英语原文共 12 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
液压放大器设计及其基于磁致伸缩致动器的
直接驱动阀上的应用
Zhaoshu Yanglowast;, Zhongbo He, Dongwei Li, Guangming Xue, Xu Cui
石家庄机械工程学院汽车电气工程系，石家庄050003
关键词：超磁致伸缩材料 液压放大器 直接驱动阀 有限元方法 CFD
摘要：本文设计了一种基于超磁致伸缩材料的新型直驱阀。与传统的伺服阀相比，频率响应在相对大的流量下得到改善。在设计的阀门上应用具有柔性活塞的液压放大器；其结构通过弹性力学理论，有限元法和CFD法优化。该阀在AMESim中建模，并且生产原型。通过仿真和实验，设计阀门的带宽高于100Hz，流量达到30L/ min。
copy;2014 Elsevier B.V.保留所有权利。
1、介绍
电液控制系统具有宽带宽，大负载，高能量密度的优点，在现代航空工业和车辆工业中引起了广泛关注。电液伺服阀（EHSV）被认为是电气和液压系统之间的桥梁，是整个系统的关键部分。另一方面，EHSV的可靠性也受到怀疑，因为它对油污染非常敏感[1]。
直接驱动阀（DDV）是一种新型的伺服阀，由于阀芯直接与驱动器连接，具有快速响应的特性，对油污染和低滞后性不敏感，DDV被认为是EHSV开发的趋势。系列公司和组织已经开始努力开发符合民用和军事要求的DDV产品。机电传输设备是DDV的关键组件。各种类型的DDV，可以通过他们的电动力学装置分类[2]。由Moog公司开发的基于移动的线性电机DDV在35MPa的系统压力下，可以在50Hz中达到40L/min的流量[3]。吴帅开发了基于三重冗余音圈电机（VCM）的DDV，并基于PSO方法进行了优化[2]。Grunwald和Olabi设计了两种基于磁流变流体（MRF）的压力控制装置，即MR阀和MR阀，并且MR阀在保持压力方面表现出更好的性能而没有显着的泄漏[4-6]。
近年来，许多智能材料被应用于具有快速响应，大能量密度和高居里温度的特性的DDV，在巨磁致伸缩材料（GMM）的设计中，超磁致伸缩致动器（GMA）是GMM的应用，产生的微小位移信号非常精确，自20世纪90年代以来，人们发现GMA其在流量控制，主动振动控制和精密加工领域有十分好的前景[8]，特别是高速伺服阀在高频环境工作中的设计。与传统的执行器和其他智能材料相比，GMA驱动DDV的优势在于以下几个方面。
bull;与传统执行器比较
（i）与扭矩电机致动器相比
超磁致伸缩致动器（GMA）具有比GMM测试结果更广泛的带宽，从5Hz到1000Hz的激励信号可以通过GMA转换为机械振动，而具有大惯性的传统转矩电动机通常不能达到100Hz[9]。
（ii）与VCM的比较
表格1. 智能材料概述的技术特点。
|
典型特征 |
PZT |
GMM |
SMA |
|
伸长率 |
0.1％ |
0.2％ |
5％ |
|
能量密度 |
2.5kJ/ |
20kJ/ |
1kJ/ |
|
带宽 |
100kHz |
10kHz |
0.5kHz |
|
滞后 |
10％ |
2％ |
30％ |
|
磁/电 |
0.5-0.6 |
0.7-0.75 |
|
|
机械 |
|||
|
耦合 |
|||
|
系数 |
|||
|
居里温度 |
200-300℃ |
380℃ |
与VCM相比，GMA执行了更大的推力[2,10]。由于DDV中的液压力和弹性力大且随着频率和流量的增加而显着地增大，致动器的推力应当足够大以驱动卷轴。此外，VCM占用更多的空间，并且在结构上更复杂。GMA帮助形成紧凑简单的结构，扩展了DDV的应用范围，提高了可靠性。
bull;与其他智能材料的比较
具有应用于致动器设计的潜力的智能材料的性质[11]在表1中列出，用于简单的比较。
（i）与SMA的比较
形状记忆合金（SMA）是一种在大变形后可以恢复到相变温度以上的原始形状的材料，从表1中可以看出，其带宽受到限制并且滞后相当大，这也是因为它通常由温度驱动[12,13]，这在工业环境中不容易控制。
（ii）与PZT致动器相比
根据表1，压电（PZT）致动器是GMA的替代品，同时它也受到推力的限制，从表1中可分析出，PZT具有低得多的能量密度，PZT致动器在相等冲程中产生远小于GMA的力，从第4部分获知，DVV的力要求约为120N，这意味着执行器在液压放大器之前应产生大于1000N的力。与PZT相比，GMM执行器也具有很低的驱动电压[2,13,14]，从而保证了工作环境的安全性。
然而，虽然GMA在应用于DDV设计中具有许多优点，但是其行程限制了伺服阀的流量。作为文献[2,15]中设计的GMM-DDV，阀芯的行程仅为50mu;m，流量为2L/min。因此，应当使用相应的放大器来在相对宽的带宽中扩大GMM的行程。
