关键词： 汽车起重机   联合仿真   卷扬平衡阀   卷扬多路阀   稳定性  

摘要： 汽车起重机作为用途较为丰富的工程机械设备之一,在大型工程项目施工和城市建设中担负着非常重要的角色。随着工程机械行业的不断成熟以及智能制造技术的不断发展和进步,汽车起重机逐渐向可靠性、安全性、工作稳定性以及智能化的方向发展。当前汽车起重机卷扬系统在工作时容易出现臂架抖动以及液压冲击等现象,从而影响臂架工作的平稳性和安全性。因此,对汽车起重机各液压元件、液压系统及机械系统整体稳定性的研究和优化具有重大意义。本文以某中型汽车起重机卷扬系统为研究对象,采用理论研究、试验测试以及仿真分析相结合的手段,精确建立起重机卷扬系统关键液压元部件与液压系统的数值仿真模型;考虑汽车起重机上车作业系统的机液耦合特性,基于AMESim和ADAMS联合仿真平台建立卷扬系统的数字样机模型,实现起重机卷扬系统机液耦合动态特性的高精度仿真;基于传递函数法研究影响卷扬系统动态稳定性的因素,并提出液压阀控制口阻尼的优化设计方案,有效提升卷扬系统的动态稳定性。论文研究的主要内容如下:(1)以汽车起重机卷扬液压系统关键液压元件,如平衡阀、多路阀等为研究对象,依据其工作原理与及结构特性分别建立其数学模型,通过系统拆解与测绘,精确获取阀件结构参数;针对阀芯位移与过流面积难以精确确定的问题,基于等效过流面积原理提出U形槽阀口阀芯位移与过流面积曲线的计算方法;在此基础上,基于AMESim软件HCD库分别建立其数值仿真模型,研究获得平衡阀、多路阀等液压元件压力、流量特性。卷扬液压系统平衡阀、多路阀等关键元件动态性能测试结果表明:关键阀件数值仿真所获得平衡阀、多路阀压力-流量特性与试验测试结果误差小于10%,验证了数值仿真模型的正确性。(2)为了更加准确和真实的反映汽车起重机卷扬系统的实际工作特性,基于AMESim和ADAMS联合仿真平台,建立了卷扬系统的机液耦合数字样机模型。对汽车起重机卷扬系统进行了不同工况下的实车试验测试,结果表明:机液耦合模型所预测的液压动态特性与试验测试结果误差小于10%,验证了汽车起重机卷扬系统机液耦合数字样机模型的正确性。(3)分别建立了汽车起重机卷扬液压系统中卷扬多路阀和卷扬平衡阀的传递函数模型,基于传递函数法研究了影响卷扬系统稳定性的关键因素及提高系统稳定性的优化方向;基于工程可实现性提出了提高卷扬系统动态稳定性的多路阀、平衡阀控制口阻尼孔优化匹配设计方案,机液耦合数字样机模型仿真结果验证了优化方案的有效性。

