膀胱动力泵电磁驱动系统的优化设计

运用电磁铁设计理论和最优化理论，建立了膀胱动力泵电磁驱动系统优化设计模型。运用序列二次规划法求解模型，获得了最佳结构设计参数，据此建立了电磁驱动系统及膀胱动力泵三维模型。运用ANSYS Workbench仿真分析了电磁驱动系统的电磁驱动特性、温升特性和膀胱动力泵排尿动力特性,并进行了实验验证。结果表明，所建立优化设计模型和有限元仿真模型有效且实用；与优化前相比，电磁铁体积可减小65.45%，质量可减小60.25%,电磁驱动力提高2.09%，膀胱压峰值提高2.74%，尿流率峰值提高14.22%，温升仅增高1.64℃，改善了膀胱动力泵的排尿动力特性。研究结果可为设计便携、可靠及适用于动物和临床实验研究的膀胱动力泵提供理论与技术指导。     

基于膀胱尿液容量反馈的形状记忆合金驱动尿道阀研究

针对现有尿道阀存在引发尿道组织血液循环不畅甚至坏死等问题，提出一种基于膀胱尿液容量反馈的形状记忆合金(SMA)驱动尿道阀，建立尿道阀数学模型和有限元模型，仿真分析了尿道阀的压闭、反馈和驱动机构参数对启闭特性的影响，搭建模拟实验平台，实验研究了尿道阀的反馈调节特性和尿流率特性。结果表明，尿道阀原理可行，通过增大阀芯初始角、减小阀芯与尿道接触面积和膀胱支撑膜面积，均可改善尿道阀的启闭特性，尿流率达14 ml/s,与人体尿动力学规律相符；该研究可为适用于临床的尿道阀的设计提供指导，也可为其它人工括约肌的设计提供借鉴和参考。     

体外磁控内置式尿道阀仿真与实验研究

为克服人工尿道括约肌长时间压闭尿道引起组织坏死等问题,设计了一种体外磁控内置式尿道阀。建立了流量-压差特性及磁驱动力数学模型,应用有限元法计算分析了流场分布、液阻和磁驱动力的影响因素。搭建了下尿路模拟实验平台,研究了尿流率-膀胱压特性、磁驱动力特性。结果表明：增大阀口开度和阀芯半锥角均能增加尿流率;增大外磁体厚度、减小气隙均能增大磁驱动力;最大尿流率可达28.7 mL/s,符合人体尿动力学规律。     

低功耗先导比例溢流阀稳态特性的研究

研制了一种由低功耗比例电磁铁驱动的先导溢流阀,在考虑液动力、主阀和先导阀芯动态过程、阻尼口流动和流体可压缩性等非线性因素的基础上,建立了该阀的数学模型,并应用Simulink软件进行了仿真分析,探讨了低功耗比例电磁铁的结构和性能参数对该阀稳态控制特性的影响,仿真与试验结果基本一致,试验还表明该阀具有良好的稳态控制和负载特性,线圈稳态功耗仅为8.1W,温升低。     

伺服比例阀多物理场耦合仿真研究

伺服比例阀是一个涉及多学科领域的复杂物理系统,建立包含机械、电、磁、流场等模块在内的多物理场耦合模型对其进行仿真研究。基于对伺服比例阀结构和工作原理的分析,搭建阀芯位移闭环控制电路及阀芯动力学模型,建立伺服比例电磁铁有限元瞬态仿真模型、液动力瞬态流场降阶模型,并将各模块耦合完成伺服比例阀多物理场模型,实现动态特性仿真。为验证伺服比例阀多物理场耦合模型的准确性,对采用相同的测试条件及控制电路的伺服阀阀芯位移控制系统进行试验,通过输入不同的指令信号得到阀芯位移的阶跃响应曲线及电磁铁电流曲线。经对比,阶跃响应测试中阀芯位移仿真结果与试验曲线相比最大误差不超过15%,不同阶跃指令下仿真得到的电磁铁电流与试验电流曲线变化趋势相同,验证了模型的准确性,为后续伺服比例阀的研发及优化提供有效平台。     

