基于流量前馈控制的电液负载敏感系统为容积节流复合调速系统,可将阀口全开以降低能量损失,但在超越工况下,系统速度特性会受阀口阻尼降低的影响,引发执行器超速下坠甚至安全事故等问题。据此,提出了适用于带阀后压力补偿的电液负载敏感系统的解决方法:将负载进油口容腔压力控制为一恒定值,并研制了相应的压力串级控制器。该控制器以速度反馈作为内环以提高系统抗负载干扰能力,并以带抗积分饱和补偿的PI 控制器作为外环以控制工作腔压力为一定值。基于2 t挖掘机不同负载工况下的试验结果表明:工作腔压力控制与传统手柄直接控制阀口的方法相比,可在降低比例阀阀口损失的同时保证执行器速度控制性能。

微型高速轴向柱塞泵动力学特性影响其工作性能和寿命,主轴与缸体的振动响应以及质心轨迹可反映其动力学特性。对微型高速轴向柱塞泵结构进行合理简化,建立了其运行工况下的动力学模型。分析了工况压力21 MPa,转速分别为18000, 20000, 23000 r/min时,主轴与缸体的振动位移频谱、倾覆角度频谱和质心轨迹;分析了工况转速20000 r/min,压力分别为14, 21, 28 MPa时,主轴与缸体的振动位移频谱、倾覆角度频谱和质心轨迹。研究结果表明:振动位移需关注偶倍频,倾覆角度需关注奇倍频,部分谐波振动响应随压力的增大而增大,主轴与缸体的质心轨迹呈扇叶形状。

能量回收装置是反渗透海水淡化系统的核心元件之一,通过回收高压盐水的压力能来降低能耗和节约成本,加强其基础研究并突破技术瓶颈是缓解我国水资源危机的战略选择。根据工作原理将反渗透海水淡化能量回收装置分成液力透平式、正位移式和泵-马达式3类,主要从结构、原理、效率和应用等方面对国内外研究进展进行综述和分析,并对我国能量回收装置的发展方向和关键技术进行总结展望。研究表明,液力透平式装置已逐渐被市场淘汰,占据市场主流地位的正位移式装置也存在技术缺陷,而泵-马达式装置的集成化设计和降低工作能耗是未来的重要研究方向。

气动肌肉执行器重量轻、柔性好,被广泛应用于工业与研究领域。然而,用于驱动该执行器的气动设备使系统的尺寸过于庞大,为解决此问题,提出利用氟碳化合物气/液相变时膨胀做功来驱动气动肌肉执行器,选用金属陶瓷加热器加热氟碳化合物,使用PI控制器控制执行器的内部压力,制作拮抗驱动装置改善执行器作用力的动态特性。结果表明:气/液相变气动肌肉执行器内部产生的压力可以较好地跟踪参考输入信号;与空气驱动方式相比,采用气/液相变驱动时执行器的收缩率呈等值减小趋势;拮抗驱动装置能够改善气/液相变气动肌肉执行器作用力消失过程中的动力学特性。

为了探究喷嘴挡板式压电气动微阀阀口密封宽度对阀口流动特性的影响,应用CFD技术,采用SST k-ω湍流模型,对不同密封宽度下阀口的流动特性进行了数值模拟计算。结果发现,阀口端面密封宽度对压电气动微阀阀口的流动特性有显著的影响,选取合理的阀口端面密封宽度,可降低阀口的压力损失,提升气动微阀阀口的过流能力;同时发现微阀流量-压力系数不受阀口端面密封宽度的影响。该研究为阀口设计提供了重要参考。

针对液压四足机器人结构布局混乱、能量损失大及控制策略复杂等问题,从机器人整机、液压系统和控制策略3个角度分析了液压四足机器人的研究现状。首先,对各团队的机器人进行介绍,指出国内外的技术差距;然后,从动力来源、系统类型、液压回路和伺服执行元件4个方面对液压系统的主要2大构成分别阐述,着重介绍了以节能为目的的阀控系统和集成化、一体化的伺服执行器;接着概述了主流的几种控制策略,并分析各自的优缺点;最后,指出液压四足机器人的发展方向将集中在高速高压化、轻量化、节能降噪以及先进的控制算法,以实现液压四足机器人的高动态性能和行业应用。

