2026年3月,在湖北武汉举行的“第十四届流体传动与控制学术会议”上,航空机载机电系统与飞行控制系统研究专家焦宗夏院士受邀发表了一场精彩的报告,题为《航空机载机电系统未来发展探讨》。报告从飞机组成和机载系统定位切入,说明机电系统在飞机能量流、执行与保障中的核心作用;随后围绕高温高压液压、多电化和智能化三条技术主线,分析下一代航空装备对功率密度、可靠性、维护性和智能控制能力提出的新要求;最后从“能源-信息-控制”融合角度,对绿色化、无人化、集群化和极端环境下机载系统的发展方向作出展望。本文是根据焦宗夏院士演讲内容整理。

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。

数字孪生系统的有效性依赖于虚拟模型与物理实体之间的动态一致性。液压泵作为液压系统的核心动力元件,其压力脉动、振动冲击等运行信号具有强非平稳性,传统基于均方误差或频域统计的一致性评估方法难以有效捕捉瞬态冲击、参数漂移等结构性动态偏差。为此,提出一种融合连续小波变换与多模态大模型的一致性评估方法:采集液压泵仿真与实测信号,构造残差信号与真实噪声信号,通过连续小波变换将其转换为时频图像以凸显动态特征,再利用领域自适应微调后的多模态大模型图像编码器提取深层语义特征,以特征余弦相似度量化一致性。试验结果表明,该方法对非平稳动态响应差异具有显著判别能力,优于传统评估指标,可精准识别内泄漏、轴承磨损等工况下的模型结构性偏差,为液压泵数字孪生模型的验证、优化及工程应用提供可靠支撑。

针对传统电磁阀在持续通电工况下易发热、效率低的问题,提出了一种新型限位电磁阀结构,并构建了考虑磁饱和效应的精确磁路模型。通过分析并计入定子尖端与中心孔洞处的铁芯饱和,提升了理论数学模型的准确性。结合有限元仿真与试验平台测试,对结构性能与磁力输出进行了系统验证。结果显示,考虑饱和效应的电磁阀模型在0~10 mm行程内与仿真曲线高度拟合,最大相对误差仅为5.86%,相较于传统计算模型提升了计算精度。与此同时,设计在保持吸力性能的同时显著降低了铜耗功率,仅为19.9 W,相较现有电磁阀结构下降约75%,具备良好的热稳定性与持续通电能力。该研究为面向低速、长时间运行场景的电磁阀结构设计提供了理论支撑与工程设计参考。

多路阀是工程机械中分配流量与协调执行器的核心元件,其性能优劣直接关乎主机的操控性。针对现有多路阀存在的流量控制精度不足与多参数耦合问题,以16通径负载敏感多路阀为对象,建立机电液联合仿真模型并试验验证其准确性;重点探究了压力补偿器阀芯液动力、弹簧参数、阻尼孔及负载保持节流边对主阀动静态流量特性的影响规律。研究发现:在静态特性上,补偿器阀芯液动力是导致流量误差的主因,可通过匹配弹簧刚度予以补偿,但刚度补偿不当易引发流量“绕大弯”;在动态特性上,适度增大补偿器阻尼孔直径与弹簧刚度有助于提升流量的动态响应速度;负载保持节流边虽可提升安全性与控制精度,但也会限制通流能力并引入压损,需在设计中权衡利弊。

液压阀压力-流量特性是影响其性能优劣的关键指标,滑阀属于应用极其广泛的三大液压控制阀之一,典型液压滑阀包括L形结构、U形结构以及V形结构。为了完善液压滑阀压力流量特性理论,首先,依据滑阀结构特征及液体运动学理论建立了典型液压滑阀通用水力模型;进一步,利用编制的MATLAB程序分析了阀口开度对不同水力模型的影响;在此基础上采用商业CFD仿真软件进行了典型液压滑阀内流场数值计算,分析了典型液压滑阀的速度场与压力场变化规律、压力-流量特性以及阀口流量系数影响因素。结果显示:随着阀口开度的增加,典型液压滑阀的等效直径和过流面积同步增大;相同边界条件下,L形滑阀的压力损失最小,流量系数最低;流量系数的变化只与阀口结构以及阀口开度有关,并且随着阀口开度的增加而降低。

