电磁直驱静液作动器的配流机理及能耗特性分析

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近年来,电静液作动器应用领域的不断拓展,已经逐步从航空领域走向各行各业,并逐渐取代传统的液压系统,电静液作动器(Electro-hydrostatic actuator,EHA)具有功率密度大、负载能力强等优点,被广泛应用于航天、航空、船舶等重大装备领域以及汽车,仿生机器人等新兴领域。随着高效节能环保的设计理念越来越得到设计者的重视,进行高性能、低能耗的作动器的研究不仅符合市场需求,也契合了国家节能环保发展战略,对国民经济的发展具有重要的意义。本文以主动配流式电磁直驱静液作动器为研究对象,通过理论分析,数学建模,仿真分析以及试验验证相结合的方式,对电磁直驱静液作动器的配流机理,液压系统和作动器驱动装置的能耗分类、变化规律及温升进行了研究,具体内容如下:(1)电磁直驱静液作动器的工作原理与建模。对电静液作动器分类、设计方法、能耗分析方法研究的基础上,设计了一种应用于电动拨叉式AMT换挡机构上的主动配流式电磁直驱静液作动器,该作动器将主动单向阀与高功率密度动圈式电磁直线执行器相结合,融合了泵控直驱和电控直驱的技术优势,进一步增强了作动器高效节能,高响应,高精度的优势。(2)电磁直驱静液作动器的配流机理分析。建立了电磁直线驱动单元和主动单向阀的动力学模型,研究该系统流量脉动和流量大小的特点,分析了主动单向阀阀芯结构参数和运动参数对作动系统动态特性的影响。结果表明,减小阀座直径、降低阀芯行程会减小液压缸的最大输入流量;当阀芯提前开启时,液压缸的最大回流量达至为4.2L/min;当阀芯滞后4ms开启时,对液压缸的正向流量冲击值可达约5.63L/min;阀芯平均每提前1ms关闭,反向流量冲击增加0.33L/min;与阀芯提前开启类似,阀芯滞后关闭时,液压缸的最大回流量同样均达至为4.2L/min。(3)电磁直驱静液作动器液压系统的能耗分析。基于第二章建立的液压系统仿真模型,通过研究液压系统的动态性能,定量分析了液压系统的能耗组成与分布规律,明确了液压系统的能耗细化分类。结果表明:液压系统的能耗由液压缸与柱塞泵组成的能量转换损耗以及液压回路损耗构成;负载变化对能量转换损耗的影响较大,液压缸路径不变时,能量转换损耗占比始终大于27%;柱塞泵路径不变时,能量转换损耗占比始终大于26%;整个工作过程中,系统的有用功比重会随着负载的增加不断提高,系统的工作效率得到有效提高。(4)电磁直驱静液作动器驱动装置的能耗分析。建立了电磁直线执行器的电磁-机械-控制多学科耦合的能耗有限元模型,有效控制电磁直线执行器在不同负载条件下的运动规律,着重对电磁直线执行器的能耗组成及分布进行了定量分析,并在该作动器的特定工况下结合电磁直线执行器的电磁-机械-控制多学科耦合的能耗有限元模型,通过电磁场-温度场耦合的方法得到电磁直线执行器的温升分布及影响规律。结果表明,电磁直线执行器的能耗主要以铜损和铁损为主,电磁直线执行器铜损于总损耗的占比始终大于75%,内磁轭铁损和线圈的铜损是电磁直线执行器降耗研究的主要对象;温度上升最快且稳定后温度最高的是线圈,是主要热源;负载为50N时的电磁直线执行器的功率损耗最小,稳定温度也最低;频率越大,各部件稳定温度越高。(5)电磁直驱静液作动器性能试验验证。搭建电磁直驱静液作动器试验平台,并针对试验平台的构成及原理做了详细介绍。通过在典型工况下的试验,表明主动配流式系统更加能够提升系统净流量。
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