气缸的运行速度由回路调速阀控制,缓冲装置吸收的能量受缓冲阀影响,将两阀按照一定的开度关系进行调整,可获得较好的缓冲状态,提升气缸工作效率。搭建气缸缓冲实验台,进行缓冲实验,寻找两阀圈数的对应关系。建立相应的AMESim气动仿真模型,给出不同开度下气缸的缓冲效果。采用声速放气法测量气动元件有效节流面积,得到有效缓冲时缓冲阀与回路调速阀的面积匹配关系。结果表明:只有部分调速阀开度可以获得有效缓冲状态,缓冲阀仅能在特定的小范围变化,缓冲难以调整,可依据研究给出的两阀面积匹配关系图,快速调定缓冲。

传统流量调节阀存在结构复杂、质量大、输出流量小等缺点,不适用于航空航天等特殊领域。设计了一种新型流量调节阀,该阀为旋转直驱式,具有输出流量大、结构简单、质量轻等优点。利用UG软件建立三维模型,介绍了该流量调节阀的工作原理。基于Workbench和Fluent软件,分别建立流量阀的强度校核模型和流体域模型,进行阀芯、阀套变形量仿真及稳态流场仿真。加工实验样机,进行流量调节阀的静态特性测试。结果表明:该流量调节阀总质量为375.5 g,当入口压力为4 MPa,出口压力为3.5 MPa时,最大输出流量为25.99 L/min,满足质量轻、输出流量大的使用需求。

大范围变海深环境下液压系统介质黏度变化及关键零部件形变明显,会对齿轮泵容积效率产生影响。为了研究齿轮泵在深海环境下容积效率的变化规律,建立了海深与齿轮泵容积效率的数学模型,通过理论和仿真分析了在不同海深下的齿轮泵的容积效率。结果表明:随着海深的增加,齿轮泵的容积效率逐渐增大。在海深达到11000 m的极限超高压的环境下时,转速以及温度的变化对齿轮泵容积效率影响较陆地更加明显。研究结果为深海齿轮泵优化提供了相关的理论依据,对水下液压元件和液压系统的设计具有一定的参考意义。

针对轴向柱塞泵吸排油过程发生空化带来流体激振力大,甚至造成严重的局部气蚀破坏问题,使用用户自定义函数和动网格法对柱塞泵的动态运动过程进行模拟。通过柱塞泵空化流激振动特性实验,对比分析柱塞泵空化流激振动响应特征,获取轴向柱塞泵空化流动及其诱导振动的作用机理。结果表明:柱塞腔内气体体积分数随缸体转角变化呈周期性振荡,空化现象主要集中在泵的吸油区;当缸体转角处于吸排油交替区时,柱塞腔内压力场出现负压现象,气泡在流体射流的方向上扩散,形成明显的局部空化云;柱塞泵空化流激振动频谱与流体脉动载荷频谱重合,直接影响柱塞泵壳体振动的幅值,成为柱塞泵壳体振动响应的主要诱因。

挖掘机回转机构能量回收系统存在能量传递结构复杂、转换环节多的问题,基于液压挖掘机双马达主被动复合驱动回转系统,提出四配流窗口轴向柱塞马达,可缩短能量传递链,减小安装空间,实现回转系统起制动的高能效驱动。根据柱塞马达运动学原理和配流面积变化原理,在SimulationX中建立四配流窗口轴向柱塞马达参数化仿真模型,仿真分析配流盘三角槽不同结构参数对马达流量脉动和压力冲击的影响,以选取优选参数。结果表明:在配流盘中引入三角槽可吸收和分散产生的流量压力冲击,过小或过大的宽度夹角和深度夹角会产生较大流量脉动和压力冲击,三角槽的优选结构参数为宽度夹角取15°,深度夹角取20°,为四口马达配流盘结构优化设计提供了参考。

比例伺服阀的高速运行以及油液流动状态直接影响液动力的变化,进而影响比例伺服阀和伺服机构的动静态性能。基于此,为明确比例伺服阀液动力的变化规律和特性,首先基于阀芯和阀体配合的节流口结构建立液动力的理论数学模型。然后结合流场仿真,分析不同开度和不同压差下液动力变化情况,明确液动力仿真结果和理论结果的偏差,修订液动力理论数学模型。最后,基于液动力测试平台,验证了不同开度和压差下液动力变化情况。结果表明:射流角的减小会导致稳态液动力不断增大,阀口开度的增大使稳态液动力呈现先增大后减小的趋势,同时在小开度下压差越大对应稳态液动力的峰值也越大,研究成果为比例伺服阀非线性补偿控制提供理论基础。

