数字式液压微阀箱的机电设计
文摘
数字液压阀系统是一种新型的液压控制阀总成，具有节能和提高阀控执行机构性能的潜力。典型的数字阀系统在四路阀配置中，每个控制边缘有4-6个并联连接在/关闭阀上，总共16-24个阀门。并联连接阀的流量根据两种不同的功率来设定，这样就可以实现N个阀门的2N流量。另一种方法是使用同样大小的阀门，这意味着N个平行连接的阀门只提供N 1个不同的流量。这种方法有几个好处，但是阀门的数量变得非常大。本文介绍了一种有128个小型阀门的阀门总成，它可以代替传统的CETOP3伺服或比例阀来安装。
精细的电磁优化和机电一体化设计与新型的制造方法和新型的电力电子产品相结合。该样机是建立和实验研究的，结果表明，在响应时间和容错性方面，这种数字阀系统的性能优于传统的四路控制阀。
关键词:数字液压;开/关阀;小型化
介绍
节流控制是控制液压执行机构最常用的方法。它是一种简单、低成本的解决方案，具有良好的控制性能。众所周知的缺点是能源效率低，特别是小或超负荷的负荷力。利用负载传感泵和/或分布式阀门可以提高能源效率。分布的阀门能够独立控制每个流径，减少损失，因为不必要的背压可以被最小化，因为再生连接可以用于过载负荷。两种最常见的分布式阀门解决方案如图1 (a)和(b)所示，典型的减少损失为30- 50%[1 - 3]。另一种减少损失的方法是放弃阀门控制，并为每一个执行器使用单独的泵或变压器。这些都是新机器的好替代品，但在现有的系统上不能很容易地改造。
现有的阀控液压系统的现代化，由于其应用的高、长寿命，具有很大的节能潜力。现代化的回报期必须是短的，而且只有通过显著减少能源消耗和提高生产力的结合才能实现。系统的修改也必须最小化。一个潜在的现代化选择是将现有的控制阀换成分布式的。潜在的好处是节能，提高了可控性和生产力。有两个分布式阀门解决方案可供商业使用。超电子管[4]是基于两个3/2比例的阀瓣式阀(图1 (a))，而Husco的解决方案[5]有四个双向插装阀(图1 (b))。两者都依赖传统的阀门技术，从而增加了昂贵和安全的比例阀的数量。
图1所示。分布式阀系统。版本(a)基于两种三通阀，版本(b)采用四种两种阀门，版本(c)是所谓的数字液压实现版本(b)。
本文研究了用一种改进型数字液压阀系统代替传统伺服或比例阀的可能性。DVS是一种特殊的分布式阀系统，其控制边缘由并联的/关闭阀实现[3]，如图1 (c)所示，DVS的优点是快速和振幅独立的响应、冗余和对油杂质的鲁棒性。缺点是空间需求大，控制复杂，价格可能更高。然而，纸机应用的实际结果是令人鼓舞的，特别是在性能、能源效率和可靠性方面[6]。DVS的大物理尺寸极大地抑制了其改造，本文提出了一种新型的全DVS的机电设计，包括电力电子。其目的是使标准CETOP3伺服和比例阀的一对一替换成为可能。这是由“数字微水力学”方法[7]、并行机械、液压和电磁、新制造方法和新型电力电子实现的。数字微水力学的主要思想是只使用一种阀门的尺寸，这在流量密度、响应时间和容错能力方面是最优的，但在这种情况下，需要更多的阀门。设计的最终结果部分记录在[8-10]中。本文描述了一个完整的设计过程，即乌托邦梦想如何成为一个工作原型。
概念设计
bull;CETOP3标准接口
ISO4401-03标准决定了所谓的CETOP3阀门的移植模式。除了流量路径和安装螺栓的位置外，标准确定阀门的最大宽度为50毫米。它不确定阀门的长度或高度，但典型尺寸如表1所示。该表还显示了典型的性能值。
表1.两个CETOP3伺服阀的特性
|
Bosch Rexroth 4WRPDH6 [11] |
Moog D636 [12] |
|
|
size [mm] |
48 x 203 x 161 |
49 x 259 x 147 |
|
Flow rate at p = 3.5 MPa [l/min] |
40 |
40 |
|
Maximum pressure [MPa] |
31.5 |
35 |
|
Mass [kg] |
3.2 |
2.5 |
|
Step response 0-100 % [ms] |
10 |
8 |
|
Step response 0-25 % [ms] |