航天服为航天员在太空环境提供基本生命保障,同时还需具有较好的活动性能以便开展作业。航天服工作时需充气压构成真空防护,而气压会导致较大关节阻力矩,对着服者活动产生很大影响。为研究航天服充气压状态下的关节阻力矩特性,研制了一种能够消除重力、牵引轨迹误差等因素干扰的测试平台,并对航天服肘关节、膝关节、髋关节活动阻力矩进行测试,分析了关节阻力矩与航天服余压及关节活动速度的关系。在测试数据的基础上,采用改进型数值实现方法及线性插值方法建立了基于Preisach迟滞模型的航天服关节角度与关节阻力矩数学模型,并在MATLAB/Simulink中进行模型预测仿真计算,验证了所提出的改进型迟滞模型能实现对航天服关节阻力矩的精确预测,为航天服关节活动性能的改善提供了理论参考。

为了提高先导式电液比例阀的位置控制性能,解决大批量先导式电液比例阀生产带来的不一致性问题,首先,建立了比例阀的非线性数学模型,针对比例阀死区不一致且难检测的问题,提出死区在线检测方法,采集主阀开始运动时的先导阀电磁铁电流值来表征死区大小,将当前死区值通过上位机在线读出并进行补偿;然后,针对普通PID固定增益带来的控制效率和精度低下的缺点,设计了基于死区在线检测的模糊PID自适应位置控制器,实时动态调整控制器各项参数;最后,基于MATLAB软件和先导式电液比例阀测试平台,验证所提出的控制方法的有效性。研究结果为先导式电液比例阀的批量化生产奠定了理论基础。

变转速电机-泵直驱电液系统的发展与伺服技术的提升使得泵控系统在保留高能效特性的同时,具有更高的硬件集成度和更快的响应速度;但是在低转速泵控工况下,此类系统依旧存在泵的流量非线性、流量偏差大等控制难点,使得变转速泵控系统难以完成高精度的执行器运动轨迹跟踪。为实现泵控液压缸系统的精密运动控制,提出了一种新颖的非线性流映射方案,以此得到精确的泵输出流量;同时,利用非线性自适应鲁棒反演控制策略(Adaptive Robust Controller Backstepping,ARCB)实现液压系统在高阶动力学、参数不确定性下的精确控制。试验表明,提出的控制策略可有效解决变转速泵的流量偏差问题,实现理想的控制性能和轨迹跟踪精度。

针对变转速工况轴向柱塞泵故障诊断时故障特征提取困难的问题,提出了基于多项式Chirplet变换和变分模态分解的诊断方法。首先使用多项式Chirplet变换估计瞬时频率;然后基于估计的瞬时频率重采样,将时域非平稳信号转化为角域平稳信号;最后对角域信号进行变分模态分解。根据峭度对所得的本征模态函数分量进行重构并作包络阶次谱分析,判断轴向柱塞泵中轴承的故障类型。实验结果表明,该方法有效提取了变转速工况轴向柱塞泵轴承的故障特征。

针对目前多指型软体末端执行器难以平稳夹持不同口径容器的问题,开展了一种能够从内部支撑夹持的气撑式软体末端执行器的设计与分析,提出一种新的夹持方式。首先设计气撑式软体末端执行器的结构,由软体驱动器和连接装置构成;其次基于Yeoh模型、虚功原理和软体驱动器结构建立驱动气压与软体驱动器膨胀变形的非线性数学模型;然后开展软体末端执行器膨胀变形的Abaqus软件仿真及实验,将理论模型和仿真、实验结果进行对比,结果验证理论模型的正确性;最后进行气撑式软体末端执行器的夹持实验,结果表明,所提出的气撑式末端执行器能够很好地抓取不同口径的容器。

重载AGV在满载工况转向时,转向阻力明显增大,给转向控制系统敏捷、精确控制造成困难。为此,提出一种基于模糊PID的控制方法,以实时、动态的修正转向系统控制参数。根据AGV转向系统结构建立了控制模型,搭建了模糊PID控制器,制定了隶属度函数及模糊规则,并根据转角偏差及偏差变化率更新控制器的参数,使液压调整量根据需要进行动态修正,保证车轮在高转向阻力时快速、准确的偏转。仿真及试验结果表明,模糊自适应PID算法可有效降低系统超调量、振荡幅度,加快系统响应速度,提高了重载AGV液压转向系统的控制精度和反应速度。

双作用气动液压锤利用锤芯重力和活塞顶部的氮气压力共同作用,实现锤的快速打击并使桩贯入土层。基于冲击动力学原理和波动理论,分析沉桩施工过程中从锤与桩的撞击,直至桩贯入土层的全过程,建立了沉桩系统各部件间的相互作用关系模型,并通过拉氏变换推导出了打桩过程中锤击力的解析解。从理论方面对实际施工过程中“重锤轻击”的合理性进行了验证,最后针对两种土体介质模型分别建立了锤-桩-土系统动力学方程。

