摘 要

本课题意在利用创新的方法设计出一种液压零流量软开关(ZFS)控制系统来解决高速开关阀频繁启闭引起的压力脉冲和功率损失。此系统的核心理论来源于电气系统中的LC电路，本课题探究了LC谐振特性在液压系统中的运用，使用液容液感来取代电路中的电容和电感，使液压回路产生谐振流量，借以对典型数字液压系统进行控制。同时尝试将3D打印技术的应用领域扩展到液压系统之中，3打印技术可以完成LC谐振回路复杂的管路成型工作，两者实现相辅相成。

本文首先介绍了LC电路的工作原理以及与之相对的液压LC谐振回路工作原理，阐明两者的相通之处；其次，提出了液压零流量软开关（ZFS）控制系统的概念，建立了LC谐振回路在典型数字液压系统中工作时的数学模型；然后是系统整体的元件和参数设计；再然后是对3D打印技术所需的管路模型进行设计和建模以及系统整体的建模和装配；最后是对LC谐振回路工作特性的仿真。本课题致力于解决高速开关阀现存问题的同时，还试图将3D打印应用于液压系统之中，这两者都是处在当下这个机械制造业蓬勃发展的巨大浪头之上，故本次课题具有非凡的创新性和跨时代的意义，一旦成功必将成为世界科技水平快速发展的重要动力。

关键词：高速开关阀、LC谐振理论、零流量开关（ZFS)、3D打印技术

Abstract

The purpose of this project is to design a hydraulic zero flow soft switch (ZFS) control system with innovative methods to solve the pressure pulse and power loss caused by frequent opening and closing of high-speed on-off valves. The core theory of this system comes from LC circuit in electrical system. This topic explores the application of LC resonance characteristics in hydraulic system. The capacitance and inductance in the circuit are replaced by liquid capacitance and liquid inductance, so that the resonance flow in the hydraulic circuit can be generated, so as to control the typical digital hydraulic system. At the same time, we try to extend the application of 3D printing technology to hydraulic system. 3 printing technology can complete the complex pipeline shaping of LC resonance circuit, and the two complement each other.

Firstly, the working principle of LC circuit and its relative hydraulic LC resonance circuit are introduced, and the similarities between them are clarified. Secondly, the concept of hydraulic zero flow soft switch (ZFS) control system is put forward, and the mathematical model of LC resonance circuit working in typical digital hydraulic system is established; secondly, the whole components and parameters of the system are designed; secondly, the concept of hydraulic zero flow soft switch (ZFS) control system is proposed. The pipeline model for 3D printing technology is designed and modeled, and the whole system is modeled and assembled. Finally, the working characteristics of LC resonant circuit are simulated. This topic is devoted to solving the existing problems of high-speed on-off valves, and also attempts to apply 3D printing to the hydraulic system. Both of them are on the top of the current huge wave of vigorous development of the machinery manufacturing industry. Therefore, this topic has extraordinary innovative and trans-era significance. Once successful, it will become an important driving force for the rapid development of the world's scientific and technological level.

Key words: high-speed on-off valve, LC resonance theory, zero-flow switch(ZFS), 3D printing technology

第1章 绪论

1.1液压技术的发展概况

近几年来，世界的实体经济处于高速发展时期，机械制造业已经成为了各国国民经济的命脉，液压技术作为机械制造业的重要根基之一，对其发展起着决定性的作用。现在液压技术的广泛普及，极大程度上代替了人力劳动，尤其是一些需要极大功率和压力的工作场合，液压系统的优势无可撼动。液压系统在输出巨大推力和转矩时，又能轻松地实现无级调速以及过载保护，它的安全性、稳定性和灵活性都是其他技术无可媲美的。可以说液压系统的逐渐成熟使得制造业从根本上发生了变化。因此，液压技术的水平和普及程度，已经成为了衡量一个国家现代化程度和综合国力的标志之一。目前我国的机械制造技术正处于重要的转型阶段，通过对液压技术的不懈研究，已经形成了属于我们自己的科研制造体系。现全国所有工科类高校都已将液压控制技术作为工科学生的必修课进行讲授；400家液压元件生产厂家开始为工程机械、农业机械、冶金、铁路、船舶、轻工机械、矿山、石油化工等其他各行各业提供较为齐全的产品；一；洛阳、北京、深圳等制造大省还建有国家重点实验室以及液压元件质量检测机构。由此可见，液压元件已然成为机械工程运作的核心，在国内每年的行业需求超过了350亿，我国液压元件产品的品种现约有1000种，规格近10000个^[1]。

目前国内与国外技术仍存在差距，介于高端产品对技术的要求，精密液压元件基本还是靠进口，但须知进口的取代和较大的市场存量是行业发展的原动力，所以相对来讲我国的液压行业还有很大的发展空间。我国也并非一味引进技术和产品，同样重视同国外企业进行有效的技术和经济合作，近年来从国外先后引进了而许多液压系统和液压元件等制造技术，通过科技攻关和技术引进，产品水平和生产能力都有了一定的提高。目前已和美国、德国、日本建立了合资企业，它们将推动我国的液压技术发展^[2]。