压电陶瓷是一种实现电能和机械能相互转换的功能性材料,以压电双晶片为驱动器的压电比例流量阀具有快响应、低功耗、高精度等优点。然而,压电双晶片较低的输出力限制了其在大流量场合中的应用。为了提升压电双晶片驱动的比例阀输出流量,采用COMSOL和Fluent软件分别建立了压电阀的三维和压电双晶片的二维轴对称模型,对阀门流场特性及压电元件流固耦合问题进行分析,探究了进、出气口位置、大小、阀口开度、阀腔压力对输出流量的影响,研究了压电双晶片末端受力与输出流量的关系,并且与现有的同类型压电比例阀进行了性能对比。结果表明,参数优化后的阀门输出流量得到了显著提升:当阀腔入口压力达到0.5 MPa时(出气口半径为1.1 mm),其输出流量接近160 L/min,且此时压电双晶片自由端所受力仅为0.9 N;为喷嘴挡板式气动压电比例阀的设计提供了指导,有望拓宽其使用场景。

针对伺服马达传统组合密封在动密封工况下易磨损、易泄漏的问题,基于X形圈、O形圈与矩形圈的组合特性提出新型组合密封结构。采用ANSYS建立二维轴对称有限元模型,在参数相同条件下与传统结构进行对比;结合接触应力分布,逆向求解Reynolds方程获得油膜厚度,并计算泄漏量与摩擦力;进一步基于L₉(3⁴)正交试验,以泄漏量为指标定量评估压缩率、介质压力与摩擦系数的影响。结果表明,新型结构应力分布更合理,泄漏量降低6.9%、摩擦力降低2.5%;正交分析显示介质压力影响最大,其次为压缩率,摩擦系数影响最弱。

针对轴向柱塞泵法兰与壳体之间的螺栓连接结构研究,建立了柱塞泵有限元模型并通过模态试验与振动响应试验对模型进行验证。在此基础上,围绕螺栓的安装位置、安装半径、数量及尺寸四个设计参数,系统分析不同连接配置对模态频率与振动响应的影响规律。同时,采用正交试验设计方法,评估各参数对振动特性的影响显著性。研究结果表明:螺栓的对称布置有助于提高部分阶次的模态频率并抑制结构振动,模态频率最大提升12.7%,振动速度最大降低21.5%;螺栓安装半径对振动特性的影响较小;螺栓尺寸增大会提高模态频率,但对振动抑制效果有限;增加螺栓数量可显著提升模态频率并降低振动速度,模态频率最大提升10.7%,振动速度最大降低36.1%。正交分析结果进一步表明,螺栓安装位置与数量对柱塞泵模态特性和振动响应的影响最为显著,其次为螺栓尺寸,安装半径的影响最小。

针对现有管道机器人环境适应能力弱、主动转向功能尚不完善等问题,提出一种仿生柔性伸缩式管道机器人设计思路。通过模仿蚯蚓的结构组成和运动机理,设计由柔性气囊和气动肌肉组成的支撑-伸缩复合运动结构,分析管道机器人多肌肉协同驱动机制与多体节连续运动原理;建立机器人的正运动学模型与逆运动学模型,基于MATLAB软件进行仿真分析。搭建管道机器人试验平台,在倾斜及弯曲管道中进行性能测试。试验表明,仿生柔性伸缩式管道机器人在30°倾斜管道内平均爬行速度为3.25 mm/s,并可以在135°的弯管内实现主动转向,具有良好的环境适应能力和运动性能。

