扭矩脉动是导致内曲线马达产生振动和噪声的主要原因之一。为降低扭矩脉动,设计了U形阻尼槽配流盘;以马达柱塞腔流量压力脉动为基础,建立了阻尼槽配流面积变化及马达扭矩脉动的理论模型。基于AMESim平台建立了内曲线马达动态仿真模型,并采用响应面法对U形阻尼槽进行了参数优化。结果表明:扭矩脉动与U形槽结构参数间存在多种影响机制;相比无阻尼槽,优化U形槽后的配流盘可以使马达扭矩脉动程度降低44.55%。

为了提高泵的输送性能,改善受力情况,提出了一种不对称转子泵的新结构。建立了不对称转子的数学模型,并利用CFD数值模拟研究了转子长短径比对其性能的影响规律。结果表明:长短径比对泵腔内流体流动状况、流量脉动特性及转子受力影响显著。随着长短径比的增加,泵腔内流体流速逐渐增加,漩涡数量先减少后增多,主转子径向受力逐渐增大,在长短径比为1.52时的径向力均值相比于1.12时增大26.9%,容积效率的增加逐渐提高,出口流量的次级脉动得到有效抑制,流量脉动系数先减小后增大。当长短径比为1.28~1.44时,泵的容积效率较高,泵腔内部流动较平稳,转子受力情况较好。为采用不对称结构和调整长短径比来优化转子泵的设计提供了理论依据。

应用于航空推进系统的气动安全阀在工作过程中受气流影响,内部载荷不均诱发结构内壁形变,影响航空气动安全阀的动态性能。基于双向流固耦合理论建立航空气动安全阀工作过程的数值仿真模型,通过压力特性试验验证仿真模型的准确性,分析航空气动安全阀阀芯运动情况及内流场压力、速度的变化情况,探究内部流场与结构形变间的影响关系。结果表明:阀芯经振荡调整后趋于稳定,阀口开度稳定在0.45 mm;气体流速在阀口处出现较大变化,最大速度为325.9 m/s;安全阀的活门座、壳体、活门组件及座盘均发生一定程度的形变,活门座的形变量最大,最大形变量为6.554×10^-5 mm。

动力耦合作动阀因具有低压损、快速响应特点而被应用于数字排量泵的开发,其阀芯驱动力与耦合面积成正比。磁扩散现象会严重制约大耦合面积的动力耦合作动阀瞬态响应特性,从而降低数字排量泵的泵送效率。为提升大耦合面积下动力耦合作动阀的瞬态响应特性,基于动力耦合作动阀设计一种数字配流机构及数字排量泵,通过分析数字配流机构的配流原理建立动力耦合作动阀的多物理场耦合模型。基于该模型研究了动力耦合作动阀内部磁场分布规律,并分析了影响开关阀瞬态性能的原因。通过定性分析不同耦合铁芯结构对动力耦合作动阀内部磁通密度的影响,给出耦合铁芯的结构拓扑过程及双线圈铁芯拓扑结构。结果表明,双线圈铁芯拓扑结构主线圈与副线圈最佳匝数比为7∶3,基于该结构的动力耦合作动阀驱动性能较原方案提升30%。

随着液压技术向高速、高压和大功率方向发展,液压元件的振动噪声问题也日趋严重,噪声污染已成为制约液压技术发展的“瓶颈”。比例方向阀作为一种常用于工程机械等领域的控制元件,对其减振降噪方面的研究具有重要意义。分析了某型号比例方向阀的流致振动问题,针对比例阀的流场压力脉动特性、振动特性、减振降噪等方面展开了研究。对不同开度下的阀内流场进行数值模拟,分析比例方向阀压力脉动、湍流强度、空化程度等流动特征;设置监测点,得到流致振动的主频范围,并与预应力模态分析下的固有频率进行对比;对比例方向阀进行流固耦合数值模拟,探究影响振动能级的主要因素;总结比例方向阀振动机理,验证比例阀工作可靠性。

先导式气动比例阀作为气动比例控制系统的核心元件,其在时间响应上存在的迟滞性,影响了系统的控制响应速度。针对该问题,结合其内部结构和工作原理,分别对先导控制级、主阀芯的动力学特性以及阀内气体流动过程进行建模分析,并使用遗传算法对阀内的等效弹簧刚度及Stribeck摩擦系数等参数进行辨识。通过AMESim对先导式气动比例阀进行仿真分析,获得先导室上腔容积、等效弹簧刚度及先导级进气通道截面积等主要参数对响应迟滞以及控制精度的影响。以迟滞最小为目标,利用二次规划算法确定最优参数。结果表明:经过序列二次规划设计后,死区时间由0.041 s降为0.031 s,达到稳态的时间缩短了20.79%,并对不同口径的比例阀进行优化,在保证控制精度的前提下,响应迟滞均降低20%左右,为先导式气动比例阀的参数设计提供理论基础。