基于多场耦合的先导式电磁开关阀特性研究

电子稳定控制系统(ESC)是提高汽车行驶稳定性和主动安全性的关键装置，旨在提高ESC液压系统的控制精度，对其核心部件先导式电磁开关阀的相关特性进行深入研究。建立了先导式电磁开关阀多场耦合的数学模型，包括机械模型、电磁场模型、液动力模型和热力场模型；分析了气隙、电流、温度等因素对电磁力的影响，并通过试验验证了理论模型的正确性。结果表明：电磁力随气隙和温度分别呈非线性变化，一定范围内，随电流呈线性关系；当气隙超过0.8 mm时，电磁力几乎不随气隙变化，呈现比例电磁铁的特性。另外，在试验中得到了先导阀两端压差对电流、压力、流量响应的影响。     

大流量气动高速开关阀的优化设计

针对大流量高速开关阀切换时间长的问题,对高速开关阀流量特性进行了分析,获得了电磁铁工作气隙与阀芯直径的匹配关系;对高速开关阀动作过程进行了分析,建立了开关阀运动耦合瞬态场模型;对电磁铁结构参数进行了Ansoft Maxwell2D仿真,研究了衔铁中心开孔大小、衔铁厚度、绕组匝数对开关阀开启时间的影响。在理论仿真分析的基础上,提出了一种兼顾响应时间的大流量高速开关阀。研究结果表明,经过优化后的开关阀,在进口压力为7 bar时,流量可达720 L/min,而切换时间仅为9.5 ms。     

超声汽化蒸汽驱动的尿道阀的仿真与实验

针对尿道括约肌功能障碍引起的重度尿失禁问题,设计了一种超声汽化蒸汽驱动的尿道阀。运用超声学、热力学和磁学理论建立了尿道阀的数学模型,通过仿真和实验研究了超声控制参数对尿道阀驱动特性的影响规律,通过实验研究了尿道阀的启闭特性。结果表明:尿道阀原理可行,数学模型简单有效;增大超声波的声强、辐射面积和频率,均可提高尿道阀的驱动特性;尿道阀的启闭特性良好。     

无线供电形状记忆合金驱动的尿道阀驱动特性研究

为了解决尿道括约肌损伤或神经功能障碍引起的重度尿失禁问题,设计了一种磁耦合谐振式无线供电形状记忆合金弹簧驱动的尿道阀。建立了尿道阀的驱动力模型和无线电能传输耦合模型,仿真分析了弹簧结构参数对驱动力的影响规律,通过实验研究了无线供电系统的控制参数和线圈结构参数对尿道阀驱动特性的影响规律以及尿道阀的启闭特性。研究结果表明,该尿道阀原理可行;增大弹簧线径,减小弹簧中径和匝数,增大信号源电压,增大线圈直径、线径和匝数以及合理设定信号源频率,均可提高驱动特性;尿道阀启闭特性良好。研究结果可为尿道阀结构设计提供依据,也可为人体其他括约肌自主控制的设计提供参考。     

基于AMESim的高速电磁开关阀动态特性研究

根据高速电磁开关阀机电液结构,采用AMESim建立了高速电磁开关阀仿真模型,基于该模型对高速电磁开关阀在PWM信号下进行动态特性仿真,通过PWM信号、电流、阀芯位移间的动态响应关系,分析了脉冲调制(PWM)控制信号对高速电磁开关阀动态特性的影响,对从信号控制方面改善高速电磁开关阀性能提供理论基础。     

Design and investigation of bladder power pump driven by an external electromagnet

This study aims to evaluate the feasibility of the bladder power pump driven by an external electromagnet proposed by the authors. The structure of the pump was designed based on its working principle. The mathematical model and 3D finite element model of the electromagnetic field of the pump were established. The electromagnetic driving property of the pump was analyzed using the models, and the micturition performance of the pump was investigated in the simulated experimental system. Results show that maximum intravesical pressure and maximum urine flow rate reached 10.8 KPa and 13.9 cm³/s, respectively, approaching the normal human urodynamic parameters. This novel pump has the potential of being used for assisting neurogenic bladder micturition.     