为提高果园有机肥和化肥混合施肥机施肥的精准性,结合新疆果园的施肥作业要求,设计出一种有机肥-化肥开沟施肥一体机,对整机的结构与工作原理进行阐述,并对其液压系统进行理论与仿真分析。结果表明,当施肥机在满载工作时,有机肥输肥马达的扭矩为363.21 N·m,与理论计算结果364.2 N·m的误差为0.27%,液压缸的运动速度平均值为30.59 mm/s,满足工作需求且验证了理论计算的准确性,此外有机肥施肥马达在理论计算参数下可进行稳定工作,验证AMESim仿真模型参数设置的合理性。

课程思政是落实高校立德树人根本任务的重要途径,也是新时代发展对专业课程教学就德才兼备型应用人才培养目标提出的明确要求。为探索流体传动技术类课程的教学模式,促进专业课程教学与思政育人深度融合,以《流体力学及液压气动技术》课程为代表,结合课程思政教学改革中的尝试与经验,提出“1+5”课程思政建设实践机制,助力提升流体传动技术类人才的培养质量。

工程机械电动化是节能减排的最为理想的驱动方式之一。传统工程机械采用的负载独立流量分配(LUDV)系统由于柴油机调速特性的限制,一般主要采用的是变排量定转速的变流量模式,多执行器同时工作时容易出现流量饱和。工程机械电动化后,电动机相对柴油机具有良好的调速特性。为了进一步避免流量饱和的现象,同时考虑到变量泵在低排量区间效率较低,提出一种基于分级压差控制的双变动力控制方法,对比实际负载压差与设定压差大小来提高操控性。分析不同目标流量阶段与负载实际压差之间的关系,实现全范围的流量匹配,控制变量泵的变排量工作区间处于效率较高区域,达到最大程度地避免流量饱和工况的发生;建立AMESim仿真模型进行仿真分析;搭建试验样机进行试验,验证了分级压差控制具有良好的流量跟随,解决传统挖掘机在低速定转速时流量饱和问题,高转速时节能性提高了19%以上。

针对现有的磁流变制动器缺乏断电保护并依赖电源,以及制动轴非制动工况下多余旋转能浪费的特点,设计了一种具有能量回馈功能的曳引电梯磁流变制动器,可对转轴转动能量进行捕捉并收集存储。蓄能装置在特殊情况下还可以与主电源共同作用于励磁线圈来增大制动力矩。此外,设计中还为制动器加入了循环水冷系统以改善制动器的温升。首先,介绍了新型磁流变制动器结构及工作原理;然后,对其进行了理论分析与建模仿真;最后,根据设计制造了新型磁流变制动器的样机并且对其进行了测试,对制动性、能量回收性能、温升以及噪声4个方面进行了试验。结果表明:能量回馈式磁流变制动器连续制动工况下最高温度不超过60 ℃,制动力矩可达380 N·m,馈能效率最高可达50%。

轴向柱塞泵在实际工作过程中会发生缸体倾覆现象,影响轴向柱塞泵的可靠性和寿命。为揭示缸体倾覆的原因,运用1D-3D联合仿真模型进行研究。分析了缸体x, y, z 3个方向上的受力情况及动力学方程。搭建轴向柱塞泵1D液压系统模型以及3D多体动力学模型,并通过接口实现仿真模型间的数据交互,得到完整的机液一体化仿真模型。对于不同工况下的缸体位姿进行仿真分析,结果表明:联合仿真模型能准确模拟缸体的受力情况,分析不同工况下的缸体位姿,可作为揭示缸体倾覆现象有力的分析工具。

针对一种新型十字摆盘驱动式水液压轴向柱塞泵的配流阀系统结构参数与泵转速、柱塞直径不匹配导致的容积效率不足的问题,搭建了该新型泵的ADAMS-AMESim固液耦合仿真模型。在额定转速下,分析了配流阀阀芯质量、弹簧刚度、弹簧预紧力、阀芯球面直径对其容积效率的影响,并对其配流系统进行优化设计。结果表明:新型泵的容积效率随着配流阀弹簧刚度、预紧力的增加而增加,随着配流阀阀芯质量、阀芯球面直径的增加而减少,且吸液阀结构参数的变化对容积效率影响大于排液阀。因此,在设计新型泵的配流阀时可适当提高阀芯复位弹簧刚度和预紧力,适当减小阀芯质量和阀芯球面直径,以提高新型泵的容积效率。