n/a |
3 |
|
Electric power consumption [W] |
40 |
29 |
bull;新DVS的目标值
新DVS的最大宽度为50毫米，但长度或高度没有严格限制。参照表1，长度和高度分别不应超过260毫米和160毫米。目标价值的流量是40 l / minp = 3.5 MPa和最大压力应该32 MPa为了覆盖大多数的应用程序。为了与最好的伺服阀竞争，需要2毫秒的响应时间。早期的研究表明，带有4x5阀门的二进制编码DVS已经具备良好的可控性[3]。5位控制边的理论分辨率为1:31，目标设置为32个同样大小的阀门，每个控制边缘总计128个阀门。每个阀的流量是1.25 l / minp = 3.5 MPa给孔大小相当于0.65毫米。因此，设计问题是在50x260 x160毫米立方体内安装4x32阀门、流道、CETOP3接口和电力电子设备。解决方案必须低成本，适合大规模生产。很明显，问题是具有挑战性的，需要非常谨慎的并发设计。
bull;基本布局
阀门的理论最大容积为16.25 cm3，因为阀门外壳的最大尺寸为260 x 160 x 50毫米，它有128个阀门。阀门的实际体积要小得多，因为需要的空间还包括流动通道、电力电子设备以及阀门和阀箱的紧固。第一个观察是，流形是对称的，它足够设计64个阀门的一半。第二个事实是，CETOP3流形的流量路径连接和安装螺栓的位置使其很难利用阀汇的中心部分。因此，实际上有两个相同的105x160x50毫米的阀门。如果阀门的形状是假定的圆柱体，就有可能描绘出不同的设计。简单的假设是，每个阀门都有集成的电力电子产品在顶部和流动通道底部。集成电力电子的高度假定为13毫米，这是由典型电容器和电路板的高度造成的。这两个可能的设计如图2所示。该版本(a)安装在歧管的一侧，阀门的数量为35 /流边。由此产生的阀门通径是oslash;15毫米x 27毫米或4.7 cm3per阀门。版本(b)在顶部和底部安装了阀门。解决方案有32每流边缘,阀门通径阀门oslash;12.5毫米x 62毫米或7.6立方厘米。这种设计的缺点是，这种阀门不实际地很薄。然而，如果阀门的体积假设为4.7 cm3，与之前的设计一样，所产生的阀门通径为12.5毫米x37毫米。另外，如果阀门更低，流道就会变得更低，并且有更多的空间用于流动路径和电力电子。
实际的设计过程并不如上面所述的那样符合逻辑，但第一步是简单地设计一个直径为10毫米的阀门，并研究其特性[9]。后来发现，这种阀门的尺寸确实接近最佳的CETOP3接口和第二个设计，而后者的原型设计考虑了多种因素。
图2。在阀箱上安装阀门的两种可能的布局。只有一半的流形显示出来。
阀设计
bull;基本布局
所选阀门类型的基本结构如图3所示。该流形用作磁路的一部分。阀门结构没有什么特殊之处，但设计上的限制使问题变得具有挑战性。设计约束:
bull;阀门的外径为11毫米，在阀门之间留有空隙。
bull;孔板的直径为0.7 mm，以保证流量的安全裕度。
bull;阀门必须承受32 MPa的内部压力。
bull;阀门必须开启，有32 MPa压差。
bull;不允许有外部泄漏。
其他目标值为:
bull;响应时间2 ms
bull;在最大压差下使用1000万冲程。
bull;简单和低成本的设计
bull;没有内部泄漏
阀门应该相反的流向10 MPa压差。这是为了实现节能差异连接所需要的。
0.7 mm孔口直径和32 MPa最大压差提供了12.3的最大压力。
他的弹簧力必须至少为3.9级，才能使阀门保持关闭，并有10个不同的反向压差。考虑到一些流部队,阀门执行机构的结论是,应该能够产生大约20 n .最初的CFD计算表明,合适的针角可以45和相应的针抬起约0.35毫米[10]。
图3.阀门的原理图。
bull;电磁设计
正确的电磁设计是快速驱动和足够的螺线管力的关键。准确的电磁建模需要对电磁学、技术人员和软件的深入理解，从而使电磁设计在Tampere技术大学的电磁学部门进行。该模型能准确预测致动器力、开启瞬态、峰值电流和功耗[13]。由于磁性和液压粘滞效应的影响，目前的控制电流和闭合响应更加难以预测。电磁模型需要轴向外力作用于针上。这包括惯性、弹簧、压力、摩擦力和流动力。从CFD计算得到静力流力，排除了动力流动力。关键的关系是[13]:
bull;线圈电流密度与(do -di)成正比，di是线圈的外和内径。
最重要的设计参数是针直径。如果它太小，磁饱和限制了执行机构的力，而阀门根本没有打开。如果直径太大，螺线管就会变细，而电流密度可能会过高。通过增加螺线管的高度可以降低电流密度，但这增加了阀门的封装尺寸。针的直径也迅速增加了针的质量，从而减慢了反应时间，降低了耐久性。在模拟中，针形材料被假定为纯铁，这给了很大的力，但在以后讨论的时候，它是有问题的材料。计算结果表明，在磁饱和点处，直径为4.8 mm的针直径为18n和5.2 mm的针直径[13]。即使是更高的力，也可能有更大的电流，但是力的梯度是小于饱和点的。选择直径为4.9 mm的针直径，在饱和点达到20 N的力。
bull;电磁设计
为了最大限度地提高螺线管的尺寸而不增加其外径，减小其内径是很重要的。如果使用传统的设计，电磁管必须承受32 MPa的内部压力，并且需要相对较厚的管。通过用环氧树脂加强螺线管，可以减少问题的发生。真空和低粘树脂用于填充环氧树脂后的紧密损伤线圈。壁厚为0.5 mm，可制造性，内径为6 mm。所选材料为玻璃纤维填充聚丙烯(pomc - c)。塑料的选择是为了使一个经济的制造通过注射成型和防止短路的线圈电线。性能优良的聚缩醛是可加工性、耐磨性、高强度、高刚度的。用环氧树脂填充气隙是必须的，以达到足够的抗轴压刚度，并使线圈的使用成为压力容器。线圈的高度为16毫米，测量的外径为9.4 mm，因此线圈的横截面面积为27。
平方毫米。匝数为288，设计峰值电流为4.5 A，电流密度为48 A/mm2。
bull;针设计
电磁设计是详细的针设计的基础。纯铁用于电磁设计，这是针材的起点。纯铁是软的，它的耐久性只有几千个周期[10]。可能的解决方案是硬化、涂层、双材料或其他材料。硼化是一种可能的涂层方法，但它被认为过于昂贵[10]。这就是为什么选择针材为钴铁，具有良好的磁性和耐久性。唯一的缺点是价格很高，这部分是由小尺寸的针头所补偿的。
针刺对阀门的关闭延时有明显的影响，如果按照图3来实现，则关闭延迟时间为8毫秒。当针头与阀体接触时，针头会出现在针的顶部。这种粘附相对容易，避免使用稍微圆锥形的针，而不是平面的，如图4所示。这种修正对保持电流有很小的负面影响，但对于正确的阀门操作是必不可少的。更严重的粘滞现象发生在磁路的较低部分由于侧力。侧向力很大，如果磁针和磁路之间的间隙能够完全闭合。如图4所示，如果引入额外的间隙，则可以减少问题。这增加了磁阻，从而达到峰值和保持电流。幸运的是，磁路的横截面积在这一点上更大，从而减少了问题。
图4.坚持现象和减少它们的方法。
bull;磁路、密封和阀座。
磁路的上半部分也是由钴铁制造的，它有外螺纹将阀门固定到流形上。线圈和上半部分之间的密封是通过粘合部件实现的。下部包括流入流道和o形环，防止外泄。该阀座部件具有平滑的拓宽出口通道，根据CFD计算[10]，增加了10% - 15%的流量。部件如图5所示。
图5.部分阀门。
bull;实验结果
单独的阀门原型采用不同的进气和出口压力进行测量，开启延迟为1.4-2.3 ms，这取决于压差。关闭延迟为3.4 ms, MPa压差为1 MPa，在21 MPa压差下缩短到2.0 ms。延迟是由压力决定的。原型阀的流量为1.4 l/min @ 3.5 MPa压差。
歧管设计
下一个设计难题是如何将阀门集成到流形上。该流形的主要功能是:
N.实现CETOP3标准接口
O.在阀门之间实现足够宽的流动通道。
1.有压力
2.防止内部和外部的泄漏。
3.所示。将阀部分径向
4.所示。关闭阀门上下部分之间的磁路。
流形设计是基于第二章和图2 (b)的分析，传统的制造方法会产生长钻，大量的插头和相对狭窄的流道，因此需
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[467293]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
