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  • 正版✔双反馈负载控制阀设计与应用研究9787030832375刘建彬科学出版社 刘建彬✍正版全新稀缺好书现货
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正版✔双反馈负载控制阀设计与应用研究9787030832375刘建彬科学出版社 刘建彬✍正版全新稀缺好书现货

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  • 作者: 
  • 出版社:    科学出版社
  • ISBN:    9787030832375
  • 出版时间: 
  • 装帧:    平装
  • 开本:    16开
  • 页数:    179页
  • 字数:    242千字
  • 出版时间: 
  • 装帧:  平装
  • 开本:  16开
  • 页数:  179页
  • 字数:  242千字

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    • 商品分类:
      工程技术
      货号:
      6850034-NsM3x075Q
      商品描述:
      【内容简介】 
      《双反馈负载控制阀设计与应用研究》创新性地提出了级间液压-机械双反馈原理,攻克了大流量液压阀高精度流量控制与负载适应性协同优化的技术难题;通过建立双反馈负载控制阀正向设计方法,系统揭示了阀芯位移精确控制机理及液动力动态补偿机制,设计了带孔减振尾结构并通过多物理场仿真优化其参数;研究构建了涵盖静动态特性的完整仿真模型,开发了主阀芯-阀套、先导阀芯-阀套等核心组件设计体系,成功实现该原理在重型汽车起重机变幅系统中的工程应用。经台架测试与实车验证,双反馈系统展现出卓越的启闭特性与工况适应性。

      【目录】 
      目录
      “博士后文库”序言
      前言
      第1章 绪论 1
      1.1 研究背景与国家需求 1
      1.2 流量阀级间控制方式研究现状 2
      1.2.1 机械反馈方式在流量阀中的应用 3
      1.2.2 液压反馈方式在流量阀中的应用 5
      1.3 负载控制阀技术现状 8
      1.3.1 直动式负载控制阀 8
      1.3.2 先导式负载控制阀 14
      1.4 本书内容安排 21
      1.5 本章小结 24
      第2章 级间液压-机械双反馈原理及特性 26
      2.1 级间双反馈原理 26
      2.2 双反馈原理特性分析 28
      2.2.1 双反馈原理与单反馈原理的对比 28
      2.2.2 双反馈原理可附加特性分析 30
      2.3 双反馈原理的应用 31
      2.3.1 单向/双向比例节流阀 31
      2.3.2 调速阀 32
      2.3.3 负载控制阀 33
      2.4 本章小结 33
      第3章 阀芯位移精确控制与负载适应性 35
      3.1 可动部件受力平衡与桥路液阻关系分析 35
      3.1.1 稳态受力平衡关系建立 36
      3.1.2 稳态液压桥路关系计算 36
      3.2 主阀芯位移控制特性分析 37
      3.3 阀芯位移控制负载适应性分析 38
      3.4 静态控制特性建模 40
      3.4.1 先导组件位移计算子系统 41
      3.4.2 先导阀口过流面积计算子系统 41
      3.4.3 主阀芯位移计算子系统 46
      3.4.4 液动力查表子系统 49
      3.4.5 面积比计算子系统 50
      3.4.6 主流量计算子系统 50
      3.4.7 其他子系统 52
      3.5 阀芯位移控制与负载压力适应性仿真 52