针对目前高速开关阀控制器存在驱动电压幅值不可调、驱动电压不稳定、体积大等问题,提出一种自适应可调双电压控制器。首先,为了降低控制器输入电压波动对输出驱动电压精度的影响,提出一种融合低压差线性稳压技术和电压闭环的稳压方法,将输出电压稳态误差控制在0.1 V以内。其次,通过实验辨识法研究供油压力与临界启闭电压的动态映射关系,以获取自适应系数,并将其作为电压控制脉冲宽度调制占空比,进一步借助低通滤波技术实现自适应电压的平均值输出。最后,采用双稳态并联降压电路和双面电路拓扑优化方法,来缩小控制器体积尺寸,并实现散热效率最大化。结果表明,自适应可调双电压控制器可以同时驱动四个高速开关阀,且工作频率达到100 Hz以上,线性占空比区间为0.3~0.7,具有高动态、低功耗、强扩展性等优势。

为研究水基轴向柱塞泵织构化柱塞副的润滑及承载特性,建立了轴向柱塞泵AMESim仿真模型,得出单柱塞往复速度、有效织构区长度与其腔内压力特性间的对应关系。建立织构化柱塞副的简化CFD润滑及承载力模型,分析了单周期内织构单元的压力云图、压力分布曲线及承载力特性曲线,研究了织构半径、深度及形貌对柱塞副润滑及承载特性的影响。结果表明:柱塞表面承载力曲线与柱塞腔压力脉动及压力梯度曲线的规律较为一致,在高压区柱塞承载力高,呈出与压力梯度曲线相应的波动式下降特征,而低压区柱塞承载力较低;仿真条件下,增大织构半径及深度均有助于提高柱塞表面承载力,且织构形貌对承载力影响较大,承载力由高到低的形貌依次为圆柱形、球冠形、菱形、方形和三角形。此外,织构收敛楔和发散楔开口大小分别对织构单元的正压核心和负压核心区的面积影响较大,且横截面为直角过渡的圆柱形织构比圆弧过渡的球冠形织构更利于压力集聚。

双层方孔滤网作为航空燃油系统主要抗污元件,其过滤特性对航空燃油系统的可靠性具有重要影响。综合运用CFD-DEM耦合方法与可视化试验,研究方孔双层滤网动态过滤过程和流速、流量脉动对滤网过滤效率的影响。结果表明:受支撑网的影响,双层滤网精度提高,表面介质过滤和小于网孔颗粒成群卡滞网孔是滤网过滤初期的主要存在形式,滤网过滤中期逐渐形成颗粒层;流速对滤网过滤影响较小,敏感颗粒的过滤效率出现轻微波动,流量脉动对滤网过滤效率影响显著,脉动频率和幅值越大,滤网过滤效率越低;研究结果为方孔滤网的设计选型提供了有益的参考。

基于固体火箭发动机复合推进剂小组分原材料高效高精的加料需求,研制了通过气动控制的精准加料隔膜式定量阀。通过AMESim软件搭建气动仿真模型,分析在不同的弹簧刚度、气压力和液压力联合作用下,阀芯相应运动特性与响应速度变化规律。利用Fluent对阀体内液料流场区域进行仿真分析,获得料筒中液料在不同气动压力下,阀芯液压力和流通区域压降及流速的映射关系。依托复合推进剂小组分加料装置,通过高精度测量小组分液料的重量变化数据,分析阀芯在多因素作用下对小组分液料投放稳定性的影响规律,对比分析出口质量流的仿真和试验结果,发现其相对误差小于15%,说明仿真模型可以较好地表征精准加料隔膜式定量阀的流动特性,为后续定量取用高黏度小组分原材料奠定了基础。

电机驱动的变转速轴向柱塞泵有极大的技术优势与产业价值。开发了一种适用于变速驱动的高压轴向柱塞泵,其采用缸体静止、斜盘转动、摆动配流的结构形式,可大幅度降低传统柱塞泵三大摩擦副的摩擦。介绍了该新型柱塞泵的结构,开发了47 mL/r排量的泵样机,测试了该泵的压力、流量脉动和容积效率。结果表明,在200~1500 r/min运行时,该新型柱塞泵的容积效率为95%~98%,压力脉动为4%~8%,具有转速范围宽、容积效率高、流量脉动小等优势,为变转速轴向柱塞泵的设计提供了借鉴。

以减小阀芯在工作中所受的液动力为目标,以阀芯的外形结构参数为优化变量,对液压伺服阀阀芯结构优化的方法进行了研究。使用 SPEA2算法对阀芯的结构进行了多目标优化设计,获得了Pareto最优的阀芯结构设计方案。利用CFD仿真软件计算了优化前后阀芯流场和压力分布,验证了优化效果。搭建了一套实验平台,对优化前后的阀芯液动力进行测试,通过测量阀芯在工作时的速度以及受力情况等参数,计算出阀芯在工作过程中所受的稳态液动力。测试结果显示,经结构优化后的阀芯在不同开口位移下所受的液动力均出现了下降,稳态液动力平均下降14.86%,其变化趋势与仿真计算一致,均在阀口开口位移为0.6 mm时具有最大的优化效果,进一步验证了优化方案的可行性。