关键词： 飞机防滑刹车控制   半物理仿真   液压伺服系统建模   实用稳定性   振动抑制  

摘要： 液压伺服系统振动失稳是飞机刹车系统设计中急需解决的难题,作为刹车系统核心的执行机构,液压伺服系统振动失稳可能导致液压管路破裂、飞机起火等严重安全事故。本文针对飞机刹车过程中液压伺服系统的振动失稳问题,建立了新型三级射流管伺服阀非线性模型,提出了液压伺服系统实用稳定性分析判据,设计了控制参数的灵敏度约束和鲁棒性约束,并基于上述约束条件完成了飞机刹车鲁棒自学习PID防滑控制律的设计。总体而言,本文的研究主要分为伺服系统模型建立、伺服系统参数辨识、基于实用稳定性分析的约束条件设计、带约束的防滑控制律设计四大部分。本文主要贡献和研究工作如下:(1)针对现有飞机刹车控制系统设计中液压伺服系统模型无法完整表征系统非线性动力学行为的问题,计及铁磁体磁滞特性、阀芯位移死区及饱和特性等伺服阀内部组件的非线性特性,建立了新型三级射流管电液伺服阀非线性流固耦合振动模型,克服了传统三阶线性模型无法描述伺服系统内部状态动态特性的缺点,为研究飞机刹车过程中液压伺服系统失稳机理及振动抑制提供了模型基础。(2)针对液压伺服系统结构复杂、参数众多,部分关键参数难以精准获取的问题,设计了一种带自动选择机制的正交滤波误差估计算法,消除了系统辨识过程中未知参数间的耦合作用,提高了参数辨识精度,实现了对液压伺服系统关键参数的辨识。试验结果表明,本文所提出的带自动选择机制的正交滤波估计的残差检测离群率小于2.8%,辨识结果具有良好的可信度,提高了液压伺服系统模型的精确度。(3)针对李雅普诺夫稳定性理论不适宜表征强实时性、强非线性系统稳定性的问题,提出了一种飞机刹车液压伺服系统实用稳定性判据。首先,基于相图分析方法研究了外界干扰、刹车容腔、回油容腔体积等因素对系统非线性振荡的影响规律;其次,提出了扰动状态下伺服系统的实用稳定性判据,给出了刹车伺服系统实用稳定性的参数可行域;另外,通过Koopman算子对刹车伺服系统模型进行了全局线性化,并基于实用稳定性判据设计了防滑刹车控制律参数的鲁棒性约束和灵敏度约束,为带有振动抑制的飞机防护刹车控制律的设计提供了理论基础。(4)针对传统飞机刹车系统设计未考虑伺服系统的振动特性所导致的液压系统振动失稳问题,依据所设计的控制参数灵敏度约束和鲁棒性约束,创新地设计了带有液压系统振动约束的鲁棒自学习PID防滑控制算法。另外,针对飞机刹车过程外界干扰因素复杂及跑道状态多变的问题,基于滑移率-减速率混合控制方式(MSD)和改进型粒子群算法对鲁棒自学习PID防滑控制算法进行了优化。优化后的算法可以通过实时调整控制参数以及参数学习速率实现对不同跑道状况下系统最佳滑移率的追踪,在维持高刹车效率的同时提高了系统的安全性和可靠性。图160幅,表10个,参考文献142篇

关键词： 冷却塔风机   自调角   Solidworks结构设计   AMESim液压仿真   液压系统   PLC控制系统  

摘要： 为确保冷却塔循环水系统安全可靠地运行,冷却塔风机转速以及叶片安装角度均按照最大换热量设定。但受生产工艺、环境温度等相关因素的影响,冷却塔风机的换热量在时刻变化,因此,冷却塔风机冷却能力与实际需求不匹配,造成了大量能源浪费。对冷却塔风机实施节能改造可以有效促进石油化工企业节电降碳。为此,提出了一种基于液压系统的冷却塔风机叶片自调角的新型节能方案。当温度传感器测的水温高于设定值时,实际换热需求大,通过液压系统驱动调角机构增大叶片安装角度,风量增大,同时耗能增加;当温度传感器测的水温低于设定值时,实际换热需求小,通过液压系统驱动调角机构减小叶片安装角度,风量减小,同时耗能降低。最终通过该方案实现变工况风量的自适应调节,达到节能的技术目标。 本课题围绕液压自调角系统对以下关键技术展开了研究。首先,对叶片调角过程中的耗能进行分析,并借助风力机气动载荷的计算方法得到所需驱动力随安装角度变化的曲线;随后,深度分析液压系统工作性能和冷却塔风机自调角结构设计中存在的问题,并针对问题做了优化设计和改进,利用Solidworks软件对自调角装置整体结构进行三维建模,最终实现基于液压系统的稳定性自调角结构;同时利用Simulation结合理论分析对关键轴承及零部件进行静力学分析,验证其强度是否满足实际工作要求;为确保液压系统的可靠性,利用AMESim仿真软件探究多种液压回路自调角的工作特性,分析调速阀内部元件节流阀开度对液压回路稳定性的影响,同时对液压系统中常出现的三种故障进行仿真分析,并将故障模型带入正常模型中观察整个液压系统的关键元件的参数变化;最后,设计并搭建出一台小型自调角冷却塔风机,同时设计相应控制系统以及远程监控系统,通过实验验证结构的可行性。 研究结果表明:新型调角装置可以实现风机在不停机的工况下,在6°～15°范围内实现多工况自适应多次变角,并保证系统的工作精度、稳定性和可靠性。采用AMESim/Simulink联合仿真模糊PID控制的调速阀液压回路,变化波动小,精度高;当调速阀内部节流口的开度K=0.08时,振荡时间短,振荡峰值小,降低扰动负载对回路稳定性的影响;三种故障模型与理论分析较为一致,为接下来的故障诊断提供故障特征数据;通过设备组装进行实验调试,验证了结构的可行性及其控制精度。