快速起竖装置在自卸车等工程机械以及导弹发射车等军事领域均有较为广泛的应用。液压驱动系统是快速起竖装置的核心,准确诊断其故障具有重要意义。传统BP神经网络故障诊断准确率随着故障类型的增加急剧下降,难以满足工程需求。以快速起竖装置液压驱动系统为研究对象,提出一种基于BP神经网络和AdaBoost算法的故障诊断方法,将BP神经网络与逐步叠加建模算法结合,构造多分类BP-AdaBoost算法,建立故障诊断模型,搭建故障诊断实验台并设置8种典型工况。分析实验数据表明,该BP-AdaBoost算法与传统的BP神经网络方法相比具有更优的分类性能。

为充分认识先导式阀门的优势,有效提升先导式阀门的使用性能,从先导结构的驱动部件、弹簧组件、阀芯和阻尼孔四个方面,整理了先导式阀门的最新发展;从压力控制、流量控制和方向控制三个方面介绍了先导结构控制先导式阀门所实现的不同功能;从静态特性和动态特性两个角度分析了不同先导结构对先导式阀门性能的影响。结果表明:先导式阀门的阀芯形式、阻尼孔位置对阀门性能影响较大;对于流量控制和方向控制的控制策略还需进一步创新;先导式阀门的动态、静态特性指标之间存在一些不统一的地方。未来,新型特种先导式阀门开发、先导结构参数对阀门动静态特性影响的量化分析将是重要的研究方向。

面向半导体、生物医药、电子级化工等领域的超洁净流控需求,提出了一种新的永磁体内嵌式超洁净阀结构。将永磁体嵌入超洁净材料(如超纯全氟树脂)所制的阀芯内,通过阀腔外部的永磁体驱动阀芯启闭,从而实现液体介质的超洁净控制。阐述了该超洁净阀的工作原理及优势,对其流量-压损特性进行了仿真计算,并通过不同开口下流体介质对阀芯作用力与阀腔内外永磁体间磁场作用力的计算,对阀芯受力特性进行了分析,验证了永磁体内嵌式超洁净阀方案的可行性。进而,为改善阀芯启闭与控制特性,对驱动磁场进行了优化设计,并通过仿真验证了其有效性。

柔性致动器具有柔顺性高、环境适应性强及人机交互性好等特点。针对传统柔性制动器刚度控制性能差的问题,基于柔性伸长肌和收缩肌的拮抗机制,提出一种新型可变刚度的流体驱动柔性致动器,该致动器能够实现伸长/缩短的复合动作,并通过协同调整伸长和收缩力实现刚度的控制;基于伸长及收缩织物的柔性形变机理,建立了柔性致动器的力学特性模型,并进行了仿真分析;开展了柔性致动器的力学特性试验,测试了致动器在不同充压及形变位移下的力学特性,并验证了柔性致动器的刚度调节特性。

针对传统工程装备机械臂重力势能浪费及运行特性差等问题,提出利用高功重比液压缸辅助小功率电机械执行器驱动机械臂的液电混合半主动驱动系统。其中,电机械执行器主动控制机械臂运行,改善运行特性;液压缸与蓄能器连接,构成储能平衡系统,用于平衡机械臂自重,回收利用重力势能。根据电机械执行器与液压缸不同组合方式,提出3种驱动方案,以挖掘机动臂为具体应用对象,对不同驱动方案进行参数匹配设计和仿真分析。与节能效果显著的三腔液压缸负载敏感控制系统相比,液电混合驱动系统可进一步降低能耗达51%~56%,动臂速度超调和波动较小,可很好地按照预期速度运行。研究为举升机构驱动系统提供了新的方向,可实现绿色驱动,应用前景广泛。

为了找寻负载口独立控制系统的极限节能边界,并明晰其节能机理,建立传统阀控系统和负载口独立控制系统的静态效率与静态能耗模型,利用归一化处理使模型转化为无量纲形式。选取与传统阀控系统可比拟的2种工况,即同泵源压力和同阀口开度,在负载口独立控制系统处于节能极限时(出油阀口全开)进行对比。仿真分析不同工况下2种系统的静态效率与能耗对比情况,并绘制效率分布谱获取全工况下效率分布对比情况。结果表明:同泵源压力下,负载口独立控制系统最多能提升阀控液压系统效率约5.7%,降低能耗约22.7%;同阀口开度下,负载口独立控制系统最多能提升阀控液压系统效率约19.4%,降低能耗约53%。负载口独立控制系统能够降低阀口节流损耗,进而降低阀控液压系统能耗。

