为揭示齿轮泵高转速运行时的空化发展规律,对装载机用大功率双联齿轮泵的吸油特性展开研究。通过全流域仿真模拟及试验,分析了转速、吸油压力对双联齿轮泵空化现象及输出流量特性的影响。结果表明,双联齿轮泵发生明显吸油空化的临界转速为2400 r/min,当转速大于2400 r/min后,泵内的气体含量骤增,严重影响输出流量的连续性和稳定性;双联齿轮泵的临界吸油压力为0.19 MPa,继续增大吸油口压力会增大泵出口的流量脉动,与入口为0.1 MPa相比,吸油压力为0.19 MPa时齿轮副1和齿轮副2的气体体积分数分别降低0.059和0.067,有效流量分别增大7.96%和9.24%。通过增压装置增加泵的入口压力,对齿轮泵空化的抑制以及有效流量的提升有明显的改善作用,具有工程实际意义。

先导式电液比例溢流阀是用来控制系统中油液压力的压力控制阀,可根据工况要求以电信号控制电磁力从而实现对液压系统的压力控制,由先导阀、主阀和手调安全阀组成。由于控制阀口通流状态较为复杂,采用流量经验公式和传统的液动力公式难以准确计算阀口通流量和阀芯所受液动力,数学模型计算结果与试验存在较大差异。为了较为准确地获得溢流阀的静态特性,采用Fluent软件分别对主阀和先导阀进行流场仿真计算,获得不同阀口开度和压差下的阀芯受力和阀口通流量。利用插值方式得到阀芯受力和阀口通流量的插值模型,据此求解静态数学模型,得到溢流阀静态特性曲线。结果表明,采用插值模型求解所得静态特性曲线与试验曲线的吻合度更高。

以某阀后补偿流量共享型多路换向阀为对象,在不饱和流量状态下分析了复合动作中补偿阀芯的压力补偿功能,探明了补偿阀芯的补偿压力随负载动态变化的特性。通过分析不同过流面积下主阀芯和补偿阀芯对各动作流量的影响,提出了考虑补偿阀芯最小开口与主阀芯过流面积影响下的复合动作流量随负载变化理论计算公式。并通过多路阀复合动作试验进行了验证,通过误差分析确立了其具有一定准确性,为实际应用中多路阀流量分配设计提供了理论依据。

针对液压支架换向阀元件复杂结构形成不规则流道,传统一次动量定理不能精确求得阀芯所受液动力,以及因液动力过大或不稳定使换向阀动静态特性降低的问题,以支架换向阀主阀为研究对象,在分析其结构组成与工作原理基础上,提出一种全流域控制体积划分方式。运用多次动量定理,分别分析了每个控制体积内动量变化量,考虑阀芯上下游元件结构参数对阀芯液动力数值的影响,较为精确的推导出阀芯所受稳态液动力公式,并进行理论计算。通过分析公式,得出对阀内元件结构参数进行优化的方法来补偿稳态液动力并用CFD方法模拟了稳态液动力随阀芯开度变化规律。结果表明:结构参数优化后阀芯所受液动力峰值与变化幅度均较原结构低,将阀套内径结构优化后,液动力峰值与变化幅度较原结构降低了56.25%与48.12%;将回液阀芯顶杆直径优化后,液动力峰值与变化幅度较原结构降低了28.79%与32.71%;将回液阀芯端面倾角优化后,液动力峰值与变化幅度较原结构降低了31.87%与37.16%,有效缓解了支架换向阀阀芯所受稳态液动力使阀动静态性能降低的问题。