      3.5.1 阀芯位移控制特性仿真分析 52
      3.5.2 负载压力适应性仿真分析 55
      3.6 阀芯静动态特性测试试验台研制 58
      3.6.1 液压系统设计及元件选型 59
      3.6.2 电控及数据采集系统设计与实现 61
      3.7 阀芯位移控制与负载适应性试验验证 63
      3.7.1 阀芯位移控制特性试验验证 63
      3.7.2 负载适应性试验验证 65
      3.8 本章小结 67
      第4章 基于带孔减振尾的大流量锥滑阀液动力补偿 68
      4.1 滑阀液动力分析与补偿方案 68
      4.1.1 液动力分析 68
      4.1.2 补偿方案 69
      4.2 软件及计算模型 70
      4.2.1 CFD软件ANSYS/Fluent 70
      4.2.2 计算模型选择 71
      4.3 网格划分与边界定义 72
      4.4 无补偿液动力仿真与网格无关性验证 73
      4.5 减振尾关键结构参数优化 75
      4.5.1 *优减振尾直径的仿真研究 75
      4.5.2 *优连杆长度的仿真研究 78
      4.5.3 *优连杆长度下对*优直径的验证 79
      4.5.4 带孔减振尾尺寸的仿真优化 81
      4.6 液动力测试平台研制 87
      4.7 液动力及减振尾参数优化试验验证 89
      4.8 本章小结 91
      第5章 基于动力学的阀芯稳定性与启闭特性 93
      5.1 关键环节动力学建模 93
      5.1.1 运动部件受力分析和动力学方程 93
      5.1.2 容腔-节流口液压阻尼网络分析和动力学方程 94
      5.2 状态空间建模 96
      5.2.1 动力学方程线性化 97
      5.2.2 状态空间模型 99
      5.3 阀芯动态稳定性分析与优化 100
      5.3.1 典型工况分类与稳定性判断 101
      5.3.2 关键参数的根轨迹分析与稳定性优化 104
      5.4 整阀动力学建模 107
      5.4.1 总体建模思路 107
      5.4.2 运动部件S函数子模型搭建 107
      5.4.3 容腔和节流口子系统模型搭建 112
      5.4.4 整阀动态模型 114
      5.5 动态特性仿真分析与优化 116
      5.5.1 启闭特性分析 116
      5.5.2 补偿阻尼对开启过程的影响 118
      5.5.3 快关阀口对关闭过程的影响 118
      5.5.4 启闭特性先导控制 119
      5.6 动态特性试验验证 120
      5.7 本章小结 122
      第6章 双反馈大流量负载控制阀设计 123
      6.1 大流量负载控制阀性能需求 123
      6.2 双反馈原理适用性分析 125
      6.3 设计指标 127
      6.4 主阀芯设计 127
      6.4.1 主阀芯各压力作用面积计算 128
      6.4.2 主阀芯的“软限位”与“硬限位”设计 129
      6.4.3 主阀芯-主阀套的密封设计与校核 130
      6.5 先导阀芯设计 132
      6.5.1 快关阀口参数设计 133
      6.5.2 先导阀芯-先导阀套密封与强度校核 134
      6.6 其他结构设计 135
      6.6.1 控制活塞设计 135
      6.6.2 端盖设计 136
      6.6.3 整阀密封设计 138
      6.7 重要结构强度校核 139
      6.7.1 主阀体结构强度校核 139
      6.7.2 先导阀体结构强度校核 141
      6.7.3 主阀体-先导阀体连接强度校核 142