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。

为满足重载车辆悬挂在复杂路况下对大承载、宽频阻尼与刚度可调的需求,以双气室油气弹簧为研究对象,开展动态特性建模与结构参数优化研究。基于油气弹簧的工作机理,引入分数阶Zener模型,并从频域角度建立等效刚度与等效阻尼的表征方法,分析不同分数阶导数对系统动态响应的影响。在此基础上构建车辆悬挂模型,以平顺性与操控稳定性为优化目标、以动行程为约束,采用粒子群算法对油气弹簧的关键结构参数进行多目标优化。通过油气弹簧台架试验与四分之一车辆悬挂性能试验,对模型有效性及优化效果进行对比验证。研究表明,所建模型能够较好反应双气室油气弹簧的宽频动态特性,优化后的参数组合可在满足约束的前提下提升悬挂综合性能,为重载车辆油气悬挂设计与性能改进提供了可行的方法与工程参考。

针对电静液作动器兼顾瞬态和稳态性能的控制策略需求,提出了一种有限时间预设性能神经网络控制策略。建立了电静液作动器非线性数学模型,构造了障碍Lyapunov函数,融入了跟踪误差的有限时间预设函数,基于反步思路设计了含神经网络的位置跟踪控制器,运用Lyapunov方法验证了控制器的稳定性和理论性能。搭建了MATLAB+AMESim联合仿真模型,将所设计控制器与PI控制器和不含预设性能的神经网络控制进行对比,结果表明: 所设计的控制器具有较高的跟踪精度,相较PI控制器和不含预设性能的神经网络控制器,类正弦轨迹跟踪精度分别提升85%和47%,点到点轨迹跟踪精度分别提升85%和55.9%,且跟踪误差可在有限时间减小至所设定的稳态值以下,并始终处于预设边界内。

针对输电架线液压张力机的恒张力控制问题,提出了一种新型非线性自抗扰控制方法。首先,设计了一种自适应带宽扩张状态观测器,其带宽能根据扰动误差自适应调节,可有效解决传统由于固定高带宽引起的扩张状态观测器噪声敏感问题。其次,为了提升张力控制的暂态性能,控制器中引入阻尼比自调节函数和积分终端吸引子,阻尼比自调节函数能够使系统阻尼比从欠阻尼向临界阻尼状态自适应过渡,可缩短调节时间和避免产生超调,积分终端吸引子能进一步加快张力收敛速度和增强系统抗扰动能力,使扩张状态观测器的带宽和噪声敏感性进一步降低。此外,利用Lyapunov稳定性理论对积分终端吸引子加快张力收敛速度和增强鲁棒性的机理进行了详细分析证明。最后,利用AMESim和Simulink搭建了联合仿真平台,将所提方法与传统自抗扰和比例积分控制器进行了仿真验证比较,仿真结果表明自适应扩张状态观测器能有效降低扩张状态观测器的噪声敏感性,对扰动的估计更为平滑,新型非线性自抗扰控制器对于阶跃型、时变型和参数摄动等多源扰动均有很好的鲁棒性,有效提升了恒张力控制性能。

负流量泵作为液压系统的关键驱动元件,其动态性能直接影响液压系统的稳态与响应特性。为提升系统性能,需深入探究其内部结构参数对出口压力脉动率的影响机理。基于某负流量泵原理建立AMESim仿真模型,模型验证表明,前后泵压力的仿真值与试验值的最大相对误差分别为9.35%和9.12%,均小于10%,满足精度要求。分析了不同温度下控制阀与变量机构对出口压力脉动率的影响。研究表明:出口压力脉动率与伺服阀通孔左侧距离、通孔直径呈负相关,与功率阀阀芯直径、阀芯外径、拨柱直径、拨块槽直径呈正相关。研究结果为负流量泵控制阀及变量机构的优化设计提供了理论依据。