金属硬密封三偏心蝶阀在关闭状态下的密封比压决定着该阀的密封性能和工作寿命,优化金属硬密封部件的结构参数十分重要。以DN600三偏心蝶阀为研究对象,利用有限元分析法,分析密封面上密封比压分布规律。提出利用密封配合面周向间隙指标判断蝶阀的密封性能,利用Box-Behnken响应面优化方法对密封构件的结构进行优化,分析复合阀板座大、小径端切割厚度、复合阀板座直径及其交互作用对密封面最大密封比压的影响,得出最优设计方案。结果表明,在不影响蝶阀密封的前提下,优化复合阀板座参数后,密封面最大密封比压从202.96 MPa下降到128.44 MPa。对优化后蝶阀进行封闭打压密封实验,验证了其密封性能的可靠性。

现有阀控数字液压缸中集成的滑阀通常采用全周开口,其流量增益大、阀芯所受液动力大,严重影响数字液压缸的起动和切换时的动态响应特性。针对6种典型非全周开口滑阀结构,计算了各阀芯节流槽过流面积,确定了在过流面积相同的情况下,一级(U、V、K形)和二级(UU、UV、UK形)节流槽的结构参数;比较了不同结构形式的非全周开口滑阀的数字液压缸在阶跃信号下的响应和阶跃负载扰动的响应。仿真及实验结果表明:相较其他阀口形式,节流槽采用K形及UK形结构时,数字液压缸在阶跃输入信号下的响应较好;而相较于UK形节流槽,阀芯采用K形节流槽时,滑阀控制的数字液压缸的负载刚度更好,速度冲击更小,但活塞无杆腔建立工作压力较慢;阀芯采用UK形节流槽时,滑阀控制的数字液压缸的在相同负载干扰下响应速度更快。

先导阀是阻尼连续可调减振器电磁阀中的关键结构,主要调节主溢流阀的开启压力,其性能的优劣直接影响阻尼连续可调减振器阻尼特性。以一种双复位结构的阻尼连续可调减振器先导阀为研究对象,首先对比先导阀Maxwell、Femm仿真和试验数据,验证仿真模型的正确性;然后通过参数化仿真和温升试验,分析漆包线线径、漆包线耐温等级、软磁材料、结构尺寸对先导阀性能的影响。结果表明,电磁力与线径呈正相关,线径增大到0.45 mm临界点后先导阀稳恒力特性逐渐恶化,漆包线耐温等级240 ℃限制先导阀工作最大电流为2 A,软磁材料的膝点位置影响先导阀稳恒力特性,尽量减小侧向间隙有利于提高先导阀性能,导磁环高度对先导阀性能影响最为显著。研究旨在为阻尼连续可调减振器先导阀设计提供有益的理论参考。

在线辨识轴向柱塞泵磨损状态对保证液压传动与控制系统的稳定可靠运行具有重要意义,但实际工况下的辨识性能受强噪声干扰。磨损状态辨识模型能通过对抗训练增强抗噪声鲁棒性,但庞大的参数量限制了其在边缘计算设备上的应用。为了兼顾抗噪声鲁棒性和模型体量,提出了一种基于对抗蒸馏的磨损状态在线辨识轻量化方法,设计了基于一维卷积神经网络的学生模型和教师模型,学生模型生成对抗样本作为知识迁移数据集,并通过知识蒸馏学习教师模型的鲁棒特征知识。通过故障注入、对比实验和消融实验,表明所提方法能兼具抗噪声鲁棒性强和模型结构轻量的优势。通过边缘部署和在线验证实验,验证所提方法能实时准确地辨识轴向柱塞泵磨损状态。

为了探究离心涡轮自增压装置对高速轴向柱塞泵内液流流动特性的影响,建立了轴向柱塞泵的仿真模型,通过CFD仿真技术研究了离心涡轮与柱塞泵耦合运行时泵内部全流域流场的压力特性、速度特性以及空化特性。研究表明:装配有离心涡轮的轴向柱塞泵吸油能力显著提升,且对射流空化、吸空空化均有抑制作用,其中对吸空空化的抑制效果最显著。应用涡轮增压系统后,单个柱塞腔旋转一周过程中的时均气相体积从59.54 mm³降至1.66 mm³,最大气相体积分数由0.155降至0.029,阻尼槽区域的射流速度由100 m/s降至75 m/s,而涡轮所消耗功率仅占柱塞泵轴功率的9.7%。

