氣動(dòng)高速開關(guān)閥關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、氣動(dòng)高速開關(guān)閥因其體積小、成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗污染能力強(qiáng)、功率質(zhì)量比大、切換迅速等優(yōu)點(diǎn)，在微電子、醫(yī)藥產(chǎn)品粘結(jié)、包裝裝配及農(nóng)產(chǎn)品色選系統(tǒng)等工業(yè)領(lǐng)域中獲得，了廣泛的應(yīng)用，并成為當(dāng)今氣動(dòng)技術(shù)研究和發(fā)展的重要方向之一．同時(shí)，伴隨數(shù)字集成電路技術(shù)的發(fā)展，氣動(dòng)高速開關(guān)閥在工業(yè)自動(dòng)化中正逐步取代價(jià)格高昂的氣動(dòng)比例伺服閥，應(yīng)用領(lǐng)域由傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單開環(huán)控制系統(tǒng)向伺服控制系統(tǒng)中拓展，用于實(shí)現(xiàn)低成本的力、位移、速度伺服控制。掌握高速開關(guān)閥所涉及的系列關(guān)鍵技術(shù)，

2、研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的氣動(dòng)高速開關(guān)閥將有助于更好地滿足日益提高的市場(chǎng)需求，進(jìn)而推動(dòng)我國(guó)在氣動(dòng)元件領(lǐng)域研究的發(fā)展，為氣動(dòng)自動(dòng)化和氣動(dòng)伺服控制技術(shù)的發(fā)展更好地服務(wù)，
　　 本文以氣動(dòng)高速開關(guān)閥關(guān)鍵技術(shù)為研究對(duì)象，采用理論分析、解析計(jì)算、數(shù)值仿真和試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，對(duì)開關(guān)閻所涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)、深入的研究，通過(guò)磁路分析和磁場(chǎng)有限元仿真，分別闡述了電磁鐵結(jié)構(gòu)及外部控制參數(shù)的作用機(jī)理．通過(guò)采用縮小銜鐵質(zhì)量的策略，在傳統(tǒng)E型電磁鐵

3、基礎(chǔ)上，提出了￡型電磁鐵新結(jié)構(gòu)，仿真與試驗(yàn)結(jié)果表明，￡型電磁鐵在高速開關(guān)閥典型氣隙長(zhǎng)度范圍內(nèi)電磁力輸出能力基本不變(40-60N)，而在各種工況下電磁鐵的開啟速度均有超過(guò)10％的性能提升．采用其設(shè)計(jì)的開關(guān)閥開關(guān)延時(shí)時(shí)間分別為0.Sins和0.8ms，氣源壓力為表壓5Bar時(shí)流量最高可達(dá)70L/min．在此基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步縮小電磁鐵結(jié)構(gòu)尺寸以滿足工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用中對(duì)開關(guān)閥結(jié)構(gòu)緊湊性的要求，設(shè)計(jì)了輸出能力在20～30N，結(jié)構(gòu)尺寸為24mm*1

4、2mm*3mm的C型緊湊型電磁鐵結(jié)構(gòu)．試驗(yàn)結(jié)果表明采用其設(shè)計(jì)的開關(guān)閥開關(guān)延時(shí)時(shí)間分別為0.Sms和0.Sms，氣源壓力為表壓4Bar時(shí)流量在45L/rain左右。最后將所設(shè)計(jì)開發(fā)高速開關(guān)閥成功應(yīng)用于簡(jiǎn)易光學(xué)色選系統(tǒng)，對(duì)開關(guān)閥的分選能力進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。現(xiàn)將各章內(nèi)容分述如下：
　　 第一章主要探討了電液、氣動(dòng)高速開關(guān)閥用電磁鐵關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展，分析總結(jié)了氣動(dòng)高速開關(guān)閥在結(jié)構(gòu)特征、工作狀態(tài)及應(yīng)用需求方面所獨(dú)有的特點(diǎn)及其發(fā)展趨勢(shì)；介紹

