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直接压电驱动低压水压节流阀仿真与实验研究
摘要
本文研究了直接压电驱动低压水压节流阀的仿真与实验，采用了ComsolMultiphysics软件进行仿真，搭建了基于直接压电驱动的低压水压节流阀的仿真模型，并进行了仿真验证，同时设计制作了实验样机，进行了实验研究。通过比较仿真结果和实验结果，验证了仿真模型的正确性，同时对实验样机进行了性能测试和优化。研究表明，直接压电驱动低压水压节流阀具有响应速度快、精度高、结构简单等优点，具有广泛的应用前景。
关键词：压电驱动；水压节流阀；仿真；实验
Abstract
Thispaperinvestigatesthesimulationandexperimentofadirectpiezoelectricdrivenlow-pressurehydraulicthrottlevalve.TheComsolMultiphysicssoftwarewasusedforsimulationandasimulationmodelbasedondirectpiezoelectricdrivelow-pressurehydraulicthrottlevalvewasestablishedandverifiedthroughsimulation.Atthesametime,anexperimentalprototypewasdesignedandfabricatedforexperimentalresearch.Bycomparingthesimulationresultsandtheexperimentalresults,thecorrectnessofthesimulationmodelwasverified,andtheperformanceoftheexperimentalprototypewastestedandoptimized.Theresearchshowedthatdirectpiezoelectricdrivenlow-pressurehydraulicthrottlevalvehastheadvantagesoffastresponsespeed,highaccuracy,simplestructureandhasbroadapplicationprospects.
Keywords:PiezoelectricDrive;HydraulicThrottleValve;Simulation;Experiment
引言
低压水压节流阀是水力控制系统中的重要部件，广泛应用于机械和液压系统中。其作用是通过节流口调节液压系统中的液体流量，从而实现系统的控制与调节。同时也是控制高压液压系统中流体的简单方式，同时也可以通过改变它的节流口来调节流量。以往的低压水压节流阀大多采用机械或电动方式驱动，相对而言，响应速度和精度较为受限。近年来，随着压电技术的不断发展，压电驱动的低压水压节流阀因其响应速度快、精度高、结构简单等优点，已逐渐成为研究重点。
本文基于压电驱动的低压水压节流阀，利用ComsolMultiphysics软件进行仿真建模与分析，并针对仿真结果进行了实验研究，以验证模型的正确性。同时，对实验样机进行了性能测试和优化，并分析了实验结果和仿真结果的差异。研究结果表明，压电驱动的低压水压节流阀具有响应速度快、精度高、结构简单等优点，具有广泛的应用前景。
1压电驱动的低压水压节流阀仿真模型
压电材料由于具有优异的压电效应，在精密仪器、超声波设备、传感器等领域得到了广泛应用。本文利用压电材料的这一特性，将其应用于低压水压节流阀的驱动中，利用ComsolMultiphysics软件搭建了基于压电驱动的低压水压节流阀的仿真模型。
1.1模型设计
基于压电驱动的低压水压节流阀主要由压电芯片、阀体、活塞、节流孔等组成，如图1所示。其中，阀体为两段式结构，采用螺纹连接方式进行装配，方便更换和维修。阀体中央为活塞孔，上下两侧各为一节流孔。另外，在阀体中心处设置压电芯片，压电芯片上设置有等距的电极片，电极片与活塞之间的距离为0.1mm，通过对压电芯片施加电压，使其发生变形，从而驱动活塞运动。
图1压电驱动的低压水压节流阀结构图
1.2模型仿真
本文利用ComsolMultiphysics软件对压电驱动的低压水压节流阀进行仿真建模。在建模前，先将仿真模型中的参数进行定义，分别为活塞直径d=3mm、阀体内径D=5mm、节流孔直径d=1mm、节流孔间距L=20mm、活塞及阀体的材料为304不锈钢、压电材料为PZT-5。
在建模时，利用ComsolMultiphysics软件建立稳态流体模块，模拟低压水在节流孔和阀体之间的流动。其中，低压水的流速为1m/s，进口与出口之间的压力差为1MPa。
同时，考虑到压电材料的本构关系