以某型汽车涡轮增压器并联充液管路为研究对象,采用模拟仿真与试验验证相结合的研究方法,研究了充液管路在随机振动作用下的疲劳失效问题。首先,建立充液管路的流固耦合动力学模型,并通过模态试验验证了该模型的准确性;其次,基于所建立的动力学模型与管路实测的S-N曲线,进一步预测了充液管路在随机振动载荷谱下的疲劳寿命,并与试验结果进行了对比;最后,通过优化波纹管波高与壁厚,提高了充液管路的疲劳寿命。结果表明:充液管路疲劳寿命随着波纹管波高尺寸与壁厚尺寸的增加先提升后下降;当波纹管波高与壁厚分别调整为3.5 mm与0.33 mm时,优化效果明显,充液管路的预期疲劳寿命由1.056×10⁶提升到1.80×10⁷。

针对高性能电液比例阀所需的大推力驱动器,提出了5种结构形式音圈电机,利用电磁仿真工具ANSYS Maxwell,对不同结构的音圈电机的推力和磁场分布特征进行了计算,分析铁芯半径和线圈位移对不同结构的音圈电机推力和磁场分布的影响。结果表明,5种结构中内磁式无铁芯、线圈紧贴外壳、永磁体分段设计的结构有最大推力,可达75.29 N,并通过实验得到了验证;在永磁体两侧添加导磁环以及适当分段永磁体,均能有效提升音圈电机的推力。

对某飞机舱盖作动筒异常弹出进行分析,原因是油液中的气体导致油液体积弹性模量变小,可压缩性增强,易发生弹出现象。基于IFAS模型得到含气量与油液体积弹性模量的关系。座舱盖液压操纵系统密封区域均采用O形密封圈进行密封,但由于关键元件粗糙表面特征的存在构成气体泄漏通道,导致座舱盖液压操纵系统中混入气体。因此提出了一种基于Roth模型的泄漏率计算方法,将O形密封圈与金属粗糙表面之间的接触关系,看作弹性金属光滑表面和刚性金属粗糙表面之间的接触关系,对金属粗糙度表面轮廓三角峰均一化排列,从而将泄漏路径定义为梯形通道。基于有限元软件ABAQUS计算密封圈的密封性能系数,分析了表面粗糙度及偏载情况对气体泄漏率的影响;最后通过ANSYS仿真分析与理论结果进行对比。该工作对高精密的密封结构加工设计有着重要指导意义。

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。

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%。

压力脉动主动抑制是提升数字液压阀控系统控制精度和可靠性的关键技术。然而,目前主动抑制方法在对压力脉动进行抑制时缺乏对其特性的深入理解,导致抑制效果不理想。因此,设计了压力脉动测试试验台,分析了系统中不同位置压力脉动的变化情况,探索了液压泵、高速开关阀对不同位置压力脉动的影响。结果表明:数字液压阀控系统中压力脉动的主要来自于高速开关阀持续开/关引起的水击现象,并且压力脉动的频率始终与阀的开/关频率保持一致。为设计前馈的压力脉动主动抑制系统提供了新思路,同时也为研发更高效的压力脉动衰减器提供了参考。

柱塞泵配流副油膜温度分布影响配流副油膜润滑、泄漏与摩擦。为了探究轴向柱塞泵配流副油膜的温度分布,搭建了配流副三点油膜厚度与多点温度测试平台。根据采集的配流副油膜三点膜厚试验数据,建立了配流副楔形油膜模型;考虑了柱塞腔、配流副油膜对缸体的静压力、配流副表面微凸体间作用力,建立了缸体轴向力平衡方程;考虑了配流副油膜的能量损失、热传导以及油液黏温特性,建立了配流副油膜热平衡模型。结果表明,配流副油膜最高温度值随着压力和斜盘倾角的增大而增大,最高温度点位置保持在高压腰型槽对称线两侧-20°~20°的区域内;最高温度理论与试验结果的相对误差小于8%。

