直动式压电气动伺服阀阀芯运动系统建模分析.pdf

液 压 气 动 与 密 封／ 2 Ol 1年 第 4期 直动式压 电气动伺服阀阀芯运动系统建模分析 惠伟安 蒋 宝中 路 波 王 国栋 。 1 ． 国家气 动产品质量 监督检验 中心 ， 浙 江奉化3 1 5 5 0 0 ； 2 ． 奉华 市气动工业 协会 ， 浙江奉 化3 1 5 5 0 0 ； 3 ． 天津 电气传动设 计研究 所 ， 天津3 0 0 1 8 0 摘要 本文主要研究气动控制领域的直动式压电气 动伺服阀。阀芯运动机构是该 阀设计 的核心部分 ， 主要由作为动力源的积层式压 电驱动器 、 柔性铰链微位移放大机构 、 阀芯 、 弹性回复机构 以及相应 的连接件组成。设计基于柔性铰链微位移放大机构的阀芯运动机 构 ， 结合有 限单元法对 阀芯运动机构进行静力学与动力学的仿真分析 ， 验证理论分析 ， 为直动式压电气动伺服 阀总体设计 以及控制策 略的选择提供理论依据。 关键词 直动式压电气动伺服阀 积层式压 电驱动器； 静力学与动力学； 有限元分析 中圈分类号T H1 3 8 ． 5 1 文献标识码 A 文章编号 l 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 1 0 4 0 o l 4 0 4 Mo d e l i n g a n d An a l y s i s o f Co r e Mo t i o n S y s t e m i n Pi e z o e l e c t r i c b a s e d Di r e c t a c t i o n Pn e u ma t i c S e r v o Va l v e HU ／ We i - o i l J I A N G B a o - z h o n f L U B o W AN G C o - d o n d 1 ． N a t i o n a l Q u a l i t y S u p e r v i s i o n A n d I n s p e c t i o n C e n t e r O f P n e u m a t i c P r o d u c t s ，F e n g h u a 3 1 5 5 0 0 ， C h i n a ； 2． F e n g h u a Pn e uma t i c i n d us t a s s o c i a t i o n ， Fe n g h u a 3 1 5 5 0 0， Ch i n a； 3 ． T i a n j i n e l e c t r i c i t y t r a n s mi s s i o n d e s i g n i n s t i t u t e ，T i a n j i n 3 0 0 1 8 0 ， C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r ma i n l y r e s e a r c h e s i n t h e fi e n d o f p n e u ma t i c c o n t r o l t h e p i e z o e kc t r i c b a s e d d i r e c t - a c t i o n p n e u ma t i c s e r v o v a l v e s ． Va l v e c o r e mo v e me nt me c ha ni s m i s t h e c o r e o f t h e v a l v e de s i g n pa r t ， ma i n l y by a s p o we r s o u r c e s p r o du c t l a y e r t y p e pi e z o e l e c t r i c a c t u a t o r s ， fl e x i b l e h i n g e mi c r o d i s p l a c e me n t a mp l i fi c a t i o n me c h a n i s m， v a l v e c o r e ， e l a s t i c r e c o v e r y i n s t i t u t i o n s a n d t h e c o r r e s p o n d i n g fit t i n g s c o mpo n e n t s ． De s i g n ba s e d o n t he fle x i bl e h i n g e mi c r o di s p l a c e me nt a mpl i fic a t i o n me c h a ni s m o f v a l v e c o r e mo v e me n t me c h a ni