低功耗大流量高速开关阀的仿真分析与优化设计.docx
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低功耗大流量高速开关阀的仿真分析与优化设计
中文论文题目：
低功耗、大流景高速开关阀的仿真分析与优化设计
英文论文题目：
OptimizationDesignandSimulationAnalysisof
High-SpeedOn/OffValvewithLowPower.LargeFlowRate
浙江理工大学学位论文独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研宄成果。
除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙江理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同X作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表7F谢意。
签字曰期：
丨（年的月丨0曰
学位论文作者签名：
摘要
气动高速开关阀，是一种可与控制器直接相连，由数字量控制阀口开关，实现气体快速切换的气动元件，在PWM模式控制下拥有比例特性，可代替比例伺服阀，而且与之相比，又具有体积小、成本低、结构简单、切换迅速、抗污染能力强等优点，被广泛运用于现代工业领域中，成为当今气动技术重要的研宄方向之一。
目前对流量在700L/min以上，开关切换时间在10ms以内的大流量高速开关阀鲜有报道。
本文以此类开关阀为研宄对象，采用数学建模、仿真分析、试验验证等方法对其进行深入研宄，首先提出了一种具有衔铁固定膜片的二位二通气动高速开关阀结构，然后通过建立其有限元仿真分析模型及有限元一集总参数分析模型，对其静、动态性能影响因素进行了分析研宄，获得了各参数的作用规律，最后在此基础上对所提出的高速开关阀进行了结构优化。
仿真与试验结果表明，所开发的高速开关阀在气源压力为7Bar的情况下，流量可达720L/min，切换时间仅为9.5ms。
本文各章节内容安排如下：
第一章，介绍了本文研宄的背景与意义，分析了高速开关阀的研宄现状，概括了本文研宄的重点与研宄内容。
第二章，从高速开关阀流量特性与动态响应特性出发，对高速开关阀的结构进行分析与设计，提出了一种新型的衔铁放置结构，确定了高速开关阀初始结构参数。
第三章，通过对高速开关阀中的电磁铁磁场仿真，详细分析了静铁芯结构、衔铁结构、线圈位置相关参数对E型电磁铁性能的影响，揭示了E型电磁铁性能影响规律，得到了优化后的电磁铁结构参数。
第四章，通过对高速开关阀流场仿真分析，得出了高速开关阀稳态气动力数学表达式;基于有限元一集总参数模型，详细阐述了弹簧刚度系数、激励电压与气源压力对高速开关阀动态性能的影响规律，获得了优化后的高速开关阀相关驱动参数。
第五章，介绍了高速开关阀流量特性测试与切换时间测试系统基本原理，利用测试设备对高速开关阀的性能进行测试，分析对比了仿真数据与试验数据，验证了模型的正确性。
第六章，总结了全文的主要工作与成果，为未来进一步的研宄工作提供方向。
关键词：
气动高速开关阀；有限元模型；有限元一集总参数模型；切换时间；稳态气动力
Abstract
Thehigh-speedon/offvalvesarepneumaticcomponentsconnectedtothecontroller，whichcanmakegasswitching.Theirportsarecontrolledbydigitalvolumes.TheycanreplacetheservovalvesbecausetheyhavethesimilarlinearcharacteristicunderPWMmode.Andcomparingwithservovalves，theyhaveotheradvantagesofsmallsize，lowcost，simplestructure，rapidswitchingandstronganti-pollution.Sotheyarewidelyusedinthefieldofmodernindustryandhavecometoahottopicofresearchonthepneumatictechnology.