导轮表面粗糙度会显著改变液力变矩器的叶片壁湍流结构,进而影响其工作性能,研究导轮表面粗糙度对流场演化规律的影响具有重要的研究意义和应用价值。考虑制造选定几组导轮叶片表面粗糙度,基于计算流体动力学,采用SST k-ω湍流模型数值模拟液力变矩器内部流场,对比分析不同导轮表面粗糙度下的三维涡系结构。结果表明:导轮表面粗糙度的变化显著影响其叶片壁湍流结构,随着粗糙度增加,导轮、泵轮、涡轮入口处叶片吸力面高流速区域面积逐渐缩减,速度降幅明显,且整体涡系的混乱程度增加;在失速工况下,随着导轮表面粗糙度的逐级增加,液力变矩器的变矩比与试验值之间的误差相对于光滑叶片分别下降了2.7%、3.6%、4.52%,泵轮转矩系数的误差分别下降了1.6%、2%、4.45%。研究结果可为液力变矩器流场解析及叶片制造提供一定技术指导。

液压滤芯过滤性能试验验证是确保主机流体系统污染控制可靠性的重要环节,针对过滤性能解读中长期存在的不全面、不统一的模糊认知问题,以滤芯多次通过试验方法等标准为抓手,围绕试验基本原理、性能概念逻辑及计算方程公式,系统性阐述过滤比、纳污容量和压差之间的内在关系,通过剖析、梳理过滤性能解读实测案例,提出了直观解读、研判解析和深度解密三种由浅入深的解读方法,实现破解报告更多信息、防范人为操纵数据、诠释滤芯性能优劣的目的,为业内同行提高解读技巧能力提供有益参考。

针对单杆液压缸在大负载、高刚度以及动态扰动环境下面临的受控输出不稳定和精度低等问题,对系统的受力过程及结构特性进行了分析;建立了液压系统的非线性数学模型,并设计了一种基于非对称屏障Lyapunov函数的自适应控制方法,以实现输出力在受限条件下的稳定跟踪控制。该控制器融合参数自适应、扩展状态观测器以及动态面控制策略,解决了系统中存在的参数不确定性、未知状态与时变扰动估计和高阶导数引起的计算复杂性剧增问题,并通过构造非对称屏障Lyapunov函数,对系统输出力边界施加约束。基于Lyapunov稳定性理论,证明了控制系统的渐近稳定性,并采用联合仿真试验验证了控制器的有效性。研究表明,所提出的控制器能够有效估计并补偿系统中未知状态与扰动,保证承载过程中的控制输出在安全的范围内,并实现对执行器位置的高精度跟踪控制。

自动送钻系统依赖于人工操作,针对手动送钻存在稳定性差、协调性低、工作强度大和钻压波动大的问题,设计了包括动力单元、驱动单元、执行单元和控制单元的自动送钻液压绞车系统。该系统能够实现钻柱起升速度和地面钻压的控制,具体方法是采用一种常规PID和参数自调整模糊控制相结合的复合控制器控制。运用AMESim-Simulink联合仿真平台进行模拟试验,验证了液压绞车系统能够实现钻柱起升速度和地面钻压作业的控制,控制器提高了系统的响应速度及稳定性,减小了超调量。研究表明,该复合控制器可提高自动送钻液压绞车系统控制准确性,能够实现实时监测,不仅提高了钻井效率,使系统更加智能化,还降低钻井成本,对未来的自动送钻钻井作业具有实际应用价值。

为了增强气动力射流泵吸液性能、提高排水采气效率,以苏里格气田单管射流泵结构组件为研究对象,通过ANSYS建立仿真模型,以泵效作为射流泵性能的评价指标,对气动力射流泵结构参数进行分析。基于响应面法中的Box-Behnken Design设计试验方案,建立以喷嘴直径、喉嘴距、喉管直径及喉管长度为设计变量,以射流泵效率为优化目标的响应面模型,并通过对响应面模型进行泵效方差分析和结构参数相关性分析,确定了各结构参数对效率的影响程度依次为:喷嘴直径>喉管长度>喉管直径>喉嘴距;在优化范围内的最佳结构参数组合为:喷嘴直径d_j为3.3 mm、喉嘴距L_c为4.3 mm、喉管直径d_t为4.7 mm、喉管长度L_k为25.76 mm。对比和分析仿真结果和试验结果,相对误差不大于5%,验证了仿真模型和响应面模型的可靠性和准确性。

