水液壓旋轉(zhuǎn)式伺服閥研究.pdf

1、液壓傳動具有功率密度大、輸出力/力矩大、調(diào)速方便、工作平穩(wěn)、沖擊小、快速啟動/制動/換向、過載保護等優(yōu)點,在仿生機器人領(lǐng)域越來越受到重視。然而,由于油液存在污染、易燃、易爆、廢液處理成本高等一系列嚴重問題,使得油壓驅(qū)動的仿生機器人的安全性受到質(zhì)疑,工作環(huán)境受到制約。水壓驅(qū)動是以純水作為工作介質(zhì)來實現(xiàn)能量傳遞和控制的驅(qū)動方式,它具有油壓驅(qū)動的一切優(yōu)點,同時克服了油壓驅(qū)動的缺陷,能大幅提高仿生機器人的性能。
　　液壓伺服閥是仿生機器人

2、的關(guān)鍵部件,控制著其執(zhí)行機構(gòu)的位置及速度。本研究針對仿生機器人和水下機械手,提出研發(fā)一微型直流電機直接驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)式水壓伺服閥。該閥以純水(包括自來水和海水)代替礦物油作為工作介質(zhì)解決了礦物油所帶來的污染、易燃、易爆、工作場所骯臟等缺點,同時提高了仿生機器人的性能如:響應(yīng)速度、效率、控制精度等。在運動方式上,該閥采用旋轉(zhuǎn)的運動方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的滑動,解決了滑動式的伺服閥對污染敏感、易于卡死等問題,且閥芯及閥口均采用軸對稱布置,閥芯上下端都與水

3、箱相通,減小徑向和軸向不平衡力(理論值為零),達到降低所需驅(qū)動功率目的,這些與傳統(tǒng)液壓控制閥完全不同的。采用微型直流電機可以實現(xiàn)PWM控制,提高了控制的精度、穩(wěn)定性等。
　　本文主要的研究任務(wù)是:課題來源于山東省自然科學(xué)基金項目,主要研究目的是為水下機器人和機械手研發(fā)一微型直流電機直接驅(qū)動的水壓旋轉(zhuǎn)式伺服閥,主要工作包括以下內(nèi)容:
　　1)研究了純水液壓技術(shù)的特點、應(yīng)用及研究現(xiàn)狀,闡述了研制水液壓元件存在的技術(shù)難題和關(guān)鍵技術(shù)

4、,特別是材料選擇的原則不同于油壓元件的設(shè)計制造。滑動式伺服閥存在諸多缺陷,因此需要研發(fā)新型的旋轉(zhuǎn)式水壓伺服閥來解決這些問題。
　　2)研發(fā)出旋轉(zhuǎn)式水壓三位四通伺服閥,本文對其結(jié)構(gòu)設(shè)計、工作原理以及性能特點做了充分的描述。該閥采用微型直流電機直接控制閥芯的旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)的角度范圍是53°(由端蓋出的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計嚴格控制),閥芯旋轉(zhuǎn)角度的不同控制著閥空的大小以及流向,從而控制流量流速,達到控制驅(qū)動器的目的。采用微型直流電機直接驅(qū)動伺服閥,

5、可以實現(xiàn)PWM控制,提高了控制的精度、穩(wěn)定性。
　　3)研究了旋轉(zhuǎn)式水壓伺服閥的靜動態(tài)特性,包括流量與壓力特性、流動特性、壓力特性、泄露特性及動態(tài)特性。非線性特性比如滯后現(xiàn)象以及死區(qū),在閥的特征中都有存在。壓力動態(tài)顯示出了有時短暫的壓降現(xiàn)象,這說明了內(nèi)部泄漏和電源的局限性的因素。線性參數(shù)如流量增益和壓力增益也都是估計的值。動態(tài)試驗研究的階躍響應(yīng)顯示了,應(yīng)用一個簡單的PID控制器在10毫秒時就能達到閥門全開的狀態(tài)。此外,閥在一個2H

6、z正弦波確定閥芯位置的操作上表現(xiàn)出很好的參考跟蹤性能。
　　4)對旋轉(zhuǎn)式水壓電液伺服閥進行數(shù)學(xué)建模,根據(jù)旋轉(zhuǎn)式電液伺服閥的結(jié)構(gòu)及工作原理,建立數(shù)學(xué)模型,將該閥中的直流電機、變速器和閥芯都進行了數(shù)學(xué)模型建立,并分析了阻力矩的組成和影響因素,確定了該閥控制的系統(tǒng)方程和傳遞函數(shù)根據(jù)數(shù)學(xué)模型和傳遞函數(shù)進行系統(tǒng)穩(wěn)定性分析,為系統(tǒng)仿真研究提供理論基礎(chǔ)。
　　5)研究了旋轉(zhuǎn)式水壓伺服閥的流場特性,包括對流量壓力特性、液動力矩特性以及射流角