Thevalvesarerarelyreportedwhichprovidesabove700l/minoflowrateatstandardairconditionsbuttheshiftingtimeofisbelow10ms.Sotheseon/offvalvesaredeeplyresearchedinthethesisbasedonmathematicalmodeling，simulationandexperimentalstudy.Firstly，a2/2pneumatichigh-speedon/offvalveispresented.Anditsarmatureisfixedbytworubberdiaphragms.ThenFEM（FiniteElementModel）ofthesolenoidinthisvalveandFEM-LPM（LumpedParameterModel）ofthisvalvearedetermined.Theinfluencesofdifferentfactorsofthisvalveareanalyzedindetailandsomeconclusionsarepresentedfortheimprovementofperformanceofon/offvalves.Lastly，thestructuralparametersofthisvalveareoptimized.Thesimulationandexperimentalresultsshowthatthemaximumflowrateis720L/min;theswitchingtimeisonly9.5msafteroptimized.Themaincontentofeachchapterissummarizedasfollowing:
Inchapter1，thebackgroundandsignificanceofthisresearchareintroduced.Theresearchstatusisanalyzed.Thekeysandmainresearchworkofthisthesisaredeveloped.
Inchapter2，fromthemassflowrateandthedynamicresponsecharacteristics，thestructureofthisvalveisanalyzedanddesigned.Themethodofarmaturefixedispresentedandthebasicstructuralparametersareidentified.
Inchapter3,theactionmechanismofthestructureofstaticcore，armatureandcoilontheE-typesolenoidareanalyzedindetailwithFEM，andtheinfluencingruleofperformanceofthesolenoid.Lastly，thesolenoidstructuralparametersareoptimized.
Inchapter4,formulasforsteadygasflowforceonthisvalvearederivedandpresentedwithFEM.BasedonFEM-LPM，theeffectofthespringstiffnesscoefficient，airpressureandvoltageforthedynamicperformanceisdiscussed.Lastly，thedrivingparametersarepresented.
Inchapter5,thebasicprincipleofflowratecharacteristictestsystemandtheshiftingtimetestsystemareintroduced.Basesonthesesystems,theflowrateandtheswitchingtimeoftheproposedvalvearemeasuredandcomparedwiththesimulationresults.Theresultindicatesthesimulationmodelsarecorrect.