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。

非圆行星齿轮液压马达因结构紧凑、扭矩大而具应用潜力,但存在齿轮冲击强烈、配流盘磨损严重及容积效率低等不足。基于计算流体力学与动力学理论,构建了非圆行星齿轮马达的三维流场模型,并结合数值仿真与试验测试,对齿轮冲击特性、配流盘端面磨损机理以及结构优化设计进行了系统研究。结果表明,合理放大配流孔径与优化孔型能够有效削弱齿轮冲击峰值,使平稳作用时间提升约55%;适当增大行星轮通孔径可显著降低局部轴向力及冲量值,使端面磨损减幅最高达66.7%。样机试验验证了仿真结果的可靠性,证明所提出的优化方案能够有效改善配流盘耐磨性与马达容积效率,为非圆行星齿轮液压马达的结构优化与工程应用提供了理论支撑与试验依据。

磁流变减振器半主动悬架响应迅速、阻尼调节范围广且能耗较低,通过实时控制磁流变减振器的激励电流从而对阻尼力实现动态控制,最大限度地衰减传递到车身的振动、提高车辆行驶平顺性,是目前车辆工程领域的重要研究方向。针对某型号磁流变减振器,进行混合模式阻尼特性理论分析,采用ANSYS软件构建磁流变减振器多物理场仿真模型,分析减振器活塞运动速度、阻尼力与控制电流的关系,构建半主动悬架与整车动力学模型,应用滑模控制算法搭建Simulink数值仿真模型,研究滑模控制对悬架与整车振动性能的影响。研究表明,利用有限元方法进行电磁场分析可以直观观察磁路分布,为设计磁液通路结构提供指导,滑模控制能显著优化半主动悬架的性能,有效优化了车身加速度、悬架动行程等关键指标,最终使车辆的振动特性以及车辆的行驶平顺性与舒适性获得了显著改善。

公开报道的航天用机电一体式安全阀研究中电磁阀故障将导致安全阀丧失功能。针对该现状提出了一种采用阀岛控制的、具备一度故障冗余功能的机电一体式安全阀及其控制策略,并开展了原理验证试验研究。结果表明,采用三个常开式二位三口电磁阀组成的控制阀岛对主阀背压腔与压力容器或大气环境之间通路的切换进行控制,结合提出的控制策略,可实现正常工作模式、主动电磁阀DCF1或DCF2任一电磁阀发生通电不动作或断电不动作故障等模式下安全阀的主阀正常动作。原理验证试验中,控制器对电磁阀的控制功能、电磁阀的动作性能、安全阀的开启压力均满足设计需求。研究结果为该机电一体式安全阀在运载火箭增压输送系统中的应用提供了理论指导和工程应用基础。

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。

溢流阀作为液压系统调压与保护的重要元件,其性能衰退将直接影响系统稳定性与安全性。某型先导式溢流阀在工程装备液压系统服役一段时间后,常因主阀芯磨损导致工作性能退化,因此亟需对其性能进行评估,为后续服役寿命评估提供依据。建立先导式溢流阀数学模型,基于模型定性分析了主阀芯-阀套径向间隙和圆角半径的变化对静动态性能影响趋势;在商业软件中建立了仿真模型,利用实测数据对仿真模型进行校验,定量分析了磨损参数对其静动态特性的影响规律。结果表明:在0~7 L/min的流量区间,径向间隙增大导致静态特性曲线增益变缓,圆角半径增大导致静态特性曲线增益非线性变化;径向间隙和圆角半径的增大会延长响应时间、增大压力超调量及稳态压力,其中径向间隙增大对溢流阀动态响应时间延长的影响更显著,圆角半径增大对压力超调量增大的影响更显著。研究结果可为溢流阀的性能评估与故障预测提供理论基础和工具支撑。