      6.8 本章小结 146
      第7章 双反馈负载控制阀应用 147
      7.1 样机试制 147
      7.2 大流量负载控制阀试验台研制 147
      7.2.1 液压系统设计及元件选型 148
      7.2.2 电控及数据采集系统设计与实现 151
      7.3 型式试验与分析 155
      7.3.1 单向导通特性 155
      7.3.2 流量控制特性 155
      7.3.3 快速开启/关闭响应特性 157
      7.3.4 负载压力补偿特性 159
      7.4 实车试验与性能验证 160
      7.4.1 实车测试原理 160
      7.4.2 中联起重机实车试验结果 161
      7.4.3 徐工起重机实车试验结果 167
      7.5 本章小结 170
      第8章 总结与展望 171
      8.1 主要研究结论 171
      8.2 研究方向展望 172
      参考文献 174
      编后记 180

      【文摘】 
      第1章 绪论
        1.1 研究背景与国家需求
        液压传动系统广泛应用于国民经济生产的各个领域,而液压阀是液压系统中用于控制液流的压力(压强)①、流量和流动方向的控制元件,是影响液压系统性能、可靠性和经济性的核心元件[1]。由工业和信息化部委托中国工程机械工业协会在2021年7月发布的《工程机械行业“十四五”发展规划》中明确指出在工程机械领域研制具有高效、节能、低噪、减振、多机组合、微机控制液压及气动工具产品,以及机、电、液一体化的先进产品,新型的气-液动力工具产品等,对中高端液压件等关键部件和技术实现突破,其中核心基础零部件可靠性、耐久性达到或接近国际先进水平,自给率达到90%[2]。在中国机械工业联合会2021年4月发布的《机械工业“十四五”发展纲要》中明确提出工程机械、大型锻压机械用高压、数字液压元件和系统,农业机械用静液压驱动系统等一批高端液压产品研发、生产取得重大突破[3]。
        在液压系统中,控制液流的压力、流量和流动方向的基本模式有两种:容积式控制(泵控)和节流式控制(阀控)。泵控液压系统效率较高,但响应一般较慢[4-12],且很难达到很高的控制精度。与泵控液压系统相比,阀控液压系统效率较低,但响应速度和控制精度较高[13-19]。因此,目前在绝大多数应用中,阀控液压系统仍处于绝对主流的地位[20-24]。
        液压阀可分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀三类,其中流量控制阀简称流量阀,其通过改变节流阀口开度来调节通过它的流量,以此实现对系统流量的控制,常见的是将之设置在执行元件的进油路、出油路或旁通油路上,用以达到调节执行元件速度的目的。流量阀因其能够根据输入信号比例地调节阀口过流面积的大小进而调节通过它的流量,在液压系统中常常扮演决定系统的调速性能好坏或动态过程是否快速、平稳的关键角色。流量阀既包括控制阀口过流面积与输入信号成比例变化的比例节流阀,又包括控制通过阀口流量与输入信号成比例变化的调速阀,还包括既需控制阀口过流面积与输入信号成比例变化,又需附加零泄漏、反向单向阀功能和平稳开启快速关闭等动态性能的负载控制阀(load control valve, LCV)。
        负载控制阀工程上常被称为平衡阀(counterbalance valve, CBV),广泛应用于存在超越负载工况的液压系统中,起到调控超越负载下放速度、反向单向打开、提供背压、防止吸空、负载保持和爆管安全等作用[25-28]。在科学研究与工程应用上,负载控制阀由于功能和用法相对固定、用途广、用量大,常常脱离传统的压力控制阀、流量阀和方向控制阀的一般分类而成为一类单*讨论和研究的对象[29-37]。但通过分析其功能特性不难发现,负载控制阀仍属于流量阀的范畴。相比于普通流量阀,负载控制阀以其应用的特殊性而存在高可靠性、零泄漏性、平稳开启快速关闭的动态特性和优异的负载适应性等诸多特性,是流量阀研究领域结构*复杂、技术含量*高的类型之一。