蒸汽隔离阀作为核电站的关键基础设备之一,在高温高压工况下容易引发高噪声问题。通过基于大涡模拟/Lighthill声类比模型的计算流体力学/计算气动声学多步骤混合方法,对蒸汽隔离阀进行流声耦合数值模拟。结果表明,蒸汽隔离阀气动噪声来源主要位于阀体中腔及靠近下游管段处,并呈现为偶极子特性。阀内噪声呈现以低频为主导的频谱特性,随着频率的增加,声压波动范围变大而声压值减小,并在特定频率下存在声压峰值,为蒸汽隔离阀的减振降噪方案设计提供了参考。

为了比较螺线管式静铁芯电磁阀与极柱式静铁芯电磁阀产生的静态电磁力的大小与适用场景,首先建立了两种静铁芯的有限元模型,并通过实验进行了模型的验证;然后对比了两种结构在不同电流、不同气隙下的静态电磁力及静铁芯散热情况。由仿真结果得出,在同等外形体积下,螺线管式静铁芯电磁阀随着线圈电流的增加电磁力稳步增大,但电流过大时线圈温度过高,电流40 A工况下线圈温度达186.2 ℃,适用于小电流小行程的工作环境;而极柱式静铁芯电磁阀随着线圈的电流增加电磁力上升的速率更快,电磁力也更大,裸露的单层线圈保证了散热,电流40 A工况下温度仅为51.1 ℃,适用于大电流大行程的工作环境。同时极柱式静铁芯电磁阀电磁力随着极柱数的增加先增大后减小。同等条件下,六级柱式静铁芯电磁阀产生的电磁力最大。可为新品高速电磁阀静铁芯的设计提供理论指导。

铝罩与帘线均为带铝罩袖筒式空气弹簧的重要结构,为改进空气弹簧的垂向性能,利用有限元法探究铝罩与帘线参数对空气弹簧垂向性能的影响规律。利用ABAQUS建立空气弹簧的有限元模型,进行空气弹簧的垂向刚度试验,并与有限元分析结果进行对比,误差较小证明有限元模型有效。以空气弹簧的垂向刚度和受到的垂向力为关注点,对空气弹簧进行有限元分析,结果表明:初始气压与垂向刚度呈正相关;铝罩能显著减少垂向力和垂向刚度;铝罩内径与垂向力呈正相关,铝罩长度与垂向力呈负相关,与垂向刚度呈正相关;帘线角与垂向力呈负相关,帘线间距与垂向刚度呈负相关。分析得到的影响规律为空气弹簧的设计提供参考。

针对安全阀气动噪声问题,结合声类比方程和动网格技术,研究高压储氢安全阀动态开启过程中的流场声场特性。搭建安全阀气动噪声测试试验台,分析阀盘不同角度对安全阀气动噪声特性的影响。结果表明:安全阀声源分布主要集中在阀盘下侧、左右阀腔和出口段,合适的阀盘角度可以减小压力波动,改善压力凝滞现象。结论可为特种阀门国产化提供一定的借鉴。

针对目前移动机械采用数字液压泵/马达进行重力势能回收时存在系统结构复杂、能量转换环节多、成本高等问题,提出了一种新型能量直接回收型数字泵。通过增加专门的能量回收配流阀和能量回收口,在柱塞运行到进油行程时,将需要回收的高压油液引入柱塞腔,使柱塞作用于泵轴的转矩与原动机一起驱动数字泵工作,实现外部液压能量的直接回收利用。分析了能量直接回收型数字泵的组成和三种工作模式,构建了其性能测试系统的AMESim仿真模型,仿真得到混合模式工作下不同马达排量系数泵轴角度、泵输出流量、回收油液流量、柱塞腔工作压力和泵轴转矩等工作特性曲线。搭建了能量直接回收型数字泵工作特性实验平台,对数字泵混合模式下能量回收工况进行实验验证。结果显示,能量回收后泵消耗的输入转矩大幅下降,验证了新型数字泵的可行性和正确性。

清渣机械臂采用阀控液压缸系统,具有建模不确定性与强非线性特征。为提高清渣机械臂运动的准确性,提出一种轨迹追踪运动控制方法。基于清渣机械臂缩尺试验台模型,根据改进D-H法建立清渣机械臂运动学模型,基于拉格朗日法建立清渣机械臂非线性耦合动力学模型。针对动力学模型的建模不确定性,使用径向基函数神经网络逼近模型中的未知项,神经网络中的权值使用自适应方法进行在线调节。建立清渣机械臂仿真模型进行验证,结果表明,该方法可以确保清渣机械臂轨迹追踪过程具有较小的误差。

单腔双阀气动压力伺服系统具有响应速度快、可靠性高、成本低的特点,在汽车制动和气动夹紧装置的压力稳定等领域有着重要应用。为了在满足控制要求的前提下减少开关次数,延长使用寿命,提出了一种自适应变频PWM控制策略。引入了频率调控因子并设计了自适应频率调整函数,该函数可根据跟踪误差及其变化率给出最优PWM基础频率,实现系统跟踪误差较大时低频响应,跟踪误差较小时高频精确运行,从而减少了高速开关阀的开关次数。实验结果表明,变频PWM策略与传统定频PWM相比,阶跃信号进气阀开关次数降低了45%,谐波信号进气阀开关次数降低了23%。

