摘 要

二十一世纪以来计算机技术和微电子领域得到了巨大的发展，而液压技术作为工业发展中重要的支柱，想要跟上时代就必须使自己进入数字化时代，液压只有将自身与尖端技术联系起来才能够跟上时代的步伐。作为液压技术中起着至关重要作用的液压阀已经早早的开始了自身的革新。而数字液压阀也已经快速地得到了人们的认可。

本次毕业论文的主要内容是一个能够在1ms内开启，并且达到10L/min的数字液压阀，确切地说本次毕设的主要内容实际上是一个大流量高速响应的高速开关阀。本文主要分四部分进行阐述。

第一部分主要是对阀的结构进行选择和建模。通过已知的液压和几何方面知识算出满足要求的各部分尺寸。对得到的数据进行仿真分析、讨论、优化后得出满足要求的阀体、阀芯尺寸参数。根据参数进行建模得到液压阀的模型。

第二部分主要是对驱动部分进行设计。这一部分中我们选择了一种高速旋转电磁铁作为开关阀的驱动力来源，然后根据该电磁铁的结构，采用等效替代的方法得出该电磁铁的输出力矩的表达式。

第三部分主要是将驱动系统与主体结构联系在一起形成一个整体，并且构建出系统模型来验证我们所设计出的阀的稳定性。设计出合理的连接部分实现了从输出力矩向力的转化，然后根据结构示意图和系统整体的数学模型算出旋转电磁铁所需要提供的电流的大小。

第四部分是以第三部分构建出的整体模型为基础建立控制系统，利用控制系统方面的知识检验系统的稳定性。

本文经过计算研究，我们最终得出了高速开关阀的主体部分模型和驱动部分结构的大致模型，经过仿真后发现系统是稳定可行的。

关键词：高速开关液压阀；锥阀；旋转电磁铁；Matlab仿真

Abstract

Since the twenty-first century, the field of computer technology and microelectronics has been greatly developed, and hydraulic technology as an important pillar of industrial development to keep up with the times must make themselves into the digital age, the hydraulic only with their own cutting-edge technology Able to keep up with the pace of the times. As a hydraulic technology plays a vital role in the hydraulic valve has already begun its own early innovation. And digital hydraulic valve has also been quickly recognized by the people.

The main content of this thesis is a digital hydraulic valve that can be opened within 1ms and reaches 10L / min. It is true that the main content of this setting is actually a high-speed switching valve with high flow and high speed response. This paper is divided into four parts.

The first part is mainly to select and model the structure of the valve. Calculate the dimensions of the parts that meet the requirements by known hydraulic and geometric knowledge. The simulation and analysis of the obtained data are carried out. After optimization, the valve body and spool size parameters are obtained. According to the parameters of the model to get the hydraulic valve.

The second part is mainly on the drive part of the design. In this part, we have chosen a high-speed rotating electromagnet as the driving force source of the on-off valve, and then according to the structure of the electromagnet, the equivalent output method is used to derive the output torque of the electromagnet.

The third part is mainly to drive the system and the main structure together to form a whole, and build a system model to verify the stability of the valve we have designed. The reasonable connection part is designed to realize the transformation from the output torque to the force, and then calculate the size of the current required by the rotating electromagnet according to the structural diagram and the mathematical model of the whole system.

The fourth part is based on the third part of the overall model to build a control system, the use of control systems to test the stability of the system.

Based on the computational study, we finally obtained the general model of the main part of the high speed on-off valve and the general structure of the driving part. After simulation, it is found that the system is stable and feasible.

Key words: high speed switch hydraulic valve; cone valve; rotating electromagnet; Matlab simulation

目录

第1章绪论 1

1.1 数字液压阀的发展现状 1

1.2高速开关电－机械执行器的发展 1

1.3高速开关阀常用阀体结构 2

1.4 课题研究意义 3

第2章 高速开关阀初步分析 4

2.1阀芯的选择 4

2.2驱动方式的选择 4

2.3驱动电磁铁类型的选择 5

第3章 高速开关阀主体部分模型建立 6

3.1阀体结构 6

3.2阀芯部分 7

3.3阀芯和阀体的仿真分析 8

3.3.1阀体部分仿真分析 8

3.3.2 阀芯部分仿真分析 11

3.4 通过solidworks进行建模得到阀芯、阀体模型 12

第4章 电磁驱动部分 16

4.1电—机械转换装置的选用 16

4.2旋转电磁铁的结构和工作原理 16

4.3旋转电磁铁数学模型的建立 17

第5章 阀芯与电磁铁的力矩平衡 19

5.1驱动装置与阀芯的结合 19

5.2力矩平衡方程的建立 19

第6章 高速开关阀传递函数的建立和分析 23

6.1数学模型的讨论和简化 23

6.2建立开关阀的传递函数 23

6.3对建立的传递函数进行仿真分析 25

第7章 总结 27

参考文献 28

致谢 30

第1章绪论

1.1 数字液压阀的发展现状

由于做功效率密度的比值相对较大、易实现直线方式的运动以及可以输出较大的力和力矩等诸多优点，液压传动被广泛的用在大型工业设备和有关机械设备之上。进入20世纪以来，因为控制工程的高速发展，电液相结合的控制工程在得到了理论层面和技术层面的支持后得到了长足的进步。机电液压一体化产品的形成，不但使系统在静态条件下控制的精确程度得到了提高，也使系统的人工智能化程度得到了提高，系统变得更加稳定。而这些方面的变化也最终促进了系统在环境和自身发生一些改变的时候能够很快的适应^［1］。

21世纪以来，由于消耗在人力和能源上的成本不断提高，制造业对于生产构成中的智能化和现代化程度的要求也不断提高。然而在提高智能化程度的过程中，元件的成本也难免被提高，根据资料显示，平均每件液压元件成本要比机械传动元件高两倍左右^［２］。除此之外，现有很多液压元件也存在效率低的缺点。一些效率高达95％以上的液压泵和马达，却很难在做工的负载端达到相同的效率，其中能量大多以节流或者溢流的形式消耗掉。在挖机系统中，消耗在液压系统中的能量甚至高达80％^［３］ 。