自冷却式超磁致伸缩高速开关阀设计理论与控制方法基础研究

Using the giant magnetostrictive material to develop high-speed switching valve is an effective way to achieve precision electro-hydraulic control. However, the traditional giant magnetostrictive switch valve has complicated structure, unstable work, large heat and other problems, which has become a major bottleneck constrains towards engineering applications. The project raised one self-cooling giant magnetostrictive high-speed on/off valve, with the switch valve actuator to act as the valve bady and the flowing oil to act as a coil cooling medium, which simplifies the structure and at the same time realizes the triple control function of the valve displacement amplify,oil flow and body cooling;it reveals the rapid switching valve electric-magnetic-machine-fluid-temperature coupling characteristics in high frequency; using sensitivity method, based on the integrated index of flow control, pressure stability and temperature suppression, we make optimization design study on the key parameters such as the transmission mechanism, the magnetization efficiency, flow road structure, PWM control parameter; with the aid of co-simulation and electro-hydraulic experiments, one giant magnetostrictive vavle improved PWM control method is established. This project aims to design an self-cooling giant magnetostrictive high-speed switch vavle, to establish the theoretical model which accurately describes the multiple occasions coupling characteristics, to raise a switch valve optimal design method based on the integrated index, and to solve electro-hydraulic control design problem through simulation and test, which makes the theoretical and technical foundation for the precise electro-hydraulic congtrol application of giant magnetostrictive high-speed switch valve.

利用超磁致伸缩材料开发高速开关阀是实现精密电液控制的有效途径。然而，传统开关阀存在的结构复杂、工作不稳定、发热量大等问题已成为制约其工程应用的主要瓶颈。本课题提出一种自冷却式超磁致伸缩高速开关阀，该开关阀将致动器自身当作阀体，利用流动的油液充当冷却介质，借助位移传递装置，实现简化结构的同时阀芯位移放大、油液驱动与阀体冷却的三重功能；基于多场建模理论，揭示高频下开关阀电-磁-机-液-热间的耦合特性；利用流量控制、压力稳定与温度抑制的综合指标，对传递机构、磁化效率、流道结构等关键参数展开优化设计；借助协同仿真与电液实验，建立自冷却式超磁致伸缩开关阀改进PWM控制系统。本课题旨在提出一种新型自冷却式超磁致伸缩高速开关阀结构，建立准确描述其多场耦合特性的理论模型，并进行综合性能优化设计，通过仿真与实验解决开关阀电液控制中的难题，为超磁致伸缩智能材料在精密流体控制中的工程化应用奠定理论与技术基础。

高速开关阀是国防工业、航空航天、新型车辆、先进制造等领域电液控制系统实现高速响应、高精度控制的重要基础元件，具有广泛的应用前景。电-机转换驱动机构是高速开关阀实现其优异性能的关键部件，超磁致伸缩材料及其驱动器件因其优异性能，是提高电-机驱动机构指标参数、增强高速开关阀输出特性的理想材料。本课题围绕超磁致伸缩高速开关阀的设计、建模、控制等基础理论问题，进行了系统的理论与实验研究工作。 .首先，为掌握超磁致伸缩材料的性能特点，搭建了以动态数据采集仪为核心的超磁致伸缩材料实验测试系统，完成了超磁致伸缩材料静态与动态实验，研究了预紧力、温度和驱动频率等因素对超磁致伸缩材料输出特性的影响；提出了包含温度效应的输出模型，为超磁致伸缩驱动器件的设计提供了理论依据。.然后，根据材料特性和超磁致伸缩开关阀的应用环境，设计了自冷却式开关阀用超 磁致伸缩致动器。在研究各结构参数对致动器输出位移影响的基础上，优化了致动器结构，明确了线圈匝数的最优取值，以及致动器等效刚度和阻尼的设计原则。 .接着，在致动器研究的基础上，我们以喷油器为例研究了超磁致伸缩开关阀的设计、建模和实验方法。首先进行了超磁致伸缩喷油器结构设计，建立了整体式喷油器的物理模型并通过Simulink仿真验证了设计的有效性；然后完成了超磁致伸缩喷油器样机制作，进行了喷油器性能实验，并提出了适用于超磁致伸缩喷油器的控制波形。实验证明，所设计的喷油器响应速度快，雾化效果好，喷油量精确，能够满足高压共轨系统的需求，同时证明了所建立的喷油器模型具有较高计算精度。 .在完成超磁致伸缩高速开关阀研究的基础上，我们开展了超磁致伸缩伺服阀研究。设计了基于柔性活塞的伺服阀用液压位移放大机构，分析了新型液压放大机构的静力及动力学特征，研究了基于PWM的控制方法，制作了超磁致伸缩直驱式伺服阀样机，完成了伺服阀特性测试。实验证明，超磁致伸缩直驱式伺服阀具有响应快、滞环小、频带宽的优点。.通过本课题的研究，我们完成了超磁致伸缩高速开关阀的设计研制，总结了超磁致伸缩高速开关阀的设计原理，掌握了超磁致伸缩喷油器及直驱式伺服阀的核心控制方法，相关成果对超磁致伸缩材料机理分析及器件设计具有重要的理论意义与应用价值，也是稀土类新材料在电液系统领域应用的一种有益探索。在课题研究过程中，发表了21篇学术论文，授权了3项发明专利，培养了3名研究生。