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1、 浙江工业大学博士学位论文液压弹射机构设计及其关键控制元件的研究作者姓名: 赵伟指导教师: 阮健教授浙江工业大学机械学院年月: :.浙江工业大学学位论文原创性声明本人郑重声明:所提交的学位论文是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外,本论文不包含其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果,也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。吼郴年占月日储虢越仰学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并
2、向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于、保密口,在 年解密后适用本授权书。、不保密瓯请在以上相应方框内打“”作者签名: 日期:跏哆年月舌日导师签名:日期:劬弦月日书也液压弹射机构设计及其关键控制元件的研究摘 要弹射机构利用系统预先储存能量的快速释放实现对弹射对象的瞬间加速,广泛应用于现代军事及普通工业,如航母飞机的弹射起飞、导弹的弹射发射、弹射救生座椅、汽车碰撞试验等。根据动力元件的不同,弹射机构主要分为机械式、燃气式、
3、压缩空气式、蒸汽式、电磁式以及液压式,其中,液压弹射机构具有功率重量比大、响应速度快、控制精度高、易于实现缓冲、噪声小等优点,在高性能的应用场合逐渐受到重视。液压弹射机构以液压缸活塞的高速运动为主要特征,关键技术难点包括大功率瞬时能源的供应、高速液压执行元件的密封与缓冲、高速大流量的弹射控制阀及其导控级高频伺服阀的研制开发,可见,液压弹射机构属于高速大功率液压系统,随着液压设备正朝着高速、大功率、低噪声方向发展,对上述关键技术的研究成果,具有广泛的应用前景。本文首先对液压弹射机构的发展现状和相关应用领域进行了总结和分析,论述了高速液压缸和高频响、大流量伺服阀的研究现状,在此基础上,对液压弹射机
4、构及其关键控制元件一高频、大流量伺服阀开展研究,主要研究内容及成果如下:.针对特定的应用场合,主要提出以下几种液压弹射机构原理方案,一是低速液压弹射机构,其液压缸活塞最大速度达到/,活塞加速时间约,并对其进行改进设计;二是高速液压弹射机构,设计指标为活塞初始行程时速度达到/以上,最大速度达到/;三是双液压缸同步弹射机构,两个液压缸同步弹出,最大速度/;还有超高速液压弹射机构,对应活塞速度达到/以上。以高速液压弹射机构为例,讨论了弹射机构的参数计算及结构设计。.为解决高速大流量开关阀的流量和响应速度之间的矛盾,提出了双节流口并联输出的结构方案,对开关阀的零位泄漏特性、阀口流动特性以及压力特性进行
5、理论分析和实验研究,其在进出口压差下的流量达到/,建立了开关阀阀芯运动过程的数学模型,分析了结构参数对其动态特性的影响,并搭建样机进行了实验验证,在工作压力下,开关阀的开启时间低于,探讨了筛阀的结构方案。.为提高频响和流量,将圆孔型导控结构的伺服阀改成满弓型结构,通过对伺服阀的静态特性分析,其导控级零位泄漏在时约为./,建立了伺服阀伺服螺旋机构的数学模型,通过线性和非线性仿真分析了工作压力、初始弓高、面积梯度等对频率特性和阶跃响应特性的影响,理论分析表明圆孔型导控结构在.幅值衰减下的频响约,而满弓型则达到,实测满弓型阶跃响应时间约.,圆孔型约,证明了满弓型结构较圆孔型的动态特性有显著提高,为研
6、制高频、大流量伺服阀奠定基础。摘 要.为解决液压缸活塞的高速缓冲,提出活塞式液压缸缓冲结构,理论分析表明活塞初始间隙对缓冲腔峰值压力影响最为显著,建立了活塞式缓冲结构的动力学模型,通过仿真和实验研究了活塞式缓冲过程的动态特性,其能够在缓冲行程内将活塞速度由/降至./以下,分析了结构参数对缓冲性能的影响,在此基础上,进一步提出了两级缓冲和组合缓冲,并探讨了超高速液压缸的结构方案。.建立了由蓄能器一开关阀一液压缸组合的高速液压弹射机构的工作过程的数学模型,利用软件仿真分析了结构参数和工作参数对弹射机构动态特性的影响,并搭建了样机进行实验,表明弹射机构在工作压力下,时间内,将负载加速至/且活塞初始位
7、移时的速度达到./以上。.对双缸闭环液压弹射机构及其关键技术进行了分析,利用闭环液压弹射机构的数学模型研究了双缸同步开环控制特性,并通过建立近似的线性化传递函数,研究了双缸同步闭环控制特性,理论上,闭环阶跃响应时间约为。关键词:液压弹射机构,大流量开关阀,高速液压缸,液压缓冲,伺服阀浙江工业大学博士学位论文月 ? , , 。,?, , ., ,. , . . ,? , .吐?. ?, , ., . 幽 ,一,:.,., /,., /./,./。 曲一 , /.些兰坐竺,.? , 】 .,./口 . ,.,. ,九 , ./., ., , ., ,., , . . 曲. 曲,饥 . . /,./
8、 . 仃, , .仃. .; 妇 . . / . /,. . ? ,浙江工业大学博士学位论文.?: ,曲浙江工业大学博士学位论文目 录摘:?.目 录?.第章绪 论.研究背景及意义.液压弹射机构及其关键技术发展概况.液压弹射机构发展概况.高速液压缸技术现状?.高频电液伺服阀发展现状.液压弹射机构的性能评价指标?.液压弹射技术应用领域探讨?. .本论文研究内容?一.本章小结第章液压弹射机构的原理方案及结构设计.?.低速液压弹射机构原理方案及改进设计.低速液压弹射机构工作原理.低速液压弹射机构的改进设计?.高速液压弹射机构的原理方案及设计?.高速液压弹射机构的性能指标?.高速液压弹射机构的原理方案?
