG125，額定流量為 700L/min~17000L/min（Δp=0.5M

圖 1.2 Parker 的 TDP 插裝式比例節(jié)流閥 圖 1.3Atos 二位通比例插裝tos 公司的 LIQZO 及 LIQZP 系列比例插裝閥的結(jié)構(gòu)如圖 1.3 所示，先導(dǎo)閥為動(dòng)閥，先導(dǎo)閥通過主插裝閥內(nèi)的控制腔來控制主級(jí)閥芯的運(yùn)動(dòng)，主級(jí)閥芯上安裝 位移傳感器，可以對(duì)主閥芯進(jìn)行位置閉環(huán)控制，其通徑規(guī)格有 NG16~NG100，為 250~7200L/min（Δp=0.5MPa），最大流量可達(dá) 16000L/min[56]。于以水作為工作介質(zhì)的大流量高頻響比例插裝閥，目前的研究及相關(guān)資料較知名的有德國(guó)的 Tiefenbach 公司及 Hauhinco 公司。如圖 1.4 所示，為 Tiefenb二通插裝水壓比例閥[57]，通徑規(guī)格從 DN25~DN100，最高控制壓力可達(dá) 32MP介質(zhì)為水，先導(dǎo)閥的結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)油閥所采用的三位四通滑閥的結(jié)構(gòu)，其采多個(gè) BLS1 系列的二通比例閥來協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)主閥芯的位置精確控制，額 400L/min~6000L/min（Δp=0.5MPa）。Hauhinco 公司也有類似的產(chǎn)品[58]，如圖產(chǎn)品規(guī)從DN25~DN100，最高控制壓力為50MPa，額定流量為250L/min~4000L/m0.5MPa），最大流量可達(dá) 18000L/min。為了解決水介質(zhì)低粘度所帶來的泄漏等auhinco 采用了與 Tiefenbach 公司相同的策略，采用了由多個(gè)二位二通水壓比例
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG233.1

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 李蘇銘;權(quán)龍;;插裝式比例節(jié)流閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響因素[J];液壓與氣動(dòng);2015年02期

2 姚靜;俞濱;李亞星;孔祥東;;一種插裝式比例節(jié)流閥主閥套通孔新結(jié)構(gòu)研究[J];中國(guó)機(jī)械工程;2014年04期

3 孔曉武;方錦輝;蒲增坤;;主動(dòng)式比例插裝閥與系統(tǒng)工況的匹配性設(shè)計(jì)[J];浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版);2014年01期

4 朱碧海;孟俊賢;姜維;賀小峰;劉銀水;;水液壓數(shù)字閥的電磁場(chǎng)數(shù)值研究[J];流體機(jī)械;2013年09期

5 李國(guó)琳;趙虎;權(quán)龍;張?chǎng)?;大流量插裝式比例節(jié)流閥的特性研究[J];液壓與氣動(dòng);2013年07期

6 朱碧海;孟俊賢;何偉;賀小峰;劉銀水;;水液壓數(shù)字比例閥實(shí)驗(yàn)研究[J];液壓與氣動(dòng);2013年05期

7 鄒劍佳;;壓鑄產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究[J];特種鑄造及有色合金;2012年12期

8 邱明杰;;重大技術(shù)裝備國(guó)產(chǎn)化挺直裝備工業(yè)的脊梁[J];通用機(jī)械;2012年01期

9 俞濱;孔祥東;李亞星;姚靜;劉莉華;;位移-電反饋型插裝式比例節(jié)流閥主閥流場(chǎng)數(shù)值模擬分析[J];機(jī)電工程;2011年11期

10 王超;;工程機(jī)械行業(yè)“十二五”發(fā)展機(jī)會(huì)及趨勢(shì)[J];工程建設(shè);2011年03期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前7條

1 劉蔚;大型工程機(jī)械液壓反饋比例插裝閥研究[D];浙江大學(xué);2015年

2 張華偉;高效節(jié)能的大型壓鑄機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究[D];華南理工大學(xué);2014年

3 方錦輝;大流量插裝式伺服閥的設(shè)計(jì)與控制方法研究[D];浙江大學(xué);2013年

4 朱旭;高速大流量電液配流系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論及應(yīng)用研究[D];浙江大學(xué);2012年

5 傅林堅(jiān);大流量高響應(yīng)電液比例閥的設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究[D];浙江大學(xué);2010年

6 杜學(xué)文;液壓閥口空化機(jī)理及對(duì)系統(tǒng)的影響[D];浙江大學(xué);2008年

7 冀宏;液壓閥芯節(jié)流槽氣穴噪聲特性的研究[D];浙江大學(xué);2004年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 馬艷姿;基于多目標(biāo)遺傳算法的插裝式比例節(jié)流閥動(dòng)靜態(tài)特性優(yōu)化研究[D];燕山大學(xué);2015年

2 劉海;基于壓力反饋的液壓節(jié)流空化抑制方法研究[D];華中科技大學(xué);2015年

3 謝明明;我國(guó)重型機(jī)械制造企業(yè)服務(wù)化決策模型研究[D];北京交通大學(xué);2015年

4 龍正;液壓節(jié)流閥內(nèi)部空化流動(dòng)特性的研究[D];中國(guó)礦業(yè)大學(xué);2014年

5 董萬(wàn)玉;基于PWM高速開關(guān)閥先導(dǎo)液壓橋路的比例閥性能研究[D];蘭州理工大學(xué);2014年

6 何偉;水液壓數(shù)字比例閥的研究[D];華中科技大學(xué);2012年

7 凌振飛;壓鑄件品質(zhì)在線控制系統(tǒng)[D];浙江大學(xué);2011年

8 李葳;壓鑄機(jī)實(shí)時(shí)壓射系統(tǒng)的仿真優(yōu)化及控制策略的研究[D];浙江大學(xué);2010年

9 姜維;海水液壓數(shù)字開關(guān)閥的研究[D];華中科技大學(xué);2009年

10 王揚(yáng)彬;液壓支架電磁閥數(shù)值仿真研究[D];浙江大學(xué);2008年

本文編號(hào)：2679592