Inchapter6,thefulltextsofthemainworkaresummarizedandthefurtherresearchworkisprospected.
Keywords:
2/2pneumatichigh-speedon/offvalve;FEM;FEM-LPM;on/offtime;steadygasflowforce
目录
摘要I
AbstractII
1绪论1
1.1研究背景与研究意义1
1.2高速开关阀的分类1
1.3高速开关阀的研究现状2
1.3.1电一机械转换器及其驱动电路研究现状2
1.3.2阀芯、阀体结构的研究现状4
1.4研究内容6
2高速开关阀结构设计与分析7
2.1开关阀的阀芯结构设计7
2.1.1阀口密封结构设计7
2.1.2衔铁放置结构设计8
2.1.3阀芯关键#数设计9
2.2电一机械转换器设计10
2.2.1电磁铁特性分析10
2.2.2磁性材料选择13
2.2.3电磁铁关键#数设计14
2.3小结15
3电磁铁结构仿真与优化17
3.1电磁铁有限元建模17
3.1.1电磁场基本理论17
3.1.2二维磁场分析理论基础18
3.1.3Ansoft仿真参数设置19
3.2电磁铁性能影响#数分析20
3.2.1静铁芯结构相关参数对电磁铁性能的影响21
3.2.2衔铁结构相关参数对电磁铁性能的影响24
3.2.3线圈结构相关参数对电磁铁性能的影响26
3.2.4小结27
IV
3.3电磁铁初始结构性能优化27
3.3.1仿真结果27
3.3.2优化设计28
3.3.3结果对比30
3.4小结30
4高速开关阀动态特性仿真分析与优化31
4.1高速开关阀系统建模31
4.1.1高速开关阀稳态气动力建模31
4.1.2开关阀有限元一集总参数建模34
4.2高速开关阀动态特性影响因素分析与优化36
4.2.1复位弹簧刚度系数对高速开关阀动态性能的影响36
4.2.2激励电压对高速开关阀动态性能的影响37
4.2.3气源压力对开关阀动态性能的影响39
4.2.4优化前后性能对比40
4.3小结40
5高速开关阀性能试验分析41
5.1流量特性试验41
5.1.1基本原理41
5.1.2结果分析42
5.2切换时间试验42
5.2.1基本原理43
5.2.2结果分析43
5.3小结44
6总结与展望45
6.1总结45
6.2臟45
参考文献47
附录50
攻读硕士学位期间研究成果54
致谢55
1绪论
1.1研宄背景与研宄意义
气动技术是一种以压缩空气为工作介质，进行信号或能量传递，实现生产机械化与自动化的技术[1],具有高速高效、低成本、清洁安全、易维护等优点，其运用程度成为衡量一个国家自动控制技术水平的重要标志之一。
随着气动技术与微电子技术的结合，极大地推动了气动技术的发展，出现了一大批气动元件，气动开关阀乃是其重要产品之一[2]。
气动高速开关阀，是一种可与控制器直接相连，由数字量控制阀口开关，实现气体快速切换的气动元件。
早期，气动开关阀仅用于简单的开关控制，其响应速度较慢、流量较小。
20世纪60年代末，随着数控技术的不断发展，气动控制系统要求不断提高，研宄者们开始着眼于气动高速开关阀的研发，同时将运用于传统控制电机的脉宽调制技术（PulseWidthModulation,PWM）引入气动领域，在PWM控制模式下，气动高速开关阀具有比例伺服阀的比例特性[3-5]，但与之相比，又具有体积小、成本低、结构简单、抗污染能力强、功率质量比大、切换迅速等优点，在纺织机械、医药产品粘结、包装装配自动化、农产品色选等工业领域中获得了广泛的应用，成为当前气动技术重要的研宄方向之一[6-7]。
经过几十年的发展，气动高速开关阀相关技术发展已较为成熟，但仍未解决高频响与大流量之间的难题。
目前国内鲜有流量在700L/min以上，而开关切换时间在10ms以内的大流量高速开关阀的报道[8]，同时面对日益严峻的环境问题，节能已成为一个重要的课题，故本文以低功耗、大流量气动高速开关阀（文中简称为高速开关阀）作为研宄对象，具有很大的发展前景与研宄意义。
1.2高速开关阀的分类
高速开关阀的分类方式较多，常用的方式一般有以下几种[9]:
按阀芯与阀体的相对位置，可分为常闭型与常开型。
按工作位置与切换通口数可以分为2位2通、2位3通、2位4通、2为5通、3位5
通等。