为提高执行器的响应速度、鲁棒性和控制精度,提出了一种新型控制技术,将扩张状态观测器与反步积分终端滑模预设性能控制器相结合。首先,将非线性干扰观测器与扩张状态观测器融合,实现对状态量、外部干扰和匹配干扰的观测。然后,在控制器中引入积分终端滑模和规定性能约束,以加快执行器在位移误差远离平衡点时的跟踪误差收敛速度,并确保瞬态和稳态位置响应在要求的有界范围内。最后,基于李雅普诺夫方法对控制器进行稳定性分析。结果表明:在跟踪具有外负载干扰的复合轨迹情况下,设计的控制器能保证瞬态性能和规定的跟踪精度,与反步滑模控制器和PID相比,所提出的控制器具有更佳的控制性能。

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。

为了减小液控逻辑阀的压力损失,提高油液的流动效率,基于CFD建立了阀内部的流体动力学模型,考虑流体空化的影响,分析液压油的流动特性、阀的流量-压力特性,并进行试验验证,探究不同阀口结构参数对压力损失的影响。结果表明:当进口流量大于60 L/min后,是否考虑空化的仿真与试验的误差分别为4.16%和22.41%;在锐边处采用圆滑过渡、增大阀套孔直径、减小阀芯直径能有效降低逻辑的压力损失,可为逻辑阀优化设计提供参考。

针对阀前补偿型多路阀压差不可控、流量调控范围受限和流量控制精度低等问题,提出了压差主动控制原理。采用比例减压阀调控补偿器阀芯受力,实现压差比例可控,根据工况主动调节,提升流量控制范围;其次设计主阀芯位移闭环、流量增益调节与液动力补偿的变增益控制策略,实现补偿不利因素影响、拟合目标流量曲线、提高主阀流量控制精度等功能。结果表明:改变减压阀压力,主阀压差可在0~1.28 MPa 内任意调控,流量调控范围为原阀流量的0%~131%。通过主阀芯位置闭环控制,提高其位置控制精度,进而改善主阀流量控制精度,流量滞环由4.6%降至2%,与原阀相比流量滞环减小50%以上。通过主动调整主阀压差,不改变主阀芯结构,用同一主阀实现多种流量增益控制效果;通过压差控制单元输出力,平衡补偿器液动力,消除液动力等扰动对主阀压差的影响,提升了主阀流量控制精度。

针对机载电静液作动器(Electro-Hydrostatic Actuator,EHA)的典型故障,详细分析了故障原理并在MATLAB/Simulink中搭建了仿真模型。为了高效准确识别故障类型,提出一种用遗传算法(Genetic Algorithm, GA)和粒子群算法(Particle Swarm Optimization,PSO)混合优化支持向量机(Support Vector Machine,SVM)的故障诊断算法。GA鲁棒性好且全局搜索能力强但收敛速度慢,PSO对样本规模不敏感且具有记忆功能但易陷入局部最优,故融合两种算法寻找SVM的最优参数。另外,为了解决传统SVM多分类方法“一对多”和“一对一”易出现不可分的问题,建立一种偏二叉树结构的SVM多分类模型。对于采集的原始数据高度重合的情况,引入时域特征统计量进一步提升模型的分类性能。实验结果表明,提出的混合优化算法寻优速度更快、所寻参数更佳,同时用该算法优化的SVM分类模型相比于其他5类常用的机器学习模型分类效果更好,故障识别正确率可达97.7%。

目前,矿用开关电磁铁在本质安全和功率的双重限制下,依靠传统的电磁铁优化设计思路难以进一步提高输出力的匹配特性。以矿用电磁先导阀上的电磁铁作为研究对象,针对其输出电磁力与负载反力匹配性差的问题,通过有限元分析了电磁铁结构参数对输出力特性的影响,并采用有限元分析与多目标遗传算法结合的优化思路,对电磁铁输出力特性曲线进行了矫正。实验表明,极靴内径与衔铁外径尺寸匹配关系对电磁力特性影响显著,优化后的电磁铁力位移特性水平段增加了一倍,与负载反力匹配性得到明显提升。研究成果对提高综采工作面的跟机效率奠定了元件基础。