5、了開關(guān)閥驅(qū)動(dòng)方案、開關(guān)閥伺服控制技術(shù)和光學(xué)色選設(shè)備、磁性材料等相關(guān)技術(shù)進(jìn)展；
　　 第二章從高速開關(guān)閥靜態(tài)流量特性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性、及其溫度特性與穩(wěn)定性、壽命特性等幾個(gè)方面出發(fā)，系統(tǒng)論述了氣動(dòng)高速開關(guān)閥的靜態(tài)性能、動(dòng)態(tài)性能及其影響因素，提出了相應(yīng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。闡述了磁性材料特性對(duì)開關(guān)電磁性能的影響，為電磁鐵材料選型提供了理論依據(jù)。最后，分別以E型、C型電磁鐵為電機(jī)械轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了兩種不同結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)高速開關(guān)閥；
　　 第三章在

6、考慮電磁鐵邊緣磁通和泄露磁通，以及磁性材料飽和特性的基礎(chǔ)上，建立了電磁鐵的磁路分析模型，得出了有關(guān)電磁鐵靜態(tài)力位移關(guān)系表達(dá)式，初步確定了兩種電磁鐵的結(jié)構(gòu)參數(shù)。建立了電磁鐵有限元數(shù)值分析模型，對(duì)比分析了有限元分析與磁路分析之間的結(jié)果；通過(guò)二維有限元仿真詳細(xì)闡述了各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)E型電磁鐵靜動(dòng)態(tài)特性的影響，通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化得到了新型￡型電磁鐵結(jié)構(gòu)，對(duì)比分析了電磁鐵優(yōu)化前后的靜、動(dòng)態(tài)特性；通過(guò)三維有限元仿真分析了各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)C型電磁鐵性能的影響，得到

7、了緊湊C型電磁鐵結(jié)構(gòu)及其參數(shù)。
　　 第四章針對(duì)有限元方法進(jìn)行多場(chǎng)耦合求解資源消耗大，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)的問題，分別建立了基于磁通變化和基于有限元-集總參數(shù)分析的開關(guān)閥動(dòng)態(tài)性能求解模型，以提高開關(guān)閥動(dòng)態(tài)特性求解效率。對(duì)比研究了不同計(jì)算方法下的開關(guān)閥動(dòng)態(tài)性能仿真結(jié)果，在綜合考慮求解速度與計(jì)算精度條件下，以有限元求解方法分析了各參數(shù)對(duì)E型電磁鐵開關(guān)閥動(dòng)態(tài)性能的影響，而以基于有限元．集總參數(shù)的混合模型分析了各參數(shù)對(duì)C型電磁鐵開關(guān)閥動(dòng)態(tài)性能的影

8、響，揭示了開關(guān)閥動(dòng)態(tài)性能變化規(guī)律。最后論述了通過(guò)檢測(cè)閥控腔動(dòng)態(tài)壓力變化對(duì)開關(guān)閥動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行檢測(cè)的可行性，提出了新型閥控腔動(dòng)態(tài)壓力特性測(cè)試系統(tǒng)。
　　 第五章介紹了開關(guān)閥電磁鐵力特性測(cè)試系統(tǒng)、電磁鐵動(dòng)態(tài)位移特性測(cè)試系統(tǒng)、基于檢測(cè)閥控腔動(dòng)態(tài)壓力特性獲取開關(guān)閥響應(yīng)時(shí)間及壽命特性的測(cè)試系統(tǒng)、勵(lì)磁線圈電流特性測(cè)試及開關(guān)閥流量與溫升特性測(cè)試系統(tǒng)?；诖罱ǖ臏y(cè)試系統(tǒng)，分別對(duì)所開發(fā)的兩種電磁鐵結(jié)構(gòu)開關(guān)閥的靜動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了試驗(yàn)分析，并將其與仿真結(jié)