1.2高速开关阀的国内外发展现状

自1970年以来，伴随数字化和微电子集成技术的快速进步，越来越多的领域开始使用计算机代替人力完成繁琐和危险的工作。在液压系统领域中同样如此，机、电、液一体化控制技术开始兴起，特别是以电液先导控制为特征的液压控制技术趋于成熟，其产物之一就是电液控制阀。电液控制阀及其控制技术一出现就马上得到了世人的关注，电液控制阀大致可分为电液伺服阀、电液比例阀、电液数字阀三类，其中具有代表意义的就是脉宽调制（PWM）式数字阀即高速开关阀，它是一种非常独特的数字阀，它的深入研发已经成了现代工业现代化的必经之路。在计算机控制系统逐渐成为液压技术发展的趋势后，电液比例阀和伺服阀能接收到的信号仅限连续变化的电压和电流,然而计算机所发出的指令只有'开'或'关'两种数字信息,要用计算机对它们进行控制必须增设“数-模”转换设备，这会使设备结构非常复杂,零件的加工精度与配合精度较高,价格直接飞升到普通阀的6-10倍^[3]。因此，高速开关阀数字化的特征开始引起越来越多的关注，只要对脉冲宽度进行调节，就可以像其他数字阀一样实现流量的连续控制。而且由于高速开关阀只有“开”、“关”两种工作状态，这就使得它在相同的条件下相比其他数字阀，具有更低廉的价格、更低的配合精度要求、更好的抗污染性和更稳定的工作状态等优点^[4]。尽管如此，现在的高速开关阀仍存在一些问题：

1. 响应速度还不够快，适用范围因此受限。

2、频繁的开关引起频繁的压力脉冲和功率损失，导致零件过度磨损、功耗高。

1.2.1国外现状

国外普遍起步较早，英国早在20世纪70年代就在高速开关阀的研究上开了先头，开发出了多种特殊结构的阀芯，再通过采用特殊形状的电磁衔铁，攻克了传统电磁开关阀响应速度较慢且“电磁作用力越大电磁铁加速度却越小”的缺陷，但是它们的缺点同样明显，不仅流量较小且加工极其复杂^[5]。

从90年代到现今近30年中，高速开关阀的理论和应用都趋于成熟，各大顶尖工业强国如英国、日本、德国都在加大研究与开发力度，并且取得了令人瞩目的成果。现高速开关阀已经开始应用于汽车的离合器、制动装置，甚至是隔振系统之中。除此之外，农业机械、工程机械、机床、航空器等领域都纷纷开始使用高速开关阀。

1.2.2国内现状

与国外相比，我国的开发工作起步较晚，虽然没有非常突出的成果，但研究部门和厂家已经研制出了一些新型的产品，已经开始大规模推广运用。现我国要做的工作一方面要争取进口更为先进的产品，这样才能切实地追寻国外研究路径，探索提高高速开关阀响应速度和改善工况的基础理论；另一方面是要坚持自主或与各国合作开发样品和配套的驱动控制装置^[5]。

1.3 3D打印技术的国内外发展现状

近几年引起无数关注的另一项技术便是3D打印。如今的3D打印不仅在制造业中稳占一席之地，在航空航天、医疗健康等领域的市场应用也都已经取得积极的进展，相关产业呈现出不断深化的态势。3D打印源于19世纪80年代的美国，发明家 Charles Hull注册了“3D System”打印公司，进行3D打印机的商业化生产，最初的原材料只有液态光敏树脂。一直到1989年，美国德克萨斯大学的选择性激光烧结技术使得3D打印机可以将尼龙、塑料、金属和陶瓷等作为原材料，可以进行多种产品的打印生产，该技术的适用范围因此大大扩大。

3D打印是一项具有跨时代意义的制造技术，它正在改变着人们的生活。从简单的生活用品，到复杂的人体器官，乃至高端的汽车、飞机，3D打印技术将越来越多的“不可能”变成了可能。

1.3.1国外现状

从 3D 打印机产值与出货量来看，美国打印巨头 3D Systems、Stratasys 等公司，依然占据着行业的垄断地位。Stratasys 公司已经生产出分辨率为 20μm 的 3D 打印机，并能够完成16μm 厚度的高精度打印工作。从全球3D打印机本身的出货量来看，美国这两大巨头公司生产的产品也同样占据绝对的市场份额，2017年全球3D打印机出货量约为40.12万台，光这两者就包揽了80%以上的份额，且个人3D打印机的出货量在其中的占比最大，由此也可看出3D打印机广阔的市场前景^[6]。

1.3.2国内现状

在我国引入3D打印技术后，我们同样意识到了它的重要性，在众多高校、科研机构和国家的共同努力下，我们取得了可观的成果。2017年，我国已经兴起了超过500家3D打印领域相关企业，产业规模达到100亿元^[6]，且多项世界首例3D打印医学手术都在中国的解放军空军军医大学获得了成功。并且随着北京、西安、武汉、深圳等地区的 3D 打印工业园落地，我国3D 打印产业一定会得到更快速发展，相信性能卓越、价格便宜的 3D打印将在不久之后进入老百姓的家庭。

1.4本课题研究的目的和意义