9、.高速液压弹射机构的参数计算?.,.高速液压弹射机构的结构布局?一.超高速液压弹射机构的设计探讨.超高速液压弹射机构的原理方案?.超高速液压弹射机构的关键技术?一.本章小结?.第章高速大流量开关阀的研究.高速大流量开关阀的原理及结构设计?.,.高速大流量开关阀的工作原理?一.高速大流量开关阀的结构设计?一.大流量开关阎的特性分析一.零位泄漏特性分析?一.阀口流动特性分析?一.阀口压力特性分析?目 录.伺服阀原理及改进设计?.伺服阀的工作原理.满弓型伺服阀.高速超大流量阀的设计探讨一筛阀?.本章小结?.第章满弓型伺服阀的研究?.满弓型伺服阀静态特性研究?.伺服螺旋机构的输入输出特性?.导控级的零
10、位泄漏特性?.满弓型伺服阀动态特性研究?.数学模型?一.线性化分析?.非线性分析?.满弓型伺服阀的实验研究.导控级零位泄漏测试。.阶跃响应实验.正弦响应实验一.满弓型伺服阀的电一机械转换器. 本章小结?.第章高速液压执行元件的研究?。高速液压缸活塞式缓冲机构的研究.活塞式缓冲机构原理.活塞式缓冲结构的分析?一.活塞式缓冲机构的动态特性研究?.活塞式缓冲结构的改进设计.高速液压缸的设计?.高速液压缸的密封?一.高速液压缸的结构设计?.超高速液压缸设计探讨.高速活塞式蓄能器的设计?.高速活塞式蓄能器的密封设计?.高速活塞式蓄能器结构设计一.本章小结第章高速液压弹射机构动态特性的研究.?.大流量开关
11、阀的动态特性研究?.数学模型?.状态方程?一.微分方程/方程组的四阶龙格一库塔法?.阶跃响应?一.高速弹射机构动态特性研究浙江工业大学博士学位论文.数学模型?.。.结构参数与工作参数对动态特性的影响?一.实验研究.大流量开关阀的实验研究?.液压弹射系统的实验研究?.本章小结第章双缸同步闭环液压弹射机构的研究.闭环液压弹射机构工作原理?.闭环液压弹射机构关键技术?一,.液压动力模拟实验装置?.双节流口并联的满弓型伺服阀.闭环液压弹射机构动态特性研究.非线性数学模型.结构参数和工作参数的影响.双缸同步开环控制特性分析.双缸同步闭环控制特性分析.本章小结?.第章总结与展望?.论文总结?.论文主要创新
12、点?.后续展望?参考文献致谢.攻读学位期间参加的科研项目和成果目 录论第章绪.研究背景及意义弹射机构利用系统预先积蓄的能量在可控制条件下的快速释放对弹射对象进行瞬间加速,使其获得极大的初始动能,广泛应用于现代军事及普通工业之中,最著名的例子当属航母的蒸汽弹射系统,其能够对重达三四十吨的飞机进行弹射,在几十米的距离内将其加速至每秒近百米的起飞速度,其它应用如导弹的弹射发射装置、弹射救生座椅、无人飞机弹射发射装置、汽车碰撞试验等】。弹射机构由于用途不同,技术要求和结构千差万别,但其工作过程基本相同,一般包括能量存储机械能、化学能以及其它形式的能量、发射控制、弹射执行元件加速及缓冲执行元件减速停止四
13、个阶段,根据所使用动力形式的不同,弹射机构可作如下分类即】:机械式,如弓箭和投石车,能量储存不易、弹射能量较小;炮式火药,能够获得极大的初始速度,但冲击过载严重,过程不受控制,应用较少;高压气体式,能够获得较高的弹射速度,缺点是设备笨重,噪声大,高压气瓶工艺难度大;燃气式,将化学能转化为对象的动能,体积小能量大,缺点是燃气温度高超过,高温损伤问题严重:蒸汽式,能量大但体积庞大,效率极低;液压式,快速性好,功率重量比大,精度高,缺点是设备精密复杂,不易维护;电磁式,实质是直线电动机,弹射过程可控性好,缺点是存在强磁场干扰。随着科学技术的进步,新的应用环境和应用场合的不断涌现,对弹射机构的性能要求
14、不断提高,例如新一代战机追求隐身性能、超音速巡航和高机动性等,要求其机载武器必须内置于机身的武器舱内,作战时导弹首先通过弹射装置弹出机体后再点火发射,以避免导弹发射时的燃气流对飞机自身的干扰,弹射装置需在极短时间内以较快初速度第章绪 论将导弹抛出,传统的滑轨式或抛放弹弹射方式已经不能满足要求引,需研制更高性能的弹射发射装置。又如,随着声呐探测技术的提高,对潜艇降噪技术提出更高的要求,传统的潜艇鱼雷采用压缩气体弹射发射,存在高压气体的流动嗓声且不易减噪,必须研制低噪音鱼雷弹射发射技术【。现代高性能弹射机构性能要求一般包括快的响应速度、工作周期短、重量轻、末速度大、精度高、隐蔽性好等。液压传动与控制技术是自世纪年代以来,为适应军事及普通工业中高端机电控制技术的需要而发展起来的,其以高压流体为工作介质,拥有目前尚无可替代的优势,如高功率密度、快速动态响应、高控制精度等,因此,以液压传动