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。

迷宫流道流阻特性的设计是迷宫式调节阀实现节流减压的关键。然而,迷宫流道结构较为复杂,流动介质中的沉积物易导致迷宫流道堵塞,影响节流减压性能。对迷宫流道的流阻性能和抗堵塞性能进行研究,分析不同结构迷宫流道的流场与颗粒运移规律,并优选特斯拉形作为基础迷宫流道结构。通过正交试验设计,阐明了特斯拉形流道结构参数与流阻系数、颗粒通过时间之间的影响关系,并建立多元非线性回归模型。采用基于NSGA-II的多目标优化算法,以流阻系数最大、颗粒通过时间最小为优化目标进行高流阻低堵塞迷宫流道优化设计。结果表明:特斯拉形迷宫流道宽度和深度的减小可以增大流阻系数,出口段长度的减小可以降低颗粒通过时间;优化后特斯拉形迷宫流道流阻系数提高了55.3%,颗粒通过时间降低了1.58%,有效的提升了流阻特性和抗堵塞性能。

采用变转速电机驱动定量泵作为电液动力源时,通过控制转速来实现压力控制,难以适应负载流量快速变化的工况。而采用伺服电机通过直接转矩控制的方法驱动定量泵实现压力控制,与变转速控制压力相比,具有动态响应更快的优点。但受转速等非线性因素影响,使得转矩与压力具有非线性对应关系,在开环控制时,压力控制偏差较大。为此,在开环控制压力时,采用可以迭代离线生成的转速、压力控制偏差二维图表来进行转速补偿。通过理论分析与数字仿真进行研究,结果表明,在相同条件下,与用拟合曲线进行转速补偿的压力控制方案相比,该方案的压力控制误差降低为2%,可以更好的实现压力控制。

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。

针对混动叉车频繁升降及起停制动造成能量损耗严重等问题,聚焦混动叉车势能回收与行车时双动力能源分配控制策略能效提升的关键技术,进行了混动叉车势能与制动能量联合回收系统设计。在传统混动叉车并联式混动系统基础上改进优化,运用前向建模思想搭建仿真模型。为实现精准控制液压缸位移,提出了一种模糊PID自适应控制系统;为优化混动叉车在行车时发动机和驱动电机的工作效率并进行制动能量回收,基于发动机最优工作曲线提出一种制动能量回收控制策略。最后基于JB/T 11988—2014制定多种工况,运用AMESim和Simulink进行多种工况下仿真对比试验,验证该方法有效性,实现能量回收效率提升,势能与制动能量联合回收效率最高可达56.86%。

针对双向液压机电液伺服系统中位移-力双变量高精度耦合控制需求,基于负载口独立控制结构设计了一种双向液压机位移-力耦合控制电液伺服系统,并建立了相应的数学模型,揭示了基于线性负载的位移-力耦合控制系统的物理规律,提出一种双向液压机位移-力耦合控制解耦方法,并通过仿真和试验平台对该方法有效性进行验证。结果表明,当系统运行稳定后,力的最大超调量为1.42 %,位移的最大超调量为0.8%,力闭环跟踪误差的标准差为447.5 N,位移闭环跟踪误差的标准差为0.037 mm。该方法实现了双向液压机位移与力的高精度耦合控制,增加了系统的自由度,为位移-力双变量耦合控制解耦方法的研究提供了新思路。