水下液压步进式执行器是深海采油树流量控制的核心设备,其动态性能直接影响水下生产系统的安全稳定运行。针对深海高压低温环境下水下液压步进式执行器非线性动态特性难以精准表征的技术难题,依托水下控制系统设计分析软件,提出一种适用于该执行器的高精度建模方法。采用组件式建模理念,搭建水下液压步进式执行器仿真模型,集成Stribeck摩擦模型、深海压力补偿机制及液压-机械耦合特性,并创新引入Gevrey函数对机械摩擦环节进行平滑处理,有效优化了模型求解的数值稳定性与响应速率。通过参数敏感性分析、典型工况仿真及示范工程应用验证,表明该模型对水下节流阀开启过程中执行器活塞位移、供油压力等关键指标偏差均小于2%,可精准复现执行器的非线性动态响应。该建模方法为水下液压步进式执行器的设计优化、性能预测提供了可靠技术手段,也为实现深海装备自主可控开发奠定了建模技术基础。

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。

在粮食仓储管理中,粮仓内壁的曲面结构对爬壁机器人的吸附性能有着较高要求,既要有一定的柔性满足自适应曲面能力,又要有一定的刚度保证支撑稳定性。提出一种刚性吸盘方案用于变曲率墙壁。由于吸盘主体的微小形变能力,导致其在吸附过程中海绵呈现“马鞍形”形变,使吸附性能显著下降。针对该问题,对刚性吸盘结构进行优化,设计了一种采用分布式刚性单元的半刚性吸盘。通过在不同模拟基板上对刚性吸盘、半刚性吸盘进行吸附力试验发现:刚性吸盘在曲率半径为100、200、400 mm曲面模拟基板上的吸附力分别为205.49、307.56、360.25 N;而半刚性吸盘在不同曲面上的吸附力会略有浮动,但整体数值稳定在420 N左右。此方案实现了吸附性能在复杂曲面环境中的显著提升,有效降低了装置作业时的脱落风险,为爬壁机器人在筒仓等领域的应用扩展奠定了可靠基础。

煤矿是典型的高耗能行业,其智能化开采需兼顾高效与低碳目标。液压支架的推溜-移架过程作为跟机动作中的核心高耗能环节,是节能优化的关键难点。针对该问题,建立液压支架跟机能耗数学模型,结合响应面法与相关性分析,系统研究采煤机牵引速度、推移千斤顶进液压力、立柱升降柱流量及进回液压力参数对能耗的单因素影响及其交互作用。以陕煤某矿ZY21000/38/82D型液压支架为对象的研究表明:采煤机牵引速度是影响能耗的主导因素,与推溜、移架能耗均呈非线性负相关;推移千斤顶进液压力、立柱进液压力与立柱升降柱流量分别与移架能耗呈线性正相关;立柱回液压力则与推溜能耗呈线性负相关,且参数间交互作用对总能耗具有显著影响。该能耗模型为液压支架参数配置优化提供了理论依据,有助于降低跟机能耗,推动煤矿行业实现绿色低碳转型。

为降低斜轴式柱塞马达在高低压切换过程中产生的液压冲击与噪声,以球面配流盘遮盖度为关键优化参数展开研究。基于CFD仿真,系统分析了遮盖度从-0.5°~4°(涵盖负遮盖、零遮盖与正遮盖)对压力和流量脉动及容积效率的影响规律。结果表明:负遮盖度增大会提高过渡过程的平顺性,但会显著降低马达配流容积效率;而正遮盖度增大会在提升配流容积效率的同时加剧柱塞腔压力脉动。通过细化分析2°~3°区间并结合噪声试验验证,确定了马达配流盘最优遮盖度为2.8°。在此遮盖度下,马达柱塞腔压力与流量脉动率显著降低,噪声测试值较优化前降低0.7 dB,实现了低噪声与高效率之间的良好平衡。