s m， c o mb i n e d wi t h fi n i t e e l e me n t me t h o d f o r v a l v e c o r e s p o r t s o r g a n i z a t i o n s w e r e s t a t i c s a n d d y n a mi c s o f t h e s i mu l a t i o n a n a l y s i s ， t h e t h e o r e t i c a l a n a l y s i s f o r t h e p i e z o e l e c t ric b a s e d d i r e c t a c t i o n p n e u ma t i c s e r v o v a l v e s o v e r a l l d e s i g n a n d t h e c o n t r o l s t r a t e g y o f t h e c h o i c e t o p r o v i d e the t h e o r y b a s i s ． Ke y W o r d s t h e p i e z o e l e c t ri c- b a s e d d i r e c t - a c t i o n p n e u ma t i c s e r v o v a l v e s ； l a y e r t y p e p i e z o e l e c t ri c a c t u a t o rs ； s t a t i c s a n d d y n a mi c s ； fin i t e e l e me nt a n aly s i s U 刖 舌 压电阀因具有响应速度快 、 功耗小 、 便于数字化控 制 等特 点而被 广泛 研究 ，在 国外 己经 大量用 于柴 油机 电控燃油喷射系统[ 1 J 。总体来看， 国内对压电阀的研究 主要集中在高速液压开关 阀方面等少数领域 ，进一步 加强 对压 电 阀的研究 ，特 别是 面 向产 品开发 的压 电 阀 研究有 着重要 意义[ 2 1 。 本 文 主要研 究 面向气 动控 制领 域 的直动式 压 电气 动伺服 阀。阀芯运动机构是 该 阀设计 的核心 部分 ． 主要 由作 为动力源 的积层 式压 电驱动器 、 柔性 铰链 微位移放 基 金项 目 宁波市 自然科学基金资助项 目 2 0 1 0 A 6 1 0 1 3 0 收 稿 日期 2 0 1 0 一 l 1 - 0 8 作者简介 惠伟安 1 9 8 2 一 ， 男 ， 工学 硕士 ， 主要 研究方向为气动伺 服控制 技术。 1 4 大 机构 、 阀芯 、 弹性 回复机构 以及 相应 的 连接件 组成网 。 设计基于柔性铰链微位移放大机构的阀芯运动机构 。 结合有限单元法对阀芯运动机构进行静力学与动力学 的仿真分析 ， 验证理论分析 ， 为直动式压电气动伺服阀 总体设计以及控制策略的选择提供理论依据。 l 杠杆式阀芯运动机构 的工作原理 图 1 所 示 的杠杆 式 阀芯运 动机 构 的结构示 意 图可 以看出，杠杆式位移放大机构可以使积层式压电驱动 器置 于阀体 的上 方 与阀芯 运 动的方 向平 行 ．使 得 整个 阀体 的长度 大为减小 ， 结构 紧凑 。下面对杠 杆式 阀芯运 动机构的结构及工作原理作以介绍 。 本 设计 中拟 采用 P i e z o m e c h a n i k公 司的 P S t 1 5 0 ／ 7 ／ 8 0 型积层式压电驱动器作为动力元件 ， 具体参数如表 l 所 示。当施加到积层式压 电驱动器的外加 电压增加时． 积 Hv d r a u l i c s Pn eu ma t i c s Se a l s ， NO ． 4． 2 0l 1 层式压电驱动器伸长 ，推动柔性铰链放大杠杆的位移 输 入端 ， 形 成 输 入位 移 D i ， 放 大杠 杆 绕 杠杆 支点 转 动 ， 放大后的位移 D o由杠杆的输出端传递至滑阀阀芯， 再 推动 弹性 回复板 实现 滑 阀 的左移 当外 加 电压 减小 时 。 积层 式压 电驱 动 器缩 短 ．在 弹性 回复板 的 回复力 的作 用下 ， 滑 阀右 移 ， 从 而 实现 了滑 阀 的双 向运 动． 柔性 铰链 放大杠杆与滑 阀之间的钢球的作用是减小滑阀受到的 径 向力 ， 以减 小滑 阀与 阀套 间的摩 擦 。 图 1 杠杆式阀芯运动机构原理图 表 1 P s l 1 5 0 ／ 8 0型积层式压电驱动器性 能指标 2 主要设计参数 如 图 2 、 图 3所示柔 性铰链 和 杠杆式 放 大机构 的具 体参数为 E l 3 5 G P a ； A 0 ． 3 ； 0 ． 4 m m； R O ． 2 5 m m； T -- 5 m m； a 1 0 m m； b 3 0 mm。