        工程机械行业是液压元件的*大用户,消费了60%以上的液压元件产品[38]。然而,目前在工程机械领域,高端多路阀、负载控制阀等高端液压阀大多依赖进口。据统计,国内主机厂商仅为其生产的挖掘机、起重机、混凝土泵车等工程机械配套的进口液压元件所支付的外汇金额,每年高达数十亿美元[39]。
        大流量是现代液压元件发展的两个重要趋势(高压和大流量)之一,而若想在流量阀中实现更大的流量等级,则必须借助使用各种级间控制方式,以先导级阀芯的开度来控制主级阀芯的阀口过流面积,进而实现控制信号的功率放大。在当前科学研究和工程应用中,两级或三级流量阀已经十分常见,而其级间控制方式种类繁多。下面将*先对流量阀中常见的级间控制方式进行分类并分述其研究和应用的现状,阐述各级间控制方式的优缺点和其在应用中存在的难题,其次对特殊的流量阀—负载控制阀的研究与应用现状进行梳理,介绍现有级间控制方式在二级大流量负载控制阀中应用的案例,着重总结普通流量阀级间控制方式在负载控制阀中应用所存在的困难。
        1.2 流量阀级间控制方式研究现状
        在多级流量阀中,一般通过先导阀芯控制主阀芯单侧敏感腔压力,进而控制主阀芯的运动。而为了实现比例控制,必须将主阀芯位移以各种形式反馈回来,实现主阀芯位移的闭环,进而实现其位置的比例控制。国际上将流量阀级间控制方式分为四种类型[40],如图1-1所示。
        图1-1(a)为典型的机械反馈(力反馈)型二级液压阀,该类阀通过反馈弹簧线性地将主阀芯位移反馈给先导阀芯,进而实现主阀芯位移的比例控制;图1-1(b)为电反馈型二级液压阀,其产生与近些年来电子测控技术的发展密不可分,该类阀直接测量主阀芯位移,并将其以电信号形式反馈给比较器,进而根据运算后的结果给定先导阀信号;图1-1(c)为液压反馈型二级液压阀,该类阀在主阀芯上设
        图1 1 流量阀级间控制的四种方式
        置开度与主阀芯位移相关的反馈阀口,进而影响敏感腔压力,实现主阀芯位移的比例控制;图1-1(d)为液压跟随型二级液压阀,该类阀通过巧妙的阀口设计,实现主阀芯对先导阀芯的跟随运动,进而控制主阀芯的位移,但从本质上讲,液压跟随型二级液压阀是液压反馈型的一种特例。
        上述原理中,电反馈型精度*高,响应*好,但存在结构复杂和成本较高等缺点,较低的可靠性和较高的成本限制了该控制方式在流量阀中的应用;相对而言,机械反馈型、液压反馈型和液压跟随型等级间单反馈原理可靠性高、成本较低,但往往存在精度较低和响应慢等缺点,限制了这些控制方式在比例流量阀、负载控制阀等领域的应用。
        1.2.1 机械反馈方式在流量阀中的应用
        机械反馈方式在液压阀中较早的应用为20世纪80年代浙江大学路甬祥院士提出的应用流量-位移-力反馈二通电液比例流量阀方案,其原理如图1-2所示。
        图1 2 路甬祥提出的应用流量-位移-力反馈二通电液比例流量阀
        该阀主要由比例电磁铁、先导阀芯、反馈弹簧、流量传感阀芯、调节器等部件构成。应用流量-位移-力反馈二通电液比例流量阀通过流量传感阀芯感知通过的流量大小,并将此流量值转化为自身位移,进而通过反馈弹簧将此位移转化为作用在先导阀芯上的弹簧力。反馈弹簧的弹簧力与比例电磁铁的输入电磁力相平衡,从而调节了先导阀口的开度,进而控制调节器敏感腔压力的大小。该阀通过流量传感阀芯及反馈弹簧的应用,将普通先导插装阀改进成了具有比例流量控制功能的二通电液比例流量阀,突破了沿用多年的定差减压阀加节流器的传统原理,在比例流量阀发展中具有十分重要的意义[41,42]。此外,通过流量传感阀芯与先导阀芯之间容腔至出油口的动压阻尼,还可实现流量传感阀芯到先导阀芯的动压反馈,进一步改善了该阀的动态性能。但该阀以额外的流量传感阀芯结构对通过阀的流量进行反馈,与传统的定差减压阀加节流器结构相比多出了一个阀芯,结构上更为复杂,且流量传感阀芯位移与流量之间的关系并非线性,这也增加了阀的设计、控制难度。