关键词： 移动伸缩堆料机   桁架结构拓扑   离散元仿真   液压系统  

摘要： 近年来中国工业技术发展迅速,装备制造业的技术水平和研究规模也在持续进步,对国内输送机械相关行业来说,提升产品的竞争力已然成为发展的关键。移动伸缩堆料机是堆料机产品系列中一种新兴机型,给行业的进步填充了新的活力。相较于以往堆料机型,移动伸缩堆料机具有很多优异的特点,包括灵活便捷的可移动特点;不受工作场地限制,能够显著减少占地面积,提升实际工作空间利用率;操控便捷的作业形式;高效稳定的物料处理能力以及低廉的检修保养成本等等。然而受限于当前行业困境,国内对此类新兴机型的研发进展缓慢、缺乏足够的设计经验与技术储备。为此,本文将根据企业实际,以某小型堆料原型机的桁架结构为基础进行分析,进而探索开发新机型。首先基于设计指标进行理论计算与参数建模,进而利用Ansys workbench进行力学性能仿真,评估应力应变集中位置,随后进行优化设计并添加结构强化件,校核结构刚度、强度,同时提出改进方案;随后以原型机一、二级桁架结构为基础,对臂架结构进行拓扑优化,得到对应的异形结构,进而结合企业提出的便于运输、结构稳固和轻量化等要求,对新机型整体桁架部分进行设计。接着,本文对新型堆料机物料系统输送能力及相关部件进行设计计算,分析确定合适的皮带参数,随后基于物料属性和运行数据,借助离散元软件EDEM进行物料输送性能仿真,验证堆料机的通过能力。进而改变输送能力参数和相关处理数据,探究输入参数变化对整机堆垛能力的影响规律,分析物料在皮带上的状态及堆料落料状况,合理选定高效高适配度的运行参数。最后,对新型堆料机俯仰机构进行整体方案设计与仿真,分析计算臂架在不同工况下的受载情况。进而计算选定液压缸相关参数,实现俯仰机构液压系统的整体设计,然后应用液压仿真软件Fluid SIM进行俯仰性能仿真。根据结果分析液压系统运行情况,进一步对液压系统进行优化,通过增设相关液压元件,提高系统的稳定性和安全性。本文通过对桁架结构部分、堆料机输送通过能力和俯仰机构液压系统三个模块的研究,为下一代新型大型移动伸缩堆料机的研制提供了理论支撑和技术保证。

关键词： 生物质压块机   正交试验   结构设计   液压系统   有限元分析  

摘要： 为减少化石能源的使用,需要我国增大对可再生能源的开发力度。而生物质能源属于可再生能源的一种,具有原料广泛、污染较小的优势。在诸多生物质能源的利用装置中,生物质压块机是较为清洁,研发较为普遍的设备。为改善传统生物质压块机占地面积大、生产效率低、能耗高以及关键零部件磨损严重等缺点,本文提出了一种新型的立式生物质压块机的设计方案,具体研究内容与结论如下:1)进行生物质压块成形单因素试验以及正交试验的探究,对试验中获得的试验数据进行分析,得出影响生物质压块成形的较优因素组合是:成形压强为40Mpa,含水率为15%,保压时间为20s。所得的较优因素组合可为下文新型自动生物质压块机的结构设计与液压系统设计提供数据支持。2)对新型生物质压块机的结构进行设计,并根据上文试验所获数据设计出新型生物质压块机的主要技术参数。所需要设计的主要结构包括:储料机构、推料结构、压缩室结构、闭锁结构。随后使用三维建模软件对上述结构进行仿真建模,并进行装配。3)对新型生物质压块机的动力装置进行设计。由于液压传动具有换向快速、成本较低、运行平稳的优点,故新型生物质压块机选择了液压传动的控制方案。首先根据方案的控制要求,绘制出液压系统的控制原理图,随后根据经验公式进行计算液压元件的型号,并进行了压力损失与温升的验算,并根据验算结果选用了冷却器。4)对主压缩阶段压缩室内关键零部件受力受热进行有限元模拟仿真分析。通过workbench有限元分析即可得到生物质原料在指定压力和指定速度下被压缩成形时,压块产品的温度与其表面成形效果以及压缩室内主要结构的应力、应变以及温度的变化情况。结果发现:压缩室内各个结构的最高温度小于45号钢可承受的最高温度,且压块产品的整体温度已达到木质素顺利软化的最低温度;压块产品的表面成形较好,表面较为光滑平整;主压缩保压阶段压缩室内所产生的最高应力小于45号钢在此工作环境下的许用应力,符合使用要求;最大等效弹性应变较小,主要出现在闭锁插板与生物质材料的接触面以及闭锁插板与压缩室外部框架的接触面,对成形结构影响不大。