可知该杠杆式放大机构的理 论 放大倍数 为 A b l a 3 。 图 2 柔性铰链实体模 型的结构参数图 图 3杠杆式放大机构示意图 3 机构的三维建模 利 用 A N S Y S软 件 建立 杠 杆 式 阀芯 运 动 机 构 的三 维实 体模 型 ， 如 图 4所 示 。 圈 工一．一 一． 一 图 4杠杆式阀芯运动机构有限元模型 4 数学模型 杠杆式在实际应用 中，载荷为常力的情况较为少 见 ， 多数 为变 力载荷 。通 常情 况下变 力载荷 为具 有一定 刚度的弹簧载荷。具体方程为[ 5 1 。 一 。 彘 。 一 丧 Dj AL K i 1 ／ ／ 1 0 K T 1 2 3 4 5 式 中 积 层式 压 电驱 动器 的刚度 ； ．j } i 输人 刚度 ； △￡。 外部弹簧载荷下压电驱动器的位移量 ； A L 名义位移变化量 ； 外部 弹簧载 荷引 起 的位 移量损 失 ； D； 杠杆 放大机 构输 人位移 ； 弹性 回复 板 的刚度 。 5 杠杆式 阀芯运动机构建模分析 5 ． 1 杠 杆式 阀芯运 动机构 静 力学分 析 杠 杆 式 阀芯运 动 机构 输 出位 移 的理论 模 型较 为 简 单 ， 由式 1 、 式 3 可得杠杆式阀芯运动机构的输出位移 D o A L A 6 代入计算得 D 2 1 8 ． 7 1 ．z m。由式 4 、 式 5 可 以得 到输入 刚度 、 弹簧板 刚度 ， 具体 见表 2 。 表 2杠杆式放大机构 的静态性能参数表 1 5 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 Ol1年 第 4期 为进 一 步分 析 杠杆 式 阀 芯运 动 机 构 的输 出位移 ， 建立杠 杆式 阀芯 运动机 构 的有 限元 模型 如 图 4 ， 分 析 机构 的放大倍数 及输入 刚度 ，验证 理论分 析 的正确性 ． 在杠杆的输入端施加位移约束 U x 7 2 ． 7 e 一 6 m，得到图 5 所示 的位 移场分 布 ，可 以查得每 一节 点的位 移状 态． 列 出沿杠 杆长 度方 向节点 的位 移 ，得 到各位 置节 点对应 的位移曲线 ， 如图6所示。图中对比了理论计算结果与 有 限元 分析结 果 。可 以看 出杠 杆在 弹性 恢复 板 的作用 下 产生 了挠 曲 ，柔性铰 链 的中心 点产生 了 0 ． 6 1x m 的偏 移 量 ， 柔性 铰链 的位 移输 出端 的位 移 为2 0 2 ． 1 m， 其 放 大倍数 为 2 ． 7 8倍 。表 2列 出 了理 论计算 结果 与有 限元 分析结 果 ，造成 有 限元 分 析结果 低 于理论 计算 结果 的 原 因是 柔性 铰链 放大杠 杆产 生一 定 的弯 曲变形 ，而 理 论计算 中假设杠杆为刚性 ，因此二者计算结果发生了 偏 差。从结 果 中可 以看出二 者的偏差较 小 ， 说 明理论计 算值亦具有一定的计算精度。 图 5 杠杆式阀芯运动机构位移场分布 DI p ． m 图 6 杠杆式元阀芯运运机构理论值与有限元分析结果对比 5 ． 2 杠杆式阀芯运动机构 A n s y s动力学有限元分析 首先 进行 模态 分析 ．确 定杠杆 式 放大机 构 的振动 特 性嘲 固有频率 和振型 。对 图 4所建 的有 限元模型进 行模 态分 析 。在杠 杆式 阀芯 运动机 构 的柔性 铰链 左端 面施 加 固支约束 ； 弹 性 回复板 的 四周 施加 固支 约束 阀 芯部 分施加 、 方 向的约束 ， 在 方 向为 自由 ， 与实 际 阀芯运 动 的的约束相一 致 。得 到各阶 的固有频率 ． 如 表 3所示 。可见第 一阶 固有频率仅 为 4 1 1 ． 7 2 H z ， 根据 杠 杆式阀芯运动机构 的动力学仿真分析 ，提高弹性 回复 板的刚度可以提高系统的固有频率 。增加弹性回复板 的厚度 ， 重新建 立有 限元模 型 ， 使一 阶 固有频 率提 高至 1 6 1 0 0 0 H z以上 。表 4列 出 了杠杆 式 阀芯 运动机构新 建模 型的固有频率及模态 ， 第一阶固有频率为 l 0 3 5 ． 9 Hz ， 其 变 形 规律 与 阀 芯要 求 的运 动 规律 相 符 ． 其 振 动 方 向为 阀芯运动 的方 向 ， 证明 了结 构设计 的合理性 。 表 3 杠杆式阀芯运动机构动各阶固有频率 表 4阀芯运动机构的前四阶固有频率及振动模态 进行模态分析之后， 利用 A n s y s 软件对杠杆式阀芯 运动机构 进行 了谐 响应 分析 ， 确定机构 在承受 随时 间按 照正弦 简谐 规 律变化 的载荷是 的稳态 响应用 采用 F u l l 法求解， 模型仍采用模态分析时建立的实体模型。划分 网格之后 ， 对实体模型施加载荷及约束 ， 在杠杆式放大 机构的位移输人端施加 4 0 0 N的输入力载荷． 