液压调平系统平台回落过程中存在超越负载,且随着负载重心偏移和平台倾角变化,作用于支腿液压缸的负载力也会随之变化。传统液压系统中负载控制阀或平衡阀在平衡变超越负载时速度控制效果差,容易发生速度抖动。为解决这一问题,采用负载口独立控制技术,针对平台回落时液压缸存在的变超越负载工况,提出对液压调平系统中液压缸有杆腔进行压力控制,无杆腔进行流量控制的压力-流量复合控制方法,建立其数学模型,并进行AMESim和Simulink联合仿真验证。结果表明,在负载力发生突变时,液压缸有杆腔压力和无杆腔流量均可在0.2 s内恢复至控制值,平衡掉系统变超越负载的同时,能够满足系统的速度控制需求。

流量脉动是轴向柱塞泵输出油液时的固有属性,其诱发的压力脉动直接影响柱塞泵及整个液压系统的工作品质和服役寿命。为阐明轴向柱塞泵流量脉动成因和成分,建立了轴向柱塞泵三维瞬态CFD仿真模型,搭建了轴向柱塞泵出口压力脉动测试平台,验证了仿真模型的有效性。通过调整仿真模型的几何结构参数,解耦出柱塞泵流量脉动中的几何脉动、倒灌脉动、泄漏脉动和死区脉动分量,仿真分析了不同工况下各脉动分量对柱塞泵总流量脉动的幅值贡献率。结果表明,几何脉动和倒灌脉动加剧出口流量脉动,而死区脉动和泄漏脉动抑制出口流量脉动。在出口压力10 MPa和转速1000 r/min工况下,几何脉动和倒灌脉动对出口流量脉动的贡献率分别为9%和214%,死区脉动和泄漏脉动对出口流量脉动的贡献率分别为-35%和-88%。研究结果为轴向柱塞泵出口流量脉动的形成机理及抑制方法提供了重要理论依据。

飞机燃油管路内部流体流动特性复杂,油液与管壁相互作用产生的流固耦合作用严重影响管路安全,深入研究流固耦合特性对减少管路振动和磨损具有重要意义。通过金相检测和微拉伸试验获得焊接接头区域具体尺寸和力学性能参数,建立带有90°弯管的对焊燃油管路流固耦合模型。采用Realizable k-ε 湍流模型开展研究,综合分析在恒速流场下不同入口流速对流体域流动特性及固体域应力响应规律的影响和在脉动流场下不同区域等效应力的响应结果。结果表明:恒速流场下,出口弯管段最大等效应力受流速影响显著;脉动流场下,焊接接头处的最大等效应力出现在焊缝区且应力水平较为集中。可为改善飞机燃油管路的构型设计和系统性能提供重要参考。

为降低传统液压挖掘机动力系统的能量消耗,提出一种单定量泵控缸的分布式直驱液压系统,开展中型挖掘机泵控系统与阀控系统的能效对比。首先,对双泵双回路阀控液压系统和分布式泵控液压系统的原理进行分析;随后,在MATLAB/Simulink中建立机械多体动力学模型、泵控液压系统模型和速度前馈PID位置反馈控制器;根据GB/T 36695—2018 中的典型挖掘机循环,分别进行阀控系统实验和泵控系统仿真;最后将实验结果和仿真结果进行对比分析。结果表明:在同一工况下,两者的工作装置能耗基本相当(泵控系统比阀控系统高8.5%),但泵控系统效率(62.1%)是阀控系统效率(23.5%)的2.6倍,泵控系统总能耗降低了62.4%。

水下液压机械臂是用于水下特种作业的重要装备。目前控制液压机械臂进行水下作业时主要基于视觉反馈来确定作业位置,由于摄像头畸变、水流干扰等存在多种作业误差,容易在抓取、定位等作业时产生卡滞、楔紧等问题,严重影响作业效率和安全性。对此,提出了一种面向水下液压机械臂的主被动柔顺控制方法。通过末端夹具设计,补偿定位误差和偏转误差,实现被动柔顺;基于虚拟解耦控制方法建立精确位置控制器,结合接触力观测器和变阻抗控制,实现主动柔顺。实验验证了主被动柔顺控制的有效性,为水下液压机械臂的安全柔顺控制作业提供了参考。

