主配压阀作为水轮机调节系统中的核心执行机构,在不同运行工况下容易产生局部高压、阀芯受力不均、振动等一系列问题。利用CFD对某水轮机调速器主配压阀在开停机工况下的内部流场特征进行分析,对不同阀口开度的主配压阀模型进行数值模拟仿真,获取其开度-流量特性曲线,进而对不同工况下阀芯位置的调整策略进行分析。研究发现,阀体的环形结构使得主配压阀内部存在大量回流与涡流区域,阀芯受力不均问题较为严重,对主配压阀的安全稳定运行造成威胁;主配压阀的流量特性曲线呈现单驼峰特性,开度25%~40%区间为主配压阀的驼峰区。

采用蜂窝铝作为汽车模拟侧碰装置的缓冲介质,存在缓冲性能调控性差、无法重复使用且成本高昂等不可避免的问题。为提升试验的可控性、一致性和复现性,设计了一种多孔式液压缓冲器运用于FMVSS 213a标准儿童安全座椅侧面模拟碰撞试验。基于缓冲器的缓冲原理,建立汽车模拟侧碰的数学模型和AMESim仿真模型。通过仿真优化缓冲器中泄压孔的结构参数设计,并进行物理试验验证。研究结果表明,设计的14级梯度泄压孔阵列结构配合0.1 mm环形间隙的缓冲器,可将滑动座椅的加速度峰值稳定控制在24±1 G范围内,符合试验要求的18.5~25.5 G(重力加速度值)范围;滑动座椅与车门组件之间的相对速度波形曲线在碰撞时域内呈现稳定不变后线性递减的理想特征,满足FMVSS 213a标准碰撞波形曲线要求。优化设计的液压缓冲器可重复使用,相比蜂窝铝可降低试验成本95%以上,具有良好的工程应用价值。

变量调节器是负载敏感变量柱塞泵一个十分重要的控制部件,其功能是根据负载敏感变量柱塞泵的出口压力与负载压力差值来调节柱塞泵的排量,从而满足实际工况的流量需求,减少功率损失。为了高效便捷地设计出满足系统静动态特性要求的负载敏感变量调节器,尽可能缩短开发周期,利用AMESim实时仿真软件与LabVIEW实时测控软件联合搭建负载敏感变量调节器硬件在环测试系统,进行了其工作特性的现场验证试验,验证了硬件在环测试方案的可行性和负载敏感系统的静动态控制特性仿真准确性,为液压元件硬件在环测试提供了一定的工程参考价值。

随着传感器技术与低功耗电子设备的快速发展,环境能量俘获已成为替代传统化学电池供电的主要研究方向。提出了一种对称堆叠式压电俘能器,通过结构创新,为高效捕获管道中的能量提供了新思路。对俘能器和压电片结构进行了仿真分析,探讨了俘能器内流速分布、压力变化及其静态结构的力学响应,以及静压、频率、幅值及电阻对俘能性能的影响。研究了不同压电片的串联、并联和混合连接方式的性能表现,并对其输出电压、功率和功率密度进行了比较。结果表明,两通道之间的发电量差异较小,基本一致。证明了压电片数量的增加会导致输出电压和功率的提升,但功率密度可能会有所下降。

数字进液阀是实现数字式流量调控技术的重要硬件基础,针对数字进液阀设计需求,进行了乳化液泵进液阀稳态液动力分析和计算。首先阐述了数字式流量调控技术原理,确定了数字进液阀执行机构的可行工作区间;其次分析了进液阀阀芯受力,计算了阀芯在可行工作区间内所受稳态液动力;最后通过仿真得到了泵腔内部流场可视化分析结果,求得了液动力仿真值并与理论值进行了对比验证。结果表明:曲轴转角θ处于[60°,240°]区间内,进液阀阀芯需保持常开来实现数字流量调控目标;利用动量定理和可视化分析仿真,计算得到了可行区间内阀芯液动力,在θ为80°时稳态液动力达到了最大理论值6.68 N,仿真值6.19 N;可行区间内理论与仿真间最大误差为0.57 N,为后续乳化液泵数字进液阀设计提供了理论基础。

为了解决高压输油泵机械密封存在泄漏以及密封端面开启力不足的难题,优化设计了一种新型长圆弧槽密封端面并进行了密封性能分析。首先采用L25(5⁶)正交试验对所设计长圆弧槽密封端面的槽径比等五个结构参数进行了多目标优化;接着在构建综合评分模型基础上,拟合了最佳工况曲线并得到最优参数组合;最后在不同转速、介质压力和液膜厚度等工况下验证了最优参数组合。数值测试显示,当槽径比、槽宽比、槽深比、圆弧半径和槽数分别为0.6、0.6、2.5、5 mm、8时、高压输油泵长圆弧槽机械密封的密封性能最佳。研究表明,在该最优参数组合工况下,槽区出口位置流场的最大应力减小,总体应力沿周向分布更加均匀,流体动压效应更为显著,在有效控制泄漏量的前提下提升了液膜端面的开启力。