高频激振转阀通过阀芯转动控制阀口的打开和关闭,其开度变化及油流换向使油液的轴向动量发生改变,进而产生轴向液动力干扰激振转阀的稳定运行。对高频激振转阀进行理论分析,建立阀芯轴向受力的数学模型和轴向稳态液动力方程;通过Fluent软件,对激振转阀流场进行CFD仿真分析,研究压力和轴向开度对轴向稳态液动力变化规律的影响;最后设计并搭建轴向稳态液动力测量实验台进行实验验证。结果表明:轴向稳态液动力随激振转阀转角变化而规律变化,且入口节流产生的稳态液动力大于出口节流时的稳态液动力。

目前,两级式阻尼孔的设计使用是参考单级式阻尼孔的流量计算公式以及经验参数,选型误差较大,依靠现场实验去修正压损参数或者采用试错法更换不同尺寸的阻尼孔进行效果补偿。结合实验和CFD仿真深入研究了气穴、不同长径比及加工误差等因素对两级式厚壁阻尼孔流动特性的影响,得到了有或无气穴现象时固定长度、不同直径尺寸的阻尼孔流量系数稳定值,为两级式厚壁阻尼孔正确选型及数学建模中的特征参数设置提供依据。

针对目前国内研制的液压可控震源系统可靠性差、控制技术落后等问题,以电液伺服可控震源为研究对象,应用ADAMS软件建立系统动力学模型,应用MATLAB软件建立液压系统和控制系统模型,从而得到系统联合仿真模型。采用迭代学习控制方法提高系统的响应性能,改善系统对期望信号的跟踪精度。结果表明,搭建的联合仿真模型正确可行,提出的控制方法能够明显提高系统的跟踪性能以及抗干扰鲁棒性。

面向半导体制造装备等精密设备和仪器的高精度温控需求,提出了一种基于温度梯度衰减器的高精度温度控制系统。首先,将加热器作为温度调节器,实现对低频温度扰动的补偿;并且,利用温度梯度衰减器的流动混合机制,实现对流体温度高频扰动的削减;两者互补共同构成高精度温控系统。基于MATLAB/Simulink搭建仿真模型,在模型预测控制下对高精度温控系统的时域和频域进行扰动衰减分析。通过实验与仿真结果对比,发现与传统PID控制相比,采用模型预测控制的温控系统在热扰动引起的温升阶段最大温升降低了24%。结果验证了基于温度梯度衰减器的高精度温控系统的优异衰减效果及抗扰性能。

旋冲钻进系统作为钻机的核心传动系统,其动态性能直接影响整机装备的运行可靠性。针对常规PID控制器和模糊PID控制器存在参数设定主观性较大、整定较复杂,会导致旋冲钻进系统在复杂地层钻进过程中给进速度和转速控制精度不高的问题,探究了基于粒子群优化的模糊PID控制方法。基于钻机工作机理,设计了旋冲钻进液压传动系统;利用AMESim建立旋冲钻进系统仿真模型,对模型的合理性进行了验证;采用AMESim-Simulink-ADAMS联合仿真平台建立了基于粒子群优化的模糊PID控制方法的系统耦合模型。结果表明:不同载荷下,相较于常规PID控制和模糊PID控制,基于粒子群优化的模糊PID控制能够有效降低旋冲钻进系统超调量,缩短调整时间,减小稳态误差,对系统起步阶段的振荡现象有一定抑制作用,具有更优的控制精度和稳定性。

面向半导体等领域的超洁净流控需求,提出了一种基于磁性薄膜标记的柔性隔膜变形场重构技术。利用磁性薄膜标记柔性隔膜形变,建立磁性薄膜激励空间磁场与柔性隔膜变形场之间的映射关系,基于长短期记忆神经网络构建磁性薄膜磁场和变形场的预测模型,实现了磁性薄膜在不同形变状态下的变形场重构,间接监测超洁净流控柔性部件隔膜的运行工况。通过COMSOL Multiphysics仿真平台获得训练样本数据,并根据训练完成的神经网络模型对预测变形场数据进行了分析,验证了方案的可行性。

流固耦合振动问题广泛存在于液压管路系统中。为了研究流体流量和卡箍约束对管路流固耦合振动特性的影响,利用ANSYS Workbench软件对管路进行了仿真,同时搭建了试验平台。在试验中,采用锤击法分析了不同流体流量和水平管路振动响应之间的规律,研究了不同卡箍材料和约束位置对空间管路系统振动特性的影响。仿真和试验结果表明:随着管路系统中流体流量的增加,管路系统的固有频率会降低,改变卡箍材料及其约束位置能有效地调节管路的固有频率,以避免发生系统共振。

针对阀控缸系统力跟踪控制过程中受到位置干扰,导致控制精度难以保证的问题,提出一种基于线性矩阵不等式凸优化算法的鲁棒模型预测控制策略。将一般模型预测控制的最小化性能指标转化为求解满足线性矩阵不等式组的最优化问题,对其进行稳定性分析。考虑输入输出受约束的离散时变不确定性系统,讨论该控制策略对系统参数不确定性的鲁棒性以及对系统外扰动的抑制能力。结果表明,在不同频率位置干扰信号作用下,该控制策略比一般模型预测控制具有更好的跟踪效果和鲁棒性。