破碎锤是一种常用的作业工具,安装在挖掘机等主机上进行破碎拆除施工。为研究破碎锤作业液压系统效率特性,对小型破碎锤液压系统进行了建模仿真与试验测试。分析了小型液压破碎锤的工作原理,基于Simulink建立了破碎锤液压系统的模型并进行了仿真,得到液压破碎锤氮气室的压力变化曲线和系统瞬时效率曲线。对微型挖掘机加装小型破碎锤作业进行了试验测试,采集了破碎锤氮气室压力、液压系统压力信号,得到了破碎锤的瞬时效率和平均效率,为破碎锤液压系统效率研究提供参考。

针对传统电动叉车液压系统能耗高的问题,为解决泵阀协同系统控制复杂度高与参数整定难度大等关键技术瓶颈,引入线性自抗扰控制器以优化系统动态性能,并结合改进大蔗鼠优化算法实现控制参数的自适应寻优。首先,基于系统原理分析,构建泵阀协同电液伺服控制系统的数学模型;其次,设计控制策略,分别为泵控、阀控子系统配置线性自抗扰控制器,并开发压力指令控制器,实现多子系统的协同调控;再次,将改进大蔗鼠优化算法应用于线性自抗扰控制器的参数整定;最后,搭建AMESim和Simulink联合仿真模型并进行验证。仿真结果表明,所设计的控制策略能有效调节伺服阀的开度和液压泵的输出流量和压力,对比PID控制的泵阀协同控制系统,提高了液压系统的响应速度和控制精度,将位置误差稳定控制在0.003 m 以内;与传统阀控系统相比,显著减少节流和溢流损失,节能率达到 41.78%。

针对液压挖掘机阀控系统能效低、单泵控差动缸系统动态性能不足的问题,以单伺服电机-双定量泵的双泵控差动缸系统为研究对象,设计了速度前馈补偿与线性自抗扰控制融合的复合控制器。该控制器利用线性扩张状态观测器实时估计并补偿系统内外总扰动,并引入速度前馈超前补偿系统位置误差。在MATLAB/Simulink中建立双泵控差动缸系统模型,通过恒负载下的仿真验证所设计控制器在双泵缸系统位置控制中的可行性;搭建微型液压挖掘机多体动力学模型,为动臂、斗杆以及铲斗装备双泵控缸系统模型,开展三种不同控制器下的仿真与对比。结果表明:在恒负载工况下,所设计速度前馈-线性自抗扰下最大位置跟踪误差,与线性自抗扰相比,从4 mm降至2 mm;在典型挖掘循环工况下,挖掘机动臂工作装置最大位置跟踪误差为3.78 mm,能量利用效率为61.33%,斗杆和铲斗工作装置相较于PID和线性自抗扰也具有更高的位置控制精度和能量利用效率;验证了该方法有效提高双泵控缸系统能效和动态性能。

比例溢流阀作为液压系统中流体控制的核心元件,在液压系统动态调节中发挥着重要作用。深入研究其压降特性并对其优化,对于提升系统控制精度与能效具有重要意义。以某型比例溢流阀为研究对象,利用AMESim构建该比例溢流阀的仿真模型,研究其压降特性,并提出一种基于试验设计与响应面法的多参数协同优化分析方法,实现比例溢流阀阀口压降与动态响应特性的平衡调控。研究结果表明:阻尼孔径是影响压降的主导因素,其直径从0.5 mm减至0.2 mm时,最小压降可降低39.8%,而最大压降变化微弱;响应面模型验证显示,半锥角与弹簧刚度对压降的敏感性较低。该方法有效解决了传统设计中“低压降”与“快响应”的矛盾,为高性能比例溢流阀的开发提供了理论依据。