关键词： 海底钻机   试验台   机械系统   液压系统   Abaqus  

摘要： 海洋作为地球上最广袤的资源宝库,不仅蕴藏着丰富的煤、石油、天然气等化石能源,还富含多金属硫化物、富钴铁锰结壳、多金属结核等矿产资源。在陆地资源日渐消耗但经济社会发展对资源需求进一步扩大的背景下,世界各国都加大了对深海资源的勘探力度。深海海底钻机作为一种勘探装备,在开展海洋地质研究、资源和地质勘探中发挥着越来越重要的作用。为了能够更好的探究海底钻机在高压环境下的钻进过程,论文开展了高压环境下海底钻机钻进试验台研究与设计,并运用Abaqus进行了孕镶金刚石钻头钻进中硬岩层有限元仿真与实验探讨。具体研究内容如下: 首先,介绍了论文的研究背景、研究现状、主要研究内容和相关研究路线。论文对研究背景及意义进行了阐述,并概述了深海海底钻机和钻机试验台的研究现状;针对目前深海海底钻机发展迅速而海底钻机试验台缺少的现状,提出研制高压环境下海底钻机钻进试验台,明确了论文研究内容,制定了相关研究路线。 其次,完成了试验台整体方案设计、机械系统设计以及液压系统设计。在总结国内外深海海底钻机相关技术参数的基础上,完成了试验台技术要求和设计参数的设定,制定了试验台工作原理和设计方案;根据设计方案完成了对试验台机械系统和液压系统设计:机械系统设计包括试验台台架和钻机设计;液压系统的设计包括推进油缸计算设计、液压马达和液压泵计算选型、液压阀选型、阀块设计、油箱设计以及整个试验台液压泵站设计等,并对液压系统进行了升温校核,验证液压系统能够满足试验台设计要求。 之后,运用Abaqus仿真软件进行了孕镶金刚石钻头钻进中硬岩层的有限元仿真分析。选用孕镶金刚石钻头和中硬岩层,建立其简单几何模型,并对模型进行材料属性赋予,网格划分,分析步、接触、载荷和边界条件设定,建立了钻头钻进中硬岩层的有限元模型;在模型基础上,开展了钻进过程的有限元仿真分析,得到了钻进中硬岩层的等效应力云图;通过设定不同的钻压和钻头转速,得到了不同钻进参数对钻速、钻进位移的影响。 最后,完成了海底钻机钻进试验台的搭建、性能实验以及钻进实验。进行了海底钻机钻进试验台的加工、制造、组装,并对组装完成的液压系统进行水下实验,验证油箱密封性能和系统散热性能良好;之后进行了海底钻机钻进试验台的钻进实验。