高速电磁阀电磁铁的研究与开发

针对高速电磁阀快速响应的关键因素电磁铁电磁力大小与线圈驱动两方面的问题。对电磁铁铁芯形状、工作气隙相对于线圈位置、工作气隙大小、安匝数、圆形铁芯面积等因素影响电磁力进行了分析研究;提出了3种驱动电路,对3种线圈驱动电路影响电磁铁响应特性进行了对比,并运用Ansoft Maxwell软件对各因素与电磁力大小的关系、3种线圈驱动电路与电磁铁响应特性进行了模拟仿真计算,最后对电磁铁的开发提出了一种优化方案。研究结果表明,该优化方案对高速电磁阀的快速响应有一定的提升。     

SCR系统隔膜泵瞬态流量特性分析

隔膜泵是Urea-SCR系统中使用最广泛使用的动力单元,其流量稳定性对系统计量精度有较大影响。受隔膜易变形及配流阀参数的影响,隔膜泵瞬时流量易出现较大波动。要避免或减小这种瞬时流量波动现象,必须进行隔膜泵动态特性分析。鉴于隔膜泵结构及材料特点,提出了一种双向FSI模型,经试验验证,该模型可有效预测隔膜泵动态特性。分析结果显示,减小压出阀弹簧刚度、压出阀阀芯质量及压出阀开启压力均可在一定程度上减小隔膜泵瞬时流量波动现象。所采用方法及所得结果可为相近产品的分析提供理论参考。     

多柱塞阀配流往复式容积泵流量调节策略研究

为实现多柱塞阀配流往复式容积泵的流量调节，提出一种基于进液阀在排液行程内延迟关闭原理的流量调节策略。在未考虑柱塞副泄漏效应及配流阀启闭滞后效应前提下，首先借助柱塞运动规律得到了单柱塞腔无量纲化流量方程，并以此为基础建立了单柱塞腔无量纲化瞬时排出流量与排液阀滞后开启时长间的函数关系；之后，借助多柱塞泵的各个柱塞具有相同曲轴安装角度差的结构特点，得出了三柱塞泵整泵无量纲化流量与各自排液阀滞后开启时长间的函数关系；最后，基于功率平衡原理建立了流量调节策略。该策略的核心内容是以负载压力和电机功率计算得出负载所需流量，然后再解算出排液阀所需滞后开启时长及所对应的曲轴转角。以BRW125/31.5C型三柱塞乳化液泵为原型，基于AMESim软件创建了流量调节仿真模型，仿真结果表明：随着负载压力升高，负载液压缸输入流量逐渐降低；在达到压力调节阈值后，乳化液泵需0.25 s 完成流量调节过程。可为乳化液泵的负载敏感化改进设计及面向液压支架动作过程的稳压供液技术研究提供有益借鉴。     

小开度节流阀流场特征及空化流动的数值分析

基于两相空化流动的控制方程和湍流模型,对节流阀在小开度下的流场特征及空化流动进行数值分析。结果表明:流体在流经节流口时,流速急剧增加,压力迅速降低至液体的饱和蒸汽压以下,形成空化。当节流阀出入口压差增大时,出口边界流速明显提高,出口两侧的流速差异更加明显,且在低速流一侧形成涡流。并且,出入口压力差的增加、阀门开度的减小会导致空化区域扩大,强度增加。研究成果可为节流阀的后续优化设计和操作提供理论依据。     

Research on the method of cavitations resistance in a piezoelectric pump with 3-dimensional mesh structure

The volume valve piezoelectric pump has received increasing attention from many areas because of its different characteristics such as the absence of chemical pollution and electromagnetic pollution. However, when the pump is working, it produces cavitations and the air bubbles that originate from these will flow out of the pump. Cavitations occurring in the pump will bring out noise and shorten the life of the pump. Furthermore, air bubbles flowing out of the pump will hinder its application in areas such as medical treatment and health care where blood transfusion and infusion are concerned. As a solution to this disadvantage, the CR3DMS (cavitations resistance with 3-dimensional mesh structure) method is developed, which is tested and verified to be effective on not only reducing the occurrence of cavitations and eliminating cavitations’ flowing out, but also restraining the emission of noise. In conclusion, the pump with CR3DMS, on the relationship between flow and driving frequency and the relationship between flow and the number of Resistant-Layers in both theory and test, are analyzed. __________ Translated from Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2006, 42(5) (in Chinese)     

基于柱塞位移控制的乳化液泵变量方式研究

提出一种新的变量调节方式，采用柱塞位移反馈调节的方法将柱塞的位移信号反馈给电磁铁，进而控制电磁铁的开启时段，使得进液阀在柱塞排液行程中排液，从而改变乳化液泵排液阀的排量，达到变量控制的目的。通过对比分析锥阀和球阀的过流面积、吸/排液效果，选择球阀作为进/排液阀阀芯。利用AMESim软件建立乳化液泵模型并进行仿真分析，结果表明柱塞位移反馈调节的方法能够很好的控制乳化液泵的排量，实现乳化液泵在最大排量范围内的无级调节。