针对双锻造操作机吊挂系统在传统刚性假设无理论解的情况,以两台2 t锻造操作机为研究对象,考虑高温锻件的弹性变形和液压系统的刚度,提出和建立了一种双锻造操作机吊挂系统刚柔耦合模型,分析了局部刚度随特征参数的变化规律,研究了刚柔耦合作用对双锻造操作机吊挂系统夹持端运动规律的影响。结果表明:锻件刚度随着弹性模量的下降呈下降趋势,相同弹性模量下,锻件在Y方向上容易产生变形;蓄能器不参与工作时,液压刚度为2.85×10⁸ N/m;蓄能器参与工作时,液压刚度范围为6.7×10⁵~7.8×10⁵ N/m;若缓冲系统不存在时,双操作机同步提升轨迹对称分布,对锻件产生拖拽行为;当缓冲系统存在且不论蓄能器是否参与工作,同步提升轨迹平行分布,拖拽消失。

液压重载二自由度手爪作为机械臂的末端属具,对机械臂的抓取精准度、鲁棒性等有着重要影响。然而,液压系统的非线性、参数时变性等特征限制了手爪的应用。基于一种重载二自由度液压手爪研究了自适应滑模控制方法,并在四种负载工况下进行位置控制仿真。结果表明,自适应滑模控制器能够有效对二自由度手爪实现精确的位置控制。在重载工况下,与PID控制器、滑模控制器相比,自适应滑模控制器的控制误差可分别缩小85%、60%以上。

气动隔振是精密仪器和半导体制造中保持清洁、微振动工作环境的关键系统。被动气动隔离不能满足低频隔振的需求,甚至会产生共振现象。开发了一种基于等温容腔的主动气动隔振器,并采用H∞控制方法抑制低频振动的干扰。首先,将等温材料填充到隔振器的腔室中,以减少充气和放气过程中温度变化的影响。然后,基于鲁棒H∞控制理论,设计了一种能够抑制低频振动扰动、鲁棒性高的控制器。最后,应用1~10 Hz的激励信号测试气动隔振系统在H∞主动控制情况下的性能,并与被动隔振效果进行比较。结果表明,等温材料的加入降低了腔室充放气过程的温度变化,主动控制方法提高了低频范围内的隔振性能,有效衰减了系统的谐振峰。

为了提高液压伺服系统在外部负载突变时的控制性能,提升核心元件和传感单元的使用寿命,创新提出液压作动器与磁流变阻尼器串联的液压阻尼作动器,以实现主动阻尼补偿。首先,针对系统的抗冲击需求,定制开发了多级堆叠式流道结构的磁流变阻尼器,并将其与液压作动器串联组成液压阻尼作动器;然后,采用基于力内环和位置外环的阻尼补偿控制方法,且设计磁流变阻尼器与液压作动器的耦合控制器,确保液压作动器位移跟踪精度的同时快速抑制外部振动冲击;最后,构建位移激励和变负载冲击实验,活塞杆的综合位移控制精度提高了38%以上,验证了液压阻尼作动器在耦合控制器下具备良好的动态响应性能和冲击抑制效果。

电液位置伺服系统非链式积分器模型阻碍自抗扰控制器设计实施,非线性摩擦和测量噪声影响液压缸伺服性能。为此,提出一种具有摩擦补偿功能的模型辅助自抗扰控制器,建立包含非线性库伦摩擦的电液伺服系统数学模型,通过坐标转换,获得等效链式积分结构,阐明影响系统输出的总扰动,使自抗扰控制器可以顺利实施。通过试验辨识,获得系统参数估计值,利用粒子群优化算法提升摩擦模型精度,建立摩擦补偿通道,将预知模型信息融入扩张状态观测器,以达到减小观测器带宽、降低测量噪声敏感性的双重目的。基于李雅普诺夫稳定性理论证明了模型辅助扩张状态观测器和闭环系统的稳定性。对比试验结果验证了所提控制方法的优越性和实用性。

增设能量回收系统是提高工程机械能量利用效率的重要方法之一。从使用工况上论述了机械式能量回收系统在以液压挖掘机为代表的工程机械上应用的可行性。作为能量回收系统的核心元件,储能元件的性能直接决定了能量回收系统的性能。对比分析飞轮、蓄电池、超级电容和蓄能器的性能,并进一步分析了飞轮特点之间的互补作用,得出了飞轮储能式能量回收系统适合用于挖掘机能量回收的结论。

提出一种校企联合的“新闻联播式”课堂,以教师在课堂进行理论讲解(类似内场主持)及企业高级技术人员生产现场直播的方式(类似外景主持),进行液压元件实物和生产现场讲解,从而在课堂上实现理论和实践相结合。通过“新闻联播式”的场景互动教学,打造学校和企业共同育人的课堂,从多维度增强学生对知识的理解,缩短书本与现场之间的距离,提升学生运用所学知识解决实际问题的能力。该教学模式获评华中科技大学学生最满意课堂,本科生课堂出勤率为100%,成绩优良率达86.4%。