其它约束 条 件与静 力学 分析 中相 同 、 分析 类 型选择 H a r mo n i c 谐 响应 ， 定 义分析 的频 率 范 围为 0 1 5 0 0 H z ， 图 7为桥式 阀芯运动 机构位 移输 出端 的子步数 定 为 3 0 ， 即每 5 0 H z 作为频率增加的步长 。幅频特性 曲线 ， 由图可知 ， 在 l 0 5 0 H z时 ， 机构输 出位移 出现峰值 ， 与前述模态分析 得出 的一 阶 固有 频率 1 0 3 5 ． 9 H z 相符 。 f 1 0⋯、 l ， ＼ ／ 、、 ～ rKEU 图 7 阀芯位移幅值随频率变化曲线 6 结论 本文 利用 杠杆 式微 位移 放大 机构设 计 了 阀芯运 动 机构 ， 建立 了阀芯运 动 的系统 模 型 ． 研 究分 析 了静 动 态 性能 ， 找 出影 响性 能的 主要 因素及 影响 规律 ， 得 到 了阀 芯位 移与一 阶 固有频 率 。对杠 杆式 阀芯 运 动机构 进行 了模 态 分 析 与 谐 响 应 分 析 得 到 了机 构 的 一 阶 固有 频 率 ， 进 一步 验证理论 模型 的正确性 。有 限元 分析结 果表 明 ，由 P S t 1 5 0 ／ 7 ／ 8 0型积层式 压电驱 动器结合 弹性 回复 板 驱 动 的 杠 杆 式 阀 芯 运 动 机 构 的 阀 芯 位 移 达 到 2 0 2 m， 固有频率 达到 1 0 5 0 Hz 。 Hv dr a ul i c s Pn e uma t i c s＆ Se a l s ／ NO．4． 201 1 泵车泵送系统 L a b V I E W 建模方法研究 刘 蕾 曾发林 黄 宝磊 嫦 娥 李德华 江苏大 学 汽车 与交通 工程 学 院 ， 江 苏镇江2 1 2 0 1 3 摘要 L a b V I E W 软件是一种 图形 化的编程 工具 ， 人机交互 界面方便且带有仿真 与控制 设计 模块 ， 可以进行系统的数学建模与仿真 。 为此 ． 在深人研究某款 T H B 3 8型号混凝土泵车液压系统工作原理 的基础上 ． 采用功率健合图与 L a b V I E W 软件相结合方法建立 了其泵 送系统的数学建模 ， 并进行 了正常泵送和发生混凝土堵管故障两种工况下 的仿真分析。仿真结果表明 该建模方式能满足仿真精度要 求 ， 可 以用来方便地研究泵送系统故障发生前 、 后系统 动态特性的变化 ， 以便达到全面掌握混凝土泵车液压系统动态特性的 目的。 希望 该建模方式对其他系统 的建模能提供一些参 考和指导 。 关键词 混凝 土泵车 ； 键合 图； L a b V I E W； 仿真 中图 分类 号 T U6 4 6 文 献 标 识 码 A 文 章 编号 1 0 o 8 0 8 l 3 2 0 1 1 0 4 一 o 0 1 7 0 4 S t u d y o n L a b VI EW M o d e i n t h e Pu mp i n g Hy d r a u l i c S y s t e m o f Con c r e t e Pu mp i n g Tr u c k L I U L e i Z ENG F a - l i n g HU ANG B a o l e i C HANG E L I De - h u a S c h o o l o f A u t o m o b i l e a n d T r a f fi c E n g i n e e r i n g ，J i a n g s u U n i v e r s i t y ，Z h e n j i a n g 2 1 2 0 1 3 ，C h i n a Ab s t r a c t L a b VI E W s o ft i s a c o n v e n i e n t p r o g r a mmi n g t o o l ， a n d i t c o n t a i n s t h e mo d u l e o f s i mu l a t i o n a n d c o n t r o l d e s i g n ， S O i t c a n b e u s e d t o d o mo d e l i n g a n d s i mu l a t i o n ． S o i n t h i s p a p e r t h e w o r k p ri n c i p l e o f p u mp i n g h y d r a u l i c s y s t e m i n a c o n c r e t e p u mp t r u c k wi t h T HB3 8 mo d e l wa s a n a l y z e d ． T h e n i t s ma t h e ma t i c a l mo d e l w a s s e t u p b a s e d o n p o we r b o n d g r a