为了减小导弹高超音速飞行时,其折叠式舵面在严酷的风载条件下展开到位时的冲击,设计了一种主动阻尼式内缩型燃气作动器,并研制了原理样机。在对作动器的结构、工作原理进行介绍的基础上,设计了其主要零部件并进行了有限元分析。确定了舵面风载荷模拟加载的方法并搭建了地面模拟加载实验系统。建立了作动器工作过程的数学模型和仿真模型,并利用MATLAB/Simulink进行了仿真分析,获得了作动器的主要技术参数,进行了地面模拟加载实验验证,结果表明:在顺风载荷条件下,作动器的活塞拉杆先加速运动,然后减速运动,最后以较小的速度运动到位,因此作动器具有良好的负载自适应能力。实验结果与仿真结果基本一致,可为后续工程应用提供参考。

内泄漏作为电液换向阀常见的故障类型,其故障振动信号具有非平稳性、非线性等特点,且容易被其他信号淹没、破坏。对此提出了一种经验模式分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)和一维密集连接卷积网络(Densely Connected Convolutional Networks,DenseNet)的电液换向阀内泄漏故障诊断方法。该方法首先利用EMD对振动信号进行分解得到一系列本征模态分量(Instrinsic Mode Function,IMF),并将IMF分量和原始振动信号依次进行并联堆叠;然后将并联堆叠信号作为一维密集连接卷积网络的输入进行特征的自动提取,并进行故障分类;最后通过DenseNet与传统的一维卷积神经网络(CNN)对比验证得出,该方法能准确、有效地对电液换向阀内泄漏故障进行诊断。

器件小型化和集成化发展趋势,对液压阀块设计提出了更高的要求。传统工艺加工阀块体内部流道,不但工艺复杂难加工,而且成形的流道流动特性有待提高。新型制造工艺增材制造一体化成形的特点使其在流道加工方面表现出很大的优越性。基于增材制造,对某一液压集成阀块的流道过渡区进行优化设计,利用Fluent仿真,对直线过渡、圆弧过渡、B样条曲线3种过渡方式连接的流道流动特性进行分析,B样条曲线过渡流道较直线过渡流道压力损失可降低55%以上,不同圆角半径的圆弧过渡流道较直线过渡流道压力损失可降低28%～56%,为基于增材制造的流道设计提供了必要的支持。

针对某半潜式风机平台,采用锚链和聚酯纤维绳分段连接形成张紧式系泊系统,建立环境载荷数学模型及环境载荷作用下的平台及系泊系统动力学方程。通过Simulink集总参数计算与AQWA数值仿真2种方式,对比分析风载荷阶跃输入、浪载荷正弦输入作用下平台的响应特性。结果表明,Simulink集总模型计算结果与AQWA数值仿真结果较为吻合,这在一定程度上说明了集总参数建模方法的合理性。研究发现,在风阶跃输入作用下平台主要表现出横荡、垂荡、横摇3个自由度方向的响应,其中横荡稳定时间较短,但偏移量相对较大,而垂荡和横摇的稳定时间较长且基本一致;在浪正弦输入作用下平台同样主要表现出横荡、垂荡、横摇3个自由度方向的响应,此时横荡幅值相比垂荡同样较大。横荡位移与振幅较大的原因在于采用了张紧式系泊的半潜式平台设计,进一步约束该自由度是接下来平台与系泊系统优化设计的研究方向。

针对航空柱塞泵配流副磨损失效问题,基于Archard方程和流-热-固耦合方法,建立一种适用于高速高压条件下的航空柱塞泵配流副摩擦磨损预测模型。考虑配流副流体压力、温度和固体之间耦合效应对磨损的影响,首先建立配流副流-热-固耦合模型,通过有限元法求解得到配流副油膜压力和温度场,将其作为磨损预测模型的边界条件;然后通过配流副泄漏流量与油膜厚度之间的关系,对配流副磨损失效寿命进行预测分析。预测结果表明:航空柱塞泵在转速10000 r/min、出口压力28 MPa条件下,配流副的磨损失效寿命在2000 h以上;但随着转速和压力的升高,配流副磨损失效寿命明显缩短,在转速15000 r/min、出口压力35 MPa条件下,配流副磨损寿命仅为450 h。由此提出一些提高配流副磨损寿命方法,该预测模型对高速高压航空柱塞泵配流副的设计具有一定的指导意义。