摘 要

在过去的几十年中，数字液压技术由于其消耗功率更低，可控性更好以及污染更小而成为液压领域的新趋势。而在有些安装了PWM用于控制系统流量的数字液压系统中，高频切换产生的压力脉冲和开关功率损耗，成为数字液压系统的挑战。因此在这项工作中，需要一种控制系统，使得在通过阀的流量大约为零时，关闭阀。软开关（ZFS）控制方法的提出，使得这一问题得到了解决。本文对软开关（ZFS）控制方法应用于数字液压系统进行了设计以及仿真。根据仿真结果，ZFS控制系统与HS控制系统相比，开关功率损耗降低了77.8%。这使得ZFS控制方法可以成为数字液压系统中高频切换导致的压力脉冲和开关功率损耗的潜在解决方案。

关键词：软开关控制；数字液压；节能

Abstract

In the past few decades, digital hydraulic technology has become a new trend in the field of hydraulic because of its lower power consumption, better controllability and less pollution. In some digital hydraulic systems with PWM installed to control system flow, the pressure pulse and switch power loss caused by high frequency switching become the challenge of digital hydraulic system. Therefore, in this work, a control system is needed to close the valve when the flow through the valve is about zero. The soft switch (ZFS) control method is put forward, which solves this problem. In this paper, the soft switch (ZFS) control method is applied to the design and Simulation of digital hydraulic system. According to the simulation results, the switching power loss of ZFS control system is reduced by 77.8% compared with HS control system. This makes ZFS control method a potential solution to pressure pulse and switch power loss caused by high frequency switching in digital hydraulic system.

Key Words：Soft switch control; digital hydraulic; energy saving.

目 录

第1章 绪论 1

1.1软开关的概述 1

1.1.1软开关的发展背景 1

1.1.2液压软开关 2

1.2本课题研究的主要目的及意义 2

1.3本课题研究的主要内容 2

第2章 软开关控制系统 3

2.1 软开关控制系统的基本原理 3

2.2 软开关在工作过程中的数学模型 3

2.3 液压系统的三维建模 7

第3章 液压泵与溢流阀的选取 9

3.1 液压泵的分类 9

3.2 液压泵的选取原则 9

3.2.1液压泵压力参数的确定 9

3.2.2液压泵流量参数的确定 9

3.3 液压泵的确定 10

3.4 溢流阀的主要作用 10

3.5 溢流阀的选取 10

第4章 液压缸及液压系统的辅助装置的选取 12

4.1 液压缸 12

4.2 油箱的设计 12

4.2.1油箱的基本概念及其分类 12

4.2.2油箱的计算 13

4.3 过滤器的选用 14

4.3.1过滤器的基本概念以及选用原则 14

4.3.2过滤器的选用 14

4.4 管路的设计 16

4.4.1管路内径及金属管壁厚的确定 16

4.5 冷却器的选择 17

4.5.1液压系统的发热温升计算 18

第5章 液压RLC谐振器的设计 19

5.1 液压RLC谐振器的概述 19

5.2 液感的设计 19

5.2.1液压感抗 19

5.2.2液感几何形状的确定 19

5.3 液容的设计 20

5.3.1液压容性 20

5.3.2液容几何形状的确定 20

5.4 本章小结 21

第6章 液压高速开关阀的设计 22

6.1 液压高速开关阀简介 22

6.2 高速开关阀电磁铁的设计 22

6.2.1电磁铁的概述 22

6.2.2电磁铁的选择 22

6.3 液压阀的设计 23

6.3.1液压阀的功能及基本性能要求 23

6.3.2阀芯的设计 24

6.3.3液压阀结构的设计 25

6.4 本章小结 26

第7章 RLC谐振器的仿真 27

7.1 仿真软件ANSYS Fluent简介 27

7.2 几何模型的建立 27

7.3 网格的划分 28

7.4 边界条件 29

7.5 仿真结果与分析 29

7.6 模型以及仿真的修改 31

第8章 液压系统的仿真 34

8.1 仿真软件AMEsim简介 34

8.2 草图模型的建立 34

8.3 液压系统的仿真 35

8.4 仿真结果分析 37

第9章 总结与展望 38

致谢 39

参考文献 40

第一章 绪论

1.1软开关的概述

1.1.1软开关的发展背景

我们所熟知的开关是一种用来控制线路通断的器件，被称为硬开关。之所以被称为硬开关，是因为这种开关在开启或者关闭的时间中会承受很大的压力或流量从而产生了较大的开关损耗。如果开关频率很高时，在这一过程中和很大,给电路造成严重的噪声污染和开关损耗,且产生严重的电磁干扰,软开关技术的出现解决了这一系列问题。[1]

在开关开启、关闭前后引入谐振，使得开关功率损耗、噪声等问题得到消除或者减少。软开关最初的形态是准谐振电路，依次经历了零开关PWM电路以及零转换PWM电路。[2]

1.1.2液压软开关

现如今，数字液压技术由于其消耗功率低，可控性更好，污染更小而成为液压领域的新趋势。在一些使用PWM调节系统流量的数字液压系统中，高频率的切换造成的压力脉冲，以及开关功率损耗成为数字液压系统的一项挑战。[3]液压软开关也因此而来。

将电路中的软开关类比到液压传动中，设计出一种，当通过开关阀的流量值大约为零时，开关阀关闭的控制系统，也就是液压软开关。