润滑系统过滤过程中,尺寸与滤网孔径接近的污染物颗粒有概率出现堵塞现象。为探究其反冲洗特性,对金属丝密纹编织网几何结构进行建模,并使用不同材料与形状的污染物颗粒进行污染物颗粒正向堵塞与反冲洗过程仿真,模拟单个污染物颗粒滞留在滤网中并在压力下脱离的过程,从而研究污染物颗粒材料与形状对临界脱离压力的影响。仿真结果表明, 同形状不同材料与同材料不同形状的污染物颗粒对滤网造成的堵塞应力、等效弹性应变与临界脱离压力均不同。污染物颗粒对滤网造成的堵塞等效弹性应变与应力呈正相关,污染物颗粒硬度的增加会显著提升滤网所受应力与等效弹性应变量,使临界脱离压力相应增大,反冲洗难度增加。

针对控制系统部件性能退化导致系统动态性能劣化的问题,提出一种基于退化状态的系统传递函数建模与补偿控制器的设计方法。首先,采用带测量误差的非线性Wiener过程描述部件测量值与真实退化状态间的关系,并应用Kalman滤波方法估计真实退化状态。其次,将估计的退化状态融入控制系统模型,推导补偿器的传递函数,使退化系统的动态响应尽可能逼近未退化系统的动态响应,从而抵消部件性能退化对系统动态性能的影响。最后,基于泵控电液伺服系统验证得到:经补偿后,退化系统的上升时间、调节时间与峰值时间相对于未退化系统的动态指标值仅增加1.79%、2.3%和2.15%,同时超调量仅降低了1.15%。该方法有效地提升了部件退化系统的动态性能,使得退化系统阶跃响应输出能够有效跟踪未退化系统的输出。

由于受到现场空间和经济等因素的限制,各个元件的某些故障类型的样本获取量极少,从而形成极端长尾分布形式的故障样本集,导致传统解耦对比学习模型无法进行有效诊断分析。因此,提出了一种改进解耦对比学习模型,即对比蒸馏与类别均衡解耦对比学习模型。首先,引入合成少数类过采样方法,适量生成尾部样本以缓解数据不平衡问题;其次,引入参数对比学习,构建双重对比机制,增加尾部的贡献和分类的准确性,解决尾部类别的特征分布稀疏问题;最后,引入类别平衡自蒸馏,通过知识迁移解决尾部特征表示不足问题。通过液压泵、齿轮和轴承实测故障样本的两种极端分布形式的试验分析可知,所提模型可有效解决极端长尾分布问题,诊断精度分别高达90.93%和98.61%。此外,所提方法的精度较原方法提升了40.99%,较传统广参数对比学习方法和平衡对比学习方法高出76.97%和35.83%。

针对液压位置伺服系统控制精度有限、鲁棒性不足的问题,提出了一种深度确定性策略梯度算法与滑模控制结合的智能自适应控制策略。基于AMESim-Simulink平台建立了电-液耦合非对称缸系统模型,并完成对滑模控制模块与强化学习模块的联合建模与验证。设计了基于深度确定性策略梯度算法与滑模控制相结合的控制器,实现滑模面增益与抖振因子的在线自整定,构建了三类典型工况(阶跃、正弦、复合扰动)下的仿真验证场景。结果表明,该策略在阶跃跟踪中上升和调整时间分别为0.82 s和0.83 s,优于径向基函数滑模控制与传统滑模控制;在扰动工况下最大误差小于0.003 m,显著抑制系统抖动。研究结果验证了所提方法在复杂环境下的动态响应能力与强鲁棒性,对提升液压伺服系统的智能化与控制性能具有重要工程意义。

针对传统蚁群算法优化出的路径“距离最短但能耗并不是最低”的问题,通过对水下航行器的浮力调节系统、俯仰调节系统和定深推进系统工作过程消耗的能量进行分析,并对蚁群算法增加能耗约束,使得水下航行器在复杂海洋环境中的搜索路径满足能耗水平最低、路径最短的需求。通过建立栅格环境地图,模拟并分析了路径最短和能耗最低两种优化方法下的结果差异。仿真结果表明:尽管能耗约束下的路径长度和拐点个数都略高于最短路径约束,但能耗水平降低了22%~24%,更利于水下航行器航行。其中,浮力调节系统在能量消耗过程中占比较大,因此优化浮力调节系统为水面回路和水下回路双回路系统,避免初始单泵设计方案在不同深度下的打油效率点不匹配问题。试验表明:水面、水下双回路的浮力调节系统能耗水平和最大电流得到了显著降低,优化后的浮力调节系统能耗降幅63%~65.2%,降低水下航行器内部电路组件损坏的风险。

设置内埋式武器舱是现代隐身战机避免雷达探测的有效手段。在允许时间及流量范围内,为保证武器舱门运转到位,在AMESim中建立了系统模型,通过三环控制策略实现了对系统的闭环控制,同时分析了排量容差、低转速区间等设计参量对系统动态特性的影响。经分析,在保证系统到位时间的前提下,若排量容差过大,会引起系统抖动;若排量容差过小或低转速区间过长,会导致系统流量消耗超大。若低转速区间过短,会使得系统末端速度超大。最后通过武器舱门驱动系统实物,对控制策略及排量容差、低转速区间等设计参量进行了试验验证。结果表明:三环控制策略设计合理,选取合适的设计参量,能够使得系统稳定运转。同时,涉及的理论和方法还可推广至液压作动筒及液压泵等领域,具有重要的实际意义。