有两类位移放大器：机械和液压。基于堆叠杠杆与弯曲铰链的机械放大器已被广泛研究和使用[16,17]：Shen[18]设计的桥式机械放大器用于DDV的PZT驱动器的放大，流量达到5.9L/min，80Hz；Lindler设计了一种基于杠杆放大器的DDV，流量达到9L/min，带宽为300Hz[19]；Karunanidhi[9]开发的基于桥式放大器的GMM喷嘴瓣阀已经达到8L/min的流量。液压放大由不同区域的活塞实现：其中GMM杆驱动大活塞并通过小驱动活塞传递功率输出。与机械放大器相比，这些结构产生相当大的位移，占用的空间有限；因此该放大方法对于伺服阀设计更具吸引力。Yoon[20]开发了一种基于液压放大器的PZT执行器，研究了摩擦和油压缩的影响。Ushijima和Kumakawa开发了一种用于具有液压放大器的自适应动力系安装件的PZT致动器，其中致动器达到70mu;m的行程[21]；Shibayama开发了使用密封液压放大器的PZT执行器，行程达到0.3mm[22]；Chakrabarti[23-25]设计了一个基于液压放大器的GMM执行器，冲程为1.6mm，频率为20Hz。
传统的液压放大器[25]如图1所示：活塞刚性；前室和后室正交连接。
图1. 传统和建议的液压放大器。
在上述结构中存在限制：活塞和腔室之间的摩擦；石油泄露；活塞惯性；流动阻力由于正交连接而增加，收缩流现象通常发生在正方形连接周围；由于前室的轴长度有限，发生油捕集。
在本文中，为了修改液压放大器结构，设计了一种基于挠性膜的柔性活塞和前室和后室之间的梯度连接。通过引入柔性活塞，避免了摩擦，大大减少了泄露，并且减轻了动态载荷。梯度连接可以减少流动阻力，减轻由于流动面积的变化而引起的油阱的冲击。改进的液压放大器如图1（b）所示。
本研究的目的是开发一种带有液压放大器的GMM-DDV。GMMdriver的磁和动态模型建立在第2节；液压放大器的结构基于弹性小偏转理论，有限元方法（FEM）以及第3节中的CFD方法进行设计和优化；设计了阀门结构，并在第4节中计算了总驱动力。在AMESim中建立了整个GMM-DDV的模型，并制作了原型，模拟和实验结果如第5节所示。最后，在第6节中得到了一些结论。
2、GMA的设计
2.1、GMA的配置
GMA的配置可以通过GMM（T），线圈（C）和永磁体（M）的位置顺序区分为三种类型，不同配置的性质在文献[11]中解释。GMA在DDV中的布局是TCM结构，这意味着GMM棒位于中心，然后是线圈，永磁体被包围在外部。这种结构平衡了结构复杂和场不均匀性，并获得了高能量密度[8]。
图2. 偏置场的功能[9]。
2.2、参数在GMA设计中确定
GMM的磁致伸缩不仅受其激励场的影响，还有一些其他参数影响其应变和应力性能，这些参数应在设计阶段确定[8]。
2.2.1、偏置场
永久偏置场是必要的，原因如下：首先，GMM的磁化曲线是非线性的。因此，适当的偏置场帮助GMA在磁致伸缩的斜率和线性两者的区域中操作lambda;达到最大值；其次，lambda;仅与磁场的大小相等，这意味着双向场H只能在一个方向上产生应变，因此交变符号的输入电流将在一个方向上诱导应变，并使激励频率加倍，这种现象称为“双频效应”。偏置场可以通过产生初始场来解决问题。偏置场的功能如如图2所示，DDV中GMA的偏置场为600Oe。
2.2.2、预应力
适当的预应力将引起垂直对准的磁性体的旋转，因此在相同的磁场下产生较大的磁致伸缩。此外，由于GMM在室温下呈脆性，预应力可以提高其强度。GMM棒在不同预应力下的磁化性能由供应商测试。如图3所示，GMA的预应力选择为10MPa，因为斜率相对较高。
2.3、GMA的建模
GMM的运动可以被认为是基于由其偏置场和预应力确定的平衡点的振动，GMM在这一点的长度被认为是在建模过程中的模拟的“原始”长度，因为以这种方式，偏置场和预应力的参数可以在磁路和动态模型中分开设置。
图3. 不同预应力下的磁化特性。
2.3.1、磁路模型
根据基尔霍夫定律，线圈的微分方程可以表示为：
（1）
其中I，U，R，L分别表示电流，电压，电阻和电感，实际电压，考虑感应电压写为：
（2）
和n分别表示线圈的磁通量和匝数。执行拉普拉斯变换，电流也可以表示为：
（3）
由于GMM的磁导率低，应该向GMM驱动器施加闭合磁环。等效磁环如图4所示。
图4. GMA的磁模型。
，，，，分别代表前轭，后轭，气隙，房屋和基座的磁阻，可以用磁阻的线性公式计算：
虽然GMM棒的电阻，执行非线性属性，不能通过线性公式反射，根据安培定律：
（4）
GMM柱的电阻可以表示为：
（5）
而x表示GMM条的变形，B（H）反映GMM的磁化。驱动器中使用的GMM棒的尺寸为50mmtimes;10mm，预应力选择为10MPa，B（H）数据可以称为图3中的相应曲线。
GMM驱动器的整个磁通量为：
（6）
2.3.2、动态模型
不考虑涡流效应和不可逆磁化，GMM的变形主要是由磁致伸缩[26]：
（7）
从GMM栏输出的力是：
（8）
和表示GMM棒的等效质量和刚度，计算如[27]：
（9）
和表示GMM杆和传送主轴的质量（图4）。输出力也可以用传递函数的形式表示：
（10）
GMM驱动器的框图如图5所示。
图5. GMM驱动程序的传递函数图。
3、液压放大器的设计
3.1、工作准则
对于液压放大器如图。参考图1（b），引入以下等式：
（11）
（12）
其中，，，表示大活塞的驱动力，等效面积，等效刚度和
全文共18308字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[144824]，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。