针对液压系统中换向阀与液压缸的故障特性复杂、故障诊断准确率低的问题,提出一种融合线性核和高斯核的混合核支持向量机算法,该算法能显著提升支持向量机对复杂故障数据的分类能力。在此基础上,结合粒子群优化算法与一对一多分类策略,使混合核支持向量机故障诊断模型具备参数寻优与多分类的能力。为验证算法有效性,搭建换向阀与液压缸故障试验台采集出故障流量信号数据,通过时域特征提取与主成分分析进行预处理,再将预处理后的数据输入改进的故障诊断模型中进行训练与验证。分类结果表明:该方法在换向阀与液压缸故障诊断中的准确率为97.11%,相较于其他故障诊断模型,该模型具有更高的故障诊断精度和更优的分类性能。

针对电液执行器非线性强且内部状态难以观测导致的建模精度低、泛化能力弱等问题,提出一种改进的物理信息神经网络建模方法。该方法采用一维卷积神经网络模块提取时序特征,并将电液执行器动力学中的力平衡方程作为物理约束嵌入损失函数,以弥补纯数据驱动模型可解释性差的不足,提高模型的收敛速度。此外,针对传感器噪声干扰物理约束计算的问题,设计了基于局部线性拟合的信号平滑策略。多工况试验结果表明,该方法在有限数据下能有效平衡数据拟合与物理一致性,相比传统模型显著提升了预测精度与鲁棒性。

针对服役于深远海环境下舰船重型长管状构件在实验室环境进行冲击试验所面临的科学挑战,开发一种基于气液弹簧的全液压式冲击测试装置。首先,建立了冲击响应基本原理和动力学模型,采用压力比表征了蓄能器热力学绝热过程中的存储能量,并推导了气液弹簧的固有频率及加速度理论公式。其次,基于AMESim对冲击测试原理的可行性进行仿真分析,揭示了加载压力、卸油管路通径和蓄能器预充气压力对存储能量和峰值加速度的影响规律。结果表明,加载压力越高,卸油管路通径越大,系统峰值加速度越大;在5、10、15 MPa三种加载压力下,存储能量和峰值加速度随预充气压力变化趋势分别呈现递增、先增后减和递减的特征。

压缩机气量调节受复杂工况的影响很大,单一故障识别无法保障异常识别精度。为了进一步提高压缩机气量控制精度,设计了一种面向故障异常识别的压缩机气量调节自愈控制方法。在分析电液执行器系统的基础上,给出气量调节自愈控制策略,建立无级气量耦合调控模型,通过主动控制载荷的方式来消除故障问题,确保气量调节系统处于失稳条件下完成在线自愈的目标。研究结果表明:加入两级压力后,网络训练结果误差都在2%以内,达到了理想的预测目标。系统自愈调控曲线跟仿真结果形成良好的吻合程度,仿真过程满足要求。一级执行机构处于相对恒定的振动相位,判断一级调节过程可以获得稳定负荷。该研究适用于其他的机械传动故障诊断领域,具有推广价值。

轴向柱塞泵是航空航天装备中核心动力源,其中缸体是最关键的旋转组件,其倾覆角对内部故障的响应往往早于压力、振动等外在指标。然而,受泵体封闭结构限制,缸体倾覆角度无法直接测量,成为可靠性评估与早期风险识别中的关键不可测变量。为此,提出一种融合缸体倾覆动力学的物理信息神经网络方法。通过构建包含压紧力、油膜支撑力与剩余支撑力的力矩平衡模型,并将其作为约束嵌入损失函数,物理模型通过有效抑制弱信号计算中的误差放大效应,使得物理信息神经网络在多工况与跨健康条件下具有良好的泛化性能,与无物理约束模型相比,平均误差降低了17%,并保持了较高的预测准确性,预测误差均在5.71%以内。该方法为健康监测、风险识别和维护策略制定提供了可靠的技术途径。