        在以上原理的基础上,美国密苏里大学哥伦比亚分校研制了另一种基于位移-力反馈原理的插装式比例节流阀[43,44],如图1-3所示。
        此阀的先导阀芯采用带锥面密封的滑阀形式,而主阀芯采用二通锥滑阀形式,先导阀口与进口压力至敏感腔的进口阻尼构成B型液压半桥,此半桥输出压力受先导阀口开度影响。当先导阀口开启时,敏感腔压力降低,主阀芯受力平衡被打破,主阀芯压缩反馈弹簧,主阀口开启,增大的反馈弹簧力使先导阀芯向关闭方向移动,先导阀口关小,敏感腔压力升高,*后两个阀芯分别达到各自的受力平
        图1 3 密苏里大学哥伦比亚分校研制的基于位移-力反馈原理的插装式比例节流阀
        衡。与应用流量-位移-力反馈二通电液比例流量阀不同的是,此阀直接通过反馈弹簧将主阀芯位移反馈给先导阀芯,而不再通过一个与流量正相关的流量传感阀芯对先导阀芯施加力反馈。结构上,此阀更加简化集成,但无疑,此阀不能实现流量正比于输入电流,且与进出口压力无关,而是变为了一个比例节流阀。若要实现比例流量功能,需要建立准确数学模型或将全面的试验数据导入控制系统,由控制系统来补偿进出口压力对流量的影响。
        1.2.2 液压反馈方式在流量阀中的应用
        通过在控制阀芯上开矩形槽将阀芯位移以液压信号的形式进行反馈的液压反馈方式*早由瑞典林雪平大学(Link?ping University)的Andersson[45]提出,由于能够实现流量放大功能,依据电子领域的三极管(transistor)命名方式将此原理比例节流阀命名为液压三极管(valvistor)。相关技术在威格士(Vickers)公司得到产业化应用,并*终形成了该公司的HFV系列二通比例节流阀。HFV系列二通比例节流阀结构如图1-4所示。
        图1-4中,HFV系列阀以主阀芯的轴向油口为高压进油口,以其侧向油口为出油口,在主阀芯尾部开有矩形反馈阀口,该阀口开启面积与主阀芯开度线性正相关,阀口底部有小孔与进油口相连。先导阀采用比例阀,反馈阀口与先导阀共同构成了A型液压半桥,该液压半桥的输出压力即为主阀芯后部敏感腔。由于在主阀芯关闭时,其后部反馈阀口仍有一个较小的初始开口(负遮盖),故当先导阀关闭时,敏感腔压力与进油口压力相同,主阀芯所受合力向其关闭方向,该阀可靠关死。当先导阀打开到一定开度后,敏感腔泄压,主阀芯初始受力平衡被打破,主阀芯打开,反馈阀口开大,敏感腔压力升高,主阀芯达到新的受力平衡,*终实现主阀芯开度与输入信号的比例对应关系。若忽略作用在主阀芯上的摩擦力和液动力等影响,通过合理选择主阀芯在各个油口的受力面积关系,该阀可粗略地实现进油口与控制腔压差和控制腔与出油口压差相同,而以上两个压差分别作用在反馈阀口和先导阀口上,又因为达到稳态时通过两阀口的流量相同,所以该阀可在不添加任何电气传感元件的基础上,实现反馈阀口过流面积和先导阀口过流面积的常数比例关系。该阀的优点是结构简洁,成本较低,不使用位移传感器、流量传感元件等即可实现对主阀芯的比例控制,而正是因为大通径插装阀芯上的液动力和摩擦力等因素的影响难以忽略,其液压反馈闭环难以实现对流量的精确调控。
        图1 4 威格士公司研制的HFV系列二通比例节流阀
        太原理工大学权龙教授课题组在上述液压三极管原理的基础上继续发展,在先后长达二十余年的时间里,对基于液压三极管原理的插装式比例节流阀和流量阀的相关理论和应用进行了深入的研究[46-54]。他们采用在主阀芯上添加电反馈的方式,力图通过电反馈大闭环克服主阀芯上的摩擦力、液动力和复位弹簧力等因素对主阀芯位置调节的影响。其液压反馈方式比例节流阀结构如图1-5所示。
        与HFV阀相比,该比例节流阀增加了对主阀芯进行复位的弹簧,并在主阀芯后端设置了与主阀芯同轴的位移传感器,控制器通过比较给定信号与测得的主阀

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