关键词： 锚护机器人   履带行走   机械钻臂   液压系统  

摘要： 现阶段煤矿开采向着智能化和无人化的方向进行发展。矿用锚护机器人是综掘工作面的主要设备之一,矿用锚护机器人的技术进步与发展直接提高了掘进工作面的生产效率。针对井下复杂的恶劣环境,矿用锚护机器人的智能化与无人化研究是迫在眉睫。目前矿用锚护机器人液压系统效率低下、难以实现整机的智能精确位置控制,严重影响综采工作面的工作效率,是煤矿智能化开采的阻碍。本文首先以矿用锚护机器人的行走工况与锚护工况为主要研究对象,确定了液压系统的型式、设计了液压系统原理图,通过对行走、转弯、卷缆、锚护各工况下参数的计算确定了液压系统功率,完成了液压系统关键元件及辅件的选型,根据整机排布空间,完成了液压油箱及动力单元的专门化紧凑设计。为矿用锚护机器人系统关键回路的优化及控制特性研究提供理论性帮助。其次,利用数字化的液压仿真软件AMESim,建立了矿用锚护机器人液压系统的关键元件和主要工况下的回路仿真模型并进行了仿真分析,得到了相对应的流量、压力、功率、阀芯位移等响应曲线,从各曲线中可以看出各回路的设计有一定的可靠性,验证了设计系统的准确性,针对行走工况进行了热平衡分析,建立了相对应的热液压模型,研究了不同参数变化对液压系统温升的影响,选取了最优参数,同时为减少系统的产热提供了依据。然后介绍了机械钻臂的机械结构,分别运用PID控制和自抗扰控制对整个机械钻臂的液压系统进行仿真分析。分别对这两种轨迹控制方法进行仿真,仿真结果表明两种控制方式都有一定的跟踪效果,将两种轨迹控跟踪控制结果进行误差对比分析,结果表明所设计采用的自抗扰控制器控制下的钻臂精度更高,仿真结果可为机械钻臂控制提供理论依据。最后基于履带行走控制的不足,构建机械液压控制仿真模型,进行了传统开环控制、PID控制和模糊PID控制方式下对直线同步控制以及转弯差速控制在有无外负载突变和扰动工况下的的仿真对比,分析了马达转速和系统中流量压力的变化,结果表明,模糊PID控制下的矿用锚护机器人的有更好行走控制效果。

关键词： 水下控制模块   测试装置   测试技术   流致振动  

摘要： 我国有着丰富的海洋油气资源储量,且增长潜力巨大,为了满足我国经济发展对油气资源的需求,海洋油气资源的开采将是未来的发展路径。海洋油气资源的开采,离不开水下生产系统的发展,则需要研究其核心装置,即水下控制模块(Subsea Control Module,SCM)。为实现SCM的国产化的发展,同时还需要掌握其测试技术,本文依托于“水下油气生产系统集成测试研究”项目,设计1套SCM液压系统测试装置,并对SCM液压系统测试技术进行研究,对促进SCM国产化进程具有较强的现实意义。 首先介绍了 SCM液压系统的工作原理,依据当前国际标准的SCM测试流程及内容,对SCM液压系统的测试方案进行设计;根据测试方案以及被测SCM液压系统的参数,对SCM液压系统测试装置的总体方案进行设计,其测试装置包含了测试液压源和SCM测试台。 根据测试装置的总体设计方案,对测试液压源和SCM测试台进行详细设计,分别从液压系统、机械结构和控制系统三个方面进行设计,并对关键液压元件进行选型计算,使用ANSYS对关键机械结构件进行静力学分析。结合SCM液压系统测试方案和测试装置性能指标之间的关系,设计了测试装置的单机测试方案,以确保水下控制模块液压系统测试结果的准确性。 针对流体脉动和水锤效应易使管道系统发生流固耦合振动而失效问题,研究了测试装置管道的振动特性,并提出了减振方法。对液压管道流固耦合振动的机理、规律和振动方程进行研究;使用ANSYS的单向流固耦合法研究液压流体及管道结构对液压管道固有频率的影响,使用双向流固耦合法研究液压管道在流致振动下的响应;为解决液压管道振动问题,提出了蓄能器吸收脉动法和增加卡箍法;为提高卡箍法减振效率,使用响应面法对传统卡箍法进行优化,计算出卡箍最佳的安装位置。 测试液压源和SCM测试台研制完成后,根据其单机测试方案,完成其单机测试试验,验证测试装置自身性能符合设计要求。之后再根据SCM液压系统测试方案,使用该测试装置完成SCM液压系统的测试试验,验证SCM液压系统的功能及性能符合测试标准。

