【摘要】：閥作為液、氣壓系統(tǒng)中的重要元件，實(shí)現(xiàn)對流體壓力、流向和流量的控制，特別是微小型流體控制閥作為系統(tǒng)中不可或缺的流體控制部件，在需要精密流量輸出和控制的流體系統(tǒng)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，比如微流體輸送控制系統(tǒng)、微型液體燃料電池控制系統(tǒng)、微型噴射系統(tǒng)、微氣體壓縮系統(tǒng)等。與傳統(tǒng)常規(guī)控制閥相比微小型流體控制閥結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、工作效率高、穩(wěn)定性強(qiáng)，可以很好的提高流體系統(tǒng)的控制精度和動態(tài)特性。 壓電驅(qū)動器直接作用于流體系統(tǒng)即形成了流體的壓電驅(qū)動與控制。壓電驅(qū)動與控制技術(shù)在流體系統(tǒng)中的運(yùn)用具有很大的應(yīng)用潛力，近年來壓電驅(qū)動控制類流體設(shè)備逐步得到深入研究，壓電型微小流體控制閥成為了其中熱門研究方向。本文結(jié)合國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)課題和教育部高等學(xué)�？萍紕�(chuàng)新工程重大項(xiàng)目，圍繞壓電晶片主動控制截止閥展開研究工作。提出采用圓形壓電振子覆蓋硅膠薄膜設(shè)計(jì)制作截止閥，利用電信號控制時(shí)壓電振子一階模態(tài)下的變形對振子中心位置處的閥口開度進(jìn)行控制。通過理論建模、有限元仿真分析、精密加工設(shè)計(jì)、參數(shù)優(yōu)化、試驗(yàn)測試等方法進(jìn)行深入研究。 1.截止閥用壓電驅(qū)動器的作用機(jī)理和有限元分析 分析了閥用壓電晶片驅(qū)動器的作用機(jī)理和工作特性。對壓電振子進(jìn)行了有限元仿真分析和試驗(yàn)測試，仿真和試驗(yàn)測試結(jié)果表明：圓形壓電振子在驅(qū)動電壓作用下的一階模態(tài)變形呈現(xiàn)軸對稱分布；通過分析截止閥的工作原理和特點(diǎn)，得到圓形壓電振子符合截止閥用驅(qū)動器的要求，圓形壓電振子在一階諧振頻率內(nèi)的變形時(shí)突起的端部能夠密封和開啟閥口。 2.截止閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真研究 基于縫隙流動的流量和壓力損失理論對截止閥的流場進(jìn)行了有限元仿真模擬，結(jié)果表明：截止閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響閥的截止性能和流量�；诙嗄繕�(biāo)優(yōu)化的Pareto理論，以最小的受力面積和最大的流量作為優(yōu)化目標(biāo)，建立了多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)模型，在進(jìn)化算法基礎(chǔ)上，增加差分算法以提高優(yōu)化過程自適應(yīng)性，經(jīng)差分進(jìn)化算法優(yōu)化后得到一組Pareto最優(yōu)解。 3.截止閥在液體壓力下的試驗(yàn)研究 對截止閥用壓電振子進(jìn)行了固液耦合理論建模，理論表明截止閥用壓電振子在固液耦合作用時(shí)撓曲變形的剛度系數(shù)不變，阻力系數(shù)和質(zhì)量系數(shù)發(fā)生變化。經(jīng)水中試驗(yàn)測試，截止閥用壓電振子在固液耦合作用時(shí)變形特點(diǎn)依舊為軸對稱分布，且徑向截面變形呈現(xiàn)拋物線形。固液耦合作用時(shí)，，壓電振子的振幅有所減少，一階諧振頻率降低。搭建了液體壓力下的截止閥的試驗(yàn)研究平臺，對截止閥閥口位置處的振子位移直接進(jìn)行測試，進(jìn)而對理論流量實(shí)測流量進(jìn)行分析。試驗(yàn)得到截止閥在液體壓力下的輸出特性，研究結(jié)果表明：截止閥在閥口全開下實(shí)測流量略小于閥口開度下的計(jì)算流量；截止閥隨正向驅(qū)動電壓的增大流量迅速增大，反向施加驅(qū)動電壓時(shí)截止性能良好；截止閥的輸出可以很好的跟隨低頻方波信號的變化。在此平臺下對不同閥口半徑的截止閥進(jìn)行了對比試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：優(yōu)化結(jié)構(gòu)的截止閥的工作壓力區(qū)間大，流量特性和截止性能相對更好。 4.截止閥在氣體壓力下的試驗(yàn)研究 對壓電振子在液體壓力下和氣體壓力下以及空氣中的輸出特性進(jìn)行了對比分析，經(jīng)測試表明：在相同壓力的流體系統(tǒng)中，對壓電晶片主動控制截止閥施加一定電壓幅值時(shí)，在水壓下的閥口開度較小，而氣壓下的閥口開度基本不變。搭建了氣體壓力下截止閥的試驗(yàn)研究平臺，對閥口位置處振子的位移進(jìn)行了氣體壓力下的測量，同時(shí)采用排水法測量截止閥在氣體壓力下的工作流量。試驗(yàn)結(jié)果表明：截止閥在氣體壓力下流量控制性能良好。通過試驗(yàn)測試對比分析了不同閥口半徑閥的工作特性，結(jié)果表明：優(yōu)化結(jié)構(gòu)的截止閥的工作壓力區(qū)間大，且輸出性能和控制性能更好。 5.截止閥的控制系統(tǒng)分析和驅(qū)動電源的設(shè)計(jì) 分析了截止閥的控制特性，提出了開環(huán)控制和測試方案。測試控制系統(tǒng)需要具有滿足截止閥要求的驅(qū)動電源。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于直流變換器原理的開關(guān)式電路，研究開發(fā)了截止閥開環(huán)控制時(shí)的便攜式驅(qū)動電源，電源輸出功率比傳統(tǒng)的驅(qū)動電源高，且輸出電壓穩(wěn)定、頻率可調(diào)。 本文對壓電晶片主動控制截止閥深入研究表明：所設(shè)計(jì)的壓電晶片主動控制截止閥工作壓力范圍較大，截止性能良好，在工作壓力范圍內(nèi)幾乎無泄漏；閥的流量控制精度較高，并且尺寸較小、結(jié)構(gòu)簡單、控制方便，能夠很好地同流體系統(tǒng)匹配。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TH134

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2257547