基于壅塞特性的开关阀控气动系统研究

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1、分类号密级硕士学位论文题目：基于壅塞特性的开关阀控气动系统研究英文并列题目：StudyonaPneumaticSystemControlledbyOn-OffValveBasedontheChokingCharacteristics研究生：朱飞成专业：机械设计及理论研究方向：轻工机械设计导师：章军副教授指导小组成员：学位授予日期：2015年6月19日答辩委员会主席：平雪良江南大学地址：无锡市蠡湖大道1800号二○一五年六月摘要摘要凭借高性能、低成本、无污染等显著优点，气动技术被广泛应用于制药、包装、半导体等自动化生产程度较高的领域。但由于受气体的压缩性大、系统刚度低以及摩擦力复杂等因素的影

2、响，气动系统很难达到理想的控制精度和响应时间。针对气体控制体积较小的气动系统，为了能够简化系统模型降低应用成本，同时提高系统运动稳定性以及对负载变化的适应性，本文对气动元件流量特性中的壅塞现象加以研究并将其应用在开关阀控气动系统中，具体研究内容如下：首先对壅塞原理进行了阐述，并根据气体能量方程、连续性方程以及状态方程等推导出壅塞流动的相关特性。通过气动元件流量特性测定的国家标准GB/T14513对一种小孔节流阀进行流量特性试验，根据试验获得小孔节流阀的等效截面积和临界压力比，并分析高速开关阀与小孔节流阀串联后的流量特性情况。然后研究在传统开关阀控气动系统中加入小孔节流阀，使其达到减小输出流

3、量以适应小型控制体积的目的，并通过设置一定的系统参数条件使其产生壅塞气流来驱动气缸运动。对基于壅塞特性的开关阀控气动系统(文中简称壅塞气动系统)进行结构与原理介绍，并别对系统中的高速开关阀与气缸建立相关的数学模型。利用壅塞状态气体质量流量不变的特性，对壅塞气动系统进行驱动特性研究。计算不同参数及负载条件下气缸位移、速度以及压力变化情况，分析这些条件的变化对气缸动态特性的影响。由于输入气缸并驱动气缸运动的气体具有质量流量稳定性，因此可以对系统模型中的气体质量流量方程进行简化，获得气缸速度、系统压力以及进气等效截面积的数学关系表达式。根据气缸行程与时间的要求，可以直接推导出壅塞气动系统所对应的

4、系统压力以及进气等效截面积这两个主要参数。此外针对两种不同类型负载的气缸，根据不同的行程时间要求设计了壅塞气动系统所对应的参数，通过将参数代入系统进行仿真获得了预期的驱动效果。除了驱动特性的研究，还对壅塞气动系统进行位置控制研究。对系统中的高速开关阀采用PWM控制并进行位置控制仿真，分析气源压力、进气等效截面积、定位位置、控制精度等因素的变化对气缸运动稳定性以及定位精度的影响。选取两种不同类型的负载对壅塞气动系统以及常规气动系统进行仿真对比，结果显示两种系统在动态特性以及定位精度上所对应的影响是不同的。对于惯性负载，壅塞气动系统在运动稳定性和定位精度方面所受的影响均比常规气动系统小，但对于

5、恒定外力负载，壅塞气动系统的定位精度低于常规气动系统。本课题以一个独特的方向研究了开关阀控气动系统，获得了一些基础性的研究成果，但还需要在今后的研究与应用中不断的深入和完善。关键词：壅塞流；气动系统；动态特性；仿真IAbstractAbstractPneumatictechnologyhasmanyadvantagessuchashighperformance,lowcostandnopollution.Ithasbeenwidelyappliedinindustrialautomationfieldslikeautomobile,packageandsemiconductor.Theap

6、plicationofpneumatictechnologycanimproveproductionefficiencyandreducecost,atthesametime,itsenvironmentalfriendly.However,thecompressibilityofthegas,lowstiffnessandcylinderfrictionmakethepneumaticsystemhardlygettheidealcontrolprecisionandresponsetime.Peopleareconstantlystudyingpneumatictechnologyan

7、dtryingtoimprovetheperformanceofallkindsofpneumaticproducts.Inordertosimplifythepneumaticsystemmodelwhichhasasmallcontrolvolumeandimproveitsstabilityandadaptabilitytoloadchange,thispaperresearchesthechokingphenom