为了研究一种新型低速大扭矩内曲线柱塞泵的内流域空化特性,建立了内曲线柱塞泵的配流体内流域模型,通过CFD流体仿真对配流体流域的空化分布和产生进行研究。分析了不同工况参数对配流体流域空化特性的影响。研究表明:空化主要发生在排油单向阀阀口和高速开关阀阀口,气相体积分数直接反应空化的剧烈程度,泵轴转速和负载压力对于空化的影响明显,但过低的吸油压力会导致柱塞发生吸空。通过增大流道局部内径和缩小流道长度两种不同方式对配流体内流域结构进行优化,以此减小油液流速,进而削弱空化现象,优化方式较好。

文氏管调节阀作为流量控制系统的核心组件,其流量特性对系统控制精度及稳定性具有决定性影响。研究了文氏管调节阀的流量特性,采用包络线法对阀芯型面进行了优化设计,并对优化设计结果进行了CFD仿真分析和试验验证。结果表明:抛物面型阀芯可实现调节阀通流面积与阀芯位移之间的线性变化;在出入口压比为0.5的工况下,CFD仿真模拟和调节阀水介质流量特性试验均验证了调节阀位移-流量曲线具有极高线性度,进一步说明了抛物面型阀芯设计准确有效。同时,通过可视化试验图像可知,由于空化流动状态发生改变,调节阀阀芯位移较小时流量系数曲线会出现剧烈波动。

气密封技术是维持浸没流场稳定性的主要机制。气体射流冲击晶圆表面,防止浸没液体泄漏造成套刻误差和曝光缺陷。因此,浸没流场和密封气体的相互作用、气-液界面的行为特性亟需研究。采用背景纹影技术观测气体射流,介绍了该可视化技术的测量原理和硬件搭建。通过光路设计实现气-液、内-外流场同步观测,以及界面行为特性研究。对背景纹影技术等非接触式测量技术在超洁净流控中的应用提供指导。

柔性集装袋的稳定抓取是上料过程的重要环节,集装袋的抓取质量对后续包装工艺影响极大。为此,研究了真空吸盘对集装袋抓取质量的影响。使用真空吸附原理,通过设计气动真空系统并观察数显压力表中数值变化,建立吸附-悬垂理论模型并进行实验测量。研究真空发生器数量、吸盘数量与真空度的变化规律以及吸盘自身轴、径向变形失效临界参数,确定布局方式。最终,确定了抓取时真空度不得低于45 kPa,吸盘沿轴、径向变形失效临界值分别为4 mm、5 mm,为同类型柔性抓取提供了参考。

风机作为采棉机气力输送系统的核心部件,其性能优劣将影响采棉机的作业效率。为提高采棉机气力输送系统的最大风量,针对采棉机用多翼离心风机叶片进行优化设计。为了获得代理模型所需的基本数据,建立了CFD数值模型并采用拉丁超立方实验在设计空间内生成20组样本。基于样本数据,建立了出口风量与设计变量的近似模型,采用智能优化算法获得最优设计方案。优化后的设计方案相较于原型机,出口风速明显增大。CFD数值计算分析风机的动态特性,结果表明,在多转速工况下风量均有明显提升,其在额定转速工况下,风量提升17.27%。

针对液电混驱回转装置制动能量高效回收与利用问题,提出基于电机转速控制模式与转矩控制模式的控制方式。首先,对液电混驱回转系统进行理论与原理分析;之后,在AMESim中对该系统进行了仿真分析,并为后续实验提供参考;最后,通过实验对比分析了转矩模式与转速模式差别。结果表明:转矩模式相对于转速模式运行过程更平稳,功率无波动;转速模式更有效利用蓄能器能量,相对于传统挖掘机节省48.4%,比转矩模式节省42%;转矩模式超调量比转速模式大8%,整体上转速模式优于转矩模式。