一般，2通型高速开关阀仅用于通断气路，3通型高速开关阀与单作用气缸配合使用，5通型高速开关阀则可以与双作用气缸使用。
同时，5通型高速开关阀又可作为2个型高速二通开关阀使用；2通以上的高速开关阀具有气流换向功能。
按阀芯结构来分，可以分为截止式、滑柱式、滑板式等3种。
采用滑板式阀芯结构的
高速开关阀不多，故不在此具体阐述。
截止式与滑柱式阀芯结构特点对比表如表1.1所示：
表1.1截止式与滑柱式阀芯结构特点
结构
特点
记忆性
通用性换向行程
换向力
气源要求
加工要求
适合阀
元件
截止式
无
弱小
大
较低
较低
大通径
少
滑柱式
有
强大
小
高
高
小通径
多
按电一机械转换器类型可分为电磁铁式、压电陶瓷式（PiezoelectricMaterial,PZT）、超磁致伸缩式（GiantMagnetostrictiveMaterial,GMM）等3种，其特点如表1.2所示。
表1.2三种电一机械转换器特点
结构
特点
结构与工艺
经济性
开关时间
滞后时间
重复性
能耗性
驱动电压
电磁铁式
简单
好
差
有
差
中等
中等
PZT
复杂
差
好
无
好
低
高
GMM
简单
差
最好
无
好
最低
低
1.3高速开关阀的研究现状
目前对高速开关阀的研宄可分为低功耗、高频响与长寿命、微流量与大流量、模块化与可集成化等多个方向[1〇]。
概括而言，主要有两个方面，其一为电一机械转换器及其驱动电路的研宄，其二为阀芯、阀体结构的优化设计[11]。
1.3.1电一机械转换器及其驱动电路研究现状
1.3.1.1电一机械转换器的研究现状
现阶段最常用的电一机械转换器为电磁铁，由于高速开关阀要求结构紧凑，频响高，故从性能与制作工艺出发，一般选择螺管式、E型（类E型）或C型电磁铁作为其电一机械转换器。
图1.1为Mac公司的跑道型电磁铁结构简图。
其优点为在同等结构条件下，不仅可以更好的利用空间，而且在增加电磁铁有效吸合面积的同时又可以令线圈匝数也有一定的提高，故电磁力可有很大的提升[12]。
该种电磁铁结构形式为Mac公司电磁阀独有结构。
图1.2为Mac公司另一特色产品一自锁性型2位5通开关阀。
该阀的主要特点是引入永磁体结构，改变了传统的2位5通开关阀多采用的双电磁铁滑阀结构，令阀芯具有自保持功能，可降低功耗，同时锥阀芯的结构可使频响增加[13]。
这种永磁铁结构形式是目前令多通开关阀降低能耗的最为有效方法之一。
图1.3为浙江大学流体试验室所提出的s型电磁铁结构及其开关阀简图。
该种类型的电磁铁在传统的E型电磁铁上增加衬肩结构，此设计在一定程度上缓解了电磁力与响应速度之间的矛盾，与常规E型电磁铁相比，衔铁质量得到大幅度减小，响应速度有20%以上提升。
运用该电磁铁结构的开关阀在气源压力为6Bar的情况下，最高频响可达125Hz,流量约为70L/min[14]。
.阀座
（b）运用s型电磁铁的开关阀
（a）s型电磁铁
椭圆衔铁
图1.1Mac公司跑道型电磁铁
图1.2Mac公司自锁型高速开关阀
静铁芯线圈
橡胶限位片衔铁
图1.3s型电磁铁结构及其应用
图1.4为小金井的K2系列电磁阀，其采用独特的双线圈技术，片状动铁芯结构。
在
达140L/min[15]。
1
2
3
4
5
37
8
1011
18
17
16
15
13
1.接线罩2.电路板3.线圈盒4.锥5.垫片A6.垫片B7.M58.本体9.阀座10.端盖11.密封圈12.安装孔13.释放环14.导向环15.复位弹簧16.动铁芯17.静铁芯18.线圈
12
24V驱动电压下，开启时间为1.5ms，关闭时间为1ms,气源压力为4Bar时，最大流量可
图1.4小金井的K2系列电磁阀
随着工业生产对高速开关阀的性能要求的进一步提高，传统的电磁材料已无法满足控制要求，研宄者们开始倾向于包括GMM与PZT在内的新型导磁材料的研宄[16]。
由于GMM在实际应用中需要解决热补偿等问题，其令高速开关阀的开关成本增加，破坏高速开关阀的紧凑型，故使用范围比PZT小，目前运用到高速开关阀中的新材料以PZT为主。
图1.5为Sortex公司所设计的PZT型高速开关阀结构简图。
气体由P口进入，A口流出。
在未施加驱动电压时，隔膜上下存在压力差，A口被封住；在施加电压后，PZT发生形变，促使隔膜上移，阀口被打开。
在相同流量条件下，采用PZT作为转换材料比常规的开关阀响应速度更快，最高频响可达1000Hz，图1.5英国Sortex公司PZT型高速开关阀