关键词： 自移机尾   液压系统   模糊PID   改进的灰狼优化算法   AMEsim   Simulink  

摘要： 自移机尾作为综采工作面运输系统的重要组成环节,联接桥式转载机和顺槽胶带机的关键枢纽,主要功能是在工作面推进过程中配合转载机推进并实现皮带机尾的协调移动;接受来自转载机的物料,并转入皮带系统。自移机尾独特的马蒂尔结构,能够与转载机互为支点,实现迈步自移动作,同时纠正机身与皮带中心线的偏差,所有动作均由配套的液压系统实现。而现有的自移机尾均是手动操作,一定程度上降低了物料的输送效率,并且加大了操作工的劳动强度,因此急需提髙自移机尾的自动化程度。本文针对自移机尾的结构特点,研究并设计一套自移机尾自动控制系统,主要控制自移机尾的迈步自移、同步提升、机身的自动纠偏,其后者是控制的难点和关键。本文首先对自移机尾的组成与工作原理进行了简单的介绍,设计了液压控制系统,并在此基础上对整个液压控制系统进行了数学建模。为解决参数的实时调整问题,提高系统的自我调整能力,本文设计了一种基于改进灰狼算法优化的模糊PID算法,设计了模糊PID控制器与基于改进灰狼优化的模糊PID控制器,并将两种算法进行仿真实验对比,结果表明优化后的模糊PID控制器有更好的控制性能。又根据自移机尾控制系统自身的功能,对自移机尾电控系统的硬件电路进行了设计。由于系统涉及到摩擦副、液压系统以及控制算法等多个领域,因此,选用AMEsim仿真平台来构建系统的虚拟模型,并联合Simulink实现整个系统的仿真。仿真结果表明,基于改进灰狼优化的模糊PID控制器能够自动控制自移机尾实现迈步自移、同步提升、自动校正的动作,并且很好的减小系统超调,抑制振荡并且提高了响应速度。该论文有图91幅,表7个,参考文献85篇。

关键词： 智慧船闸   边缘计算   液压系统   运行状态预测   故障诊断  

摘要： 船闸是帮助通航船舶克服水位差、渠化航道、打造“水上高速公路”的重要水工建筑物。随着内河航运的发展,船闸等基础设施面临与日俱增的通航压力,确保船闸安全、连续、高效运行,始终是船闸运行管理单位最关注的问题,推进船闸控制系统系统由传统的自动化向信息化、智能化转型,提高船闸控制系统数据分析应用水平,是现阶段提升船闸运行效率的必要措施。不同于传统工业现场,船闸地理位置分布广,控制系统须满足网络安全保护等级制度,采用集中式管理结构难以满足船闸实时性和控制网络安全性的需求。针对上述问题,本文提出了一种基于边缘计算的智慧船闸控制系统,旨在通过对数据的应用提高船闸控制系统智能决策水平,实现船闸的智能运维和精细化管理。本课题的研究工作主要可分为以下3部分: 1)分析了智慧船闸控制系统边缘计算需求和业务需求,搭建智慧船闸控制系统边缘计算总体架构,对组成架构的四个层次:设备域、网络域、数据域、应用域进行研究设计。 2)针对目前船闸控制系统数据应用水平低的问题,本文研究了智慧船闸控制系统边缘计算模型内部数据应用路线,包括全面感知、数据存储、数据分析。结合船闸控制系统业务流程,对三步应用路线下的具体功能进行研究,设计了基于“人、机、船、法、环”五个要素的全面感知方案;实现了基于船闸运行闸次的数据存储,选用My SQl数据库,搭建船闸控制系统边缘运维数据库;结合船闸运行流程,选取数据分析指标,生成更加直观的二次数据,反映船闸系统及设备综合运行状态。 3)研究了基于“多源数据融合+机器学习”的船闸液压系统智能决策路线。针对船闸液压系统健康状态难获取、出现故障难排查的的问题,研究了船闸液压系统运行状态预测与故障诊断方法。(1)以边缘运维数据库中的船闸液压系统运行数据为数据集,结合卷积神经网络(CNN)和长短期记忆网络(LSTM)建立了船闸液压系统运行状态预测模型,对液压系统中系统压力、系统流量两个性能指标参数进行预测。为提高模型精度,采用麻雀搜索算法(SSA)代替人工调参方式,对CNN-LSTM模型中的超参数取值进行寻优。(2)针对船闸液压系统故障数据难以获取的问题,采用AMEsim软件搭建液压系统搭建液压系统仿真模型,模拟船闸动作过程中液压系统多种故障工况,获取故障数据集。采用偏最小二乘法(PLS)提取液压系统不同故障特征,实现船闸液压系统故障诊断识别。