p h a n d L a b VI E W ． Th e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h i s mo d e l i n g mo d e i s a c c u r a c y a n d t h e mo d e l c a n b e u s e d t o s t u d y t h e d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c o f t h e c o n c r e t e p u mp i n g t r u c k ． W e h o p e i t c a n s u pp l y a r e f e r e n c e f o r t he mo de l i n g o f o t he r s y s t e ms ． Ke y W or d s c o n c r e t e p u mp ； po we r bo n d grap h ； L a bVI EW ； s i mu l a t i o n 0 引言 混 凝土 泵 车是 建筑 行业 的重要 生 产 工具 ，作 为 现 代 化施 工 手段 的混 凝 土泵 车 以其输 送 量 大 、输送 速 度 收稿 日期 2 0 1 0 0 9 3 0 作者简介 刘蕾 1 9 8 6 一 ， 男， 江苏大学汽车与交通工程学院在读研究生 车辆工程专业 ， 主要从事工程车辆 液压 系统仿真与研究。 一 一 - - 一 一 - - - - - 一 - 一 一 一 - - 快 等特 点 ， 对 于加 快施 工 进度 、 降低施 工 成本 具有 不 可 替代的作用。由于混凝土泵车结构复杂 ， 集机电液于一 身 ， 所以在进行液压系统设计时 ， 仅仅对其进行静态分 析还远远不够 ， 还需要对其动态特性进行分析f 1 ] 。为此 ， 本 文 以某 公 司生产 的 T HB 3 8型 混凝 土泵 车为例 ，利 用 L a b V I E W 软 件对 其泵 送 系统进 行建 模 与仿 真 ，并 模拟 堵 管故 障 发生 前后 系 统动 态 特性 的变 化情 况 ，以期 达 参考 文 献 [ 1 】 王传礼 ， 丁凡 ， 等． 基 于超磁致伸缩转换器 喷嘴挡板 阀的控制 压力特性【 J J ． 机械工程学报， 2 0 0 5 ， 4 1 5 ． [ 2 】 朱玉川， 马大为， 等． 超磁致伸缩材料在 流体控制 阀中的应用 与展望【 J J ． 液压 与气动， 2 0 0 4 ， 3 6 5 ． [ 3 】 L e L e t t y R ． ， L h e r me t N ． ， P a t i e n t G ． ，C l a e y s s e n F ． ，L a n g ， M ．Valv e s b a s e d o n a mpl i fie d p i e z o e l e c t ric a c t ua t o r s ． Pr o c e e di ng s o f S pa c e Pr o p ul s i o n 2 0 04 4t h I n t e r n a t i o n al S pa c e c r a f Pr op u l s i o n Co n f e r e n ce ， S a r di n i a ， Eur o p e a n Sp a c e Ag e n c y． 2 0 0 4 3 33 3 38． 【 4 】 Y o k o t a S ， F u w a A．H i g h s p e e d d i r e c t s e r v o v alv e w i t h n o l e a k f o r e x t r e m e e n v i r o n m e n t s u s i n g a n o b s e r v e r [ J ] ． T r a n s a c t i o n s o f t h e J a p a n S o c i e t y o f Me c h a n i c a l E n g i n e e rs P a r t B ． 1 9 9 5 ， 6 1 5 8 1 1 9 4 2 0 0 ． [ 5 】 范光荣． 液气压阀类元件用压 电致 动器微位移放大机构设计 与实验【 D 】 ． 云林科技大学硕 士学位论文， 2 0 0 5 ． 【 6 】 娄利 飞， 杨银堂， 张军琴， 李跃进． A n s y s 在 P Z T压 电薄膜微传 感器压 电分析 中的应用[ J ] ． 机械科 学与技术 ， 2 0 0 5 ， 2 4 7 ． [ 7 】 朱茂桃， 何志刚， 徐 凌， 李志兵． 车身模态 分析 与振 型相关性 研 究f J 】 ． 农业 机械学报 ， 2 0 0 4 3 ． 1 7