同时结构简单，加工方便，可集成性好，易与扩展成多阀模式，有效减小了对空间的需求
[17-19]。
该阀开启了压电材料运用于气动元件的先例。
之后，Festo、Hoeriger、Satake公司等陆续进行压电式气动高速开关阀的研发[20-22]。
1.3.1.2驱动电路的研究现状
高速开关阀的驱动电路与液压开关阀的驱动电路本质相同，其主要目的都是降低功耗、提高频响、增加寿命[23]。
理想工作过程为：
在开关阀开启瞬间，驱动电路可以提供大电压，令励磁电流瞬时上升至峰值；在吸合瞬间，驱动电路迅速降低电流；在闭合时，驱动电路只需提供小电流维持闭合状态；在阀关闭时，迅速将电流降至零，或提供反向电流[24]。
目前其方案比较成熟，一般利用驱动模块来实现，其种类与特点如表1.3所示。
表1.3高速开关阀驱动方式选择[25]
种类
调压式
高低压式
特点
可变电阻式
PWM调压式
増压式
电容式
体积
中
小
一般
大
能耗
高
小
高
一般
设计复杂度
低
低
高
一般
1.3.2阀芯、阀体结构的研究现状
一般，对阀芯、阀体结构的研宄主要目的在于减小运动部件的质量、降低各部件之间的装配加工难度、增大开关阀流量等。
图1.6为Festo公司发布的二位三通高速开关阀。
其采用的独特设计结构为：
阀芯2采用橡胶材料，阀套与阀芯1采用铝合金材料并加工成中空结构。
这种设计可以有效的减小运动部件的质量，提高开关阀频响。
该阀在24V驱动电压下，最高频响可达330Hz，流
4
量为100L/min，稳态功耗仅为3W左右并具有100%通电续航能力[26]。
但是由于阀芯和阀座之间同轴度要求高，其加工与装配难度大，制作成本高，故应用不是很广泛。
34
6
1、2、10.阀芯3.平衡孔4.复位弹簧孔5.电磁铁6.驱动电路板7.缓冲垫8.外阀套9进气孔11.线圈
9
1011
图1.6Festo公司高速开关阀结构简图
图1.7为土耳其Ulutag大学开发的大流量高速开关阀，其主要特点在采用片状衔铁结构并在其上面开有气流孔。
该种结构形式不但可以有效降低运动部件质量，而且可以增大流量。
后续的大流量开关阀多采用该结构形式。
该阀在24V驱动电压下，流量最大可达460L/min，但开启延时仅为4.5ms，最大频响为70Hz左右[27]。
图1.8为SMC发布的SX10系列高频电磁阀。
其独特性有三：
其一为采用片状衔铁结构，减少运动部件质量；其二为将阀口形状设计为碗口，在增大开关阀流量的同时可减小衔铁运动行程；其三为在铁芯上设计U型沟槽，可增加回复侧空气的容纳空间。
该阀在24电压驱动下，最高频响可达1200Hz，寿命为50亿次以上，流量为50L/min，但最低能耗仅为4W，并可长期连续通电[28]。
固定孔
out
复位弹簧
线圈
衔铁
阀口
上阀体
电磁铁
阀体气流孔
图1.7Ulutag的大流量髙速开关阀
图1.9为宁波利达气动成套有限公司发布的二位三通开关阀。
这是国内技术比较成熟的微型气动高速开关阀之一。
它的特点在于阀芯密封采用双设置，排气口与进气口共用一个密封圈6放于阀芯7中，进气口的密封圈放于动铁芯组件12中，密封圈6的另一面套入铁芯弹簧4与后盖5相抵，后盖5与阀体6用卡板相连。
这种设计的优点是阀芯之间同轴度要求降低，体积小，耗材少，加工组装便捷，同时阀芯7采用塑料材料，降低运动部
1.卡板2.手动杆3.第一O型圈4.手动杆弹簧5.动铁芯组件6.套管组件7.动铁芯弹簧8.线圈组件9.电源线10.阀芯11.阀芯密封圈12.后盖13.铁芯弹簧14.第二O型圈15.阀体16.方形垫片
图1.9宁波利达公司的高速开关阀
件质量。
该阀在12V驱动电压下最低功率仅为0.7w[29]。
1.4研宄内容
本文在国内外研宄应用基础上，以机械学、电磁学、气体动力学、电力电子技术等多学科交叉为基础，通过数学建模、仿真分析、试验验证等方法对低功耗、大流量气动高速开关阀进行研宄，分析相关参数对高速开关阀性能的影响规律，最终达到优化高速开关阀结构，为大流量高速开关阀的设计开发提供理论依据的目的。
本文的重点在于高速开关阀的结构设计及其电磁铁的性能优化设计，从而解决高速开关阀流量与响应特性之间的矛盾，最终实现低功耗
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