关键词： 液压系统   油液污染   响应面法   可靠性建模   可靠性评估  

摘要： 数控机床作为制造业的“工业母机”,被称为“制造机器和机械的机器”,是国家工业发展的压舱石。国产装备制造业取得了举世瞩目的成绩,数控机床起到了重要作用。但是,与国外先进品牌相比,国产数控机床可靠性水平较低,市场份额和品牌口碑由此遭受负面冲击。液压系统的可靠性一直是影响数控机床整机可靠性的关键因素。数据表明,液压系统的故障主要集中在阀件部位,而阀件的故障绝大多数是由油液中污染物颗粒引起。本文以数控机床液压系统为研究对象,面向液压系统和关键元器件的油液污染问题开展了可靠性建模研究,为其可靠性工作提供基础。论文主要研究内容如下:(1)基于均匀试验的工况因素对数控机床液压系统油液污染的影响规律研究。首先,通过与正交试验设计方法的对比,基于均匀试验方法设计并开展工况因素影响油液污染的可靠性试验;然后,通过对试验数据进行预处理,得到多工况因素和单工况因素对油液污染物颗粒变化量的影响趋势;最后,通过均匀试验回归分析,构建工况因素对油液污染物颗粒变化量的函数关系,揭示工况因素对污染物颗粒变化量的影响规律。(2)基于深度密度聚类算法的污染物尺寸因素对液压系统性能的影响研究。首先,以回路中的溢流阀作为试验检测对象,进行污染物颗粒尺寸因素对液压系统的油液污染检测试验,将油液经过溢流阀前后的压力差作为指标,间接表征污染物颗粒对阀芯的磨损;然后,通过深度密度聚类算法,将影响阀件磨损的污染物颗粒按照颗粒尺寸因素进行聚类分析,确定可靠性建模的随机变量;最后,根据产生主要影响的污染物颗粒数量,推导得到随机变量数量权重值的计算公式。(3)建立基于响应面法的油液污染可靠性模型。首先,针对实际工况下液压系统油液污染可靠性与污染物颗粒之间存在的隐式极限状态函数的问题,论证响应面模型在油液污染可靠性建模研究中的适用性;其次,引入降维近似法和权重分配,基于响应面法建立油液污染的可靠性模型;然后,引入自适应函数形式与动态迭代步长,通过求解可靠性模型得到液压系统油液污染故障概率的函数解析式;最后,通过试验算例,验证可靠性模型的准确性。(4)选用MATLAB作为软件开发平台,设计并开发基于响应面法的数控机床液压系统油液污染可靠性评估系统,集成可靠性试验数据预处理模块、工况因素对污染物颗粒变化量的分析模块、基于响应面法的液压系统油液污染可靠性建模模块,并通过工程算例检验系统的实用性和准确性。

关键词： 脉冲试验台   液压系统   模糊PID控制   粒子群算法   控制系统  

摘要： 随着我国航空液压系统的快速发展,液压系统的密封性越来越得到重视,密封件可靠性试验、疲劳测试、抗冲击测试等试验标准相继出台。面对大量测试需求,脉冲试验设备随之出现。在高压高升率脉冲试验设备领域,国内可以提供合格产品用于密封件测试的公司较少。脉冲设备主要依赖国外进口,高昂的价格限制了众多公司和研究院对密封件脉冲疲劳性能的检测。本课题根据公司实际项目需求,研发高升率脉冲试验台,为密封件提供脉冲疲劳测试平台,主要研究内容如下:首先,对国内外脉冲试验台研究现状进行调研,在此基础上根据我国GJB3849航空液压系统元件测试标准及脉冲试验台技术指标,分析实现高升率压力脉冲的技术难点,完成了脉冲试验台液压系统原理图与试验台总体结构的设计。其次,对阀控非对称缸进行数学建模,为建模仿真提供理论基础。利用AMESim搭建了液压系统仿真模型进行分析,通过对比仿真结果与脉冲试验标准,验证了仿真模型的正确性。基于仿真模型,分析了增压比、系统压力、蓄能器容积与预充压力、软管容积、油液温度与含气量等因素对系统动态特性的影响,为系统结构设计提供理论依据。同时研究了脉冲压力的压升速率与工装件容积对系统流量的影响,仿真结果表明,为保证系统在试验要求工作条件下生成目标压力脉冲,伺服阀最大流量不低于250 L/min。然后,针对试验台液压系统响应速度慢、控制精度低等问题,对其控制策略进行设计与仿真研究。本文采用改进的粒子群算法对模糊PID控制进行优化,基于AMESim-Simulink设计了液压系统联合仿真模型并进行仿真。仿真结果表明,与常规PID、模糊PID控制相比,粒子群优化模糊PID控制对于不同波形、脉冲频率、压升速率的压力信号都具有较快的响应速度、较高的跟踪精度以及较好的鲁棒性,满足密封件脉冲疲劳测试要求,适合作为脉冲试验台的控制策略。最后,针对脉冲疲劳试验实际控制需求,设计了硬件结构的电气电路、PLC控制电路并对关键硬件进行选型,并采用Lab VIEW设计开发了控制系统软件程序,主要包括参数设置、实时控制、历史曲线以及报警记录等功能模块。基于设计的控制系统与液压系统搭建脉冲试验台,将粒子群优化模糊PID控制策略应用于脉冲试验台控制系统进行脉冲疲劳试验。试验结果表明,本文设计的脉冲试验台稳定可靠,响应压力的压升速率在700 MPa/s-1100 MPa/s范围内可调,脉冲频率最高可达4 Hz,响应压力最大超调量为0.95%,在保压阶段最大误差为0.2%,远小于脉冲试验标准允许误差±5%,满足航空液压系统密封件脉冲疲劳试验需求。

关键词： 风机叶片运输车   悬挂系统   转向机构   液压系统   优化设计  

摘要： 自21世纪以来,全球风电技术快速发展,风力发电机功率不断提高,风机叶片长度也随之增加。叶片的长度超出了常用运输车的限制,并且传统运输装备往往通过性差,难以应对恶劣的道路情况,因此风机叶片的运输就成为目前急需解决的关键问题。对于风机叶片运输车来说,在恶劣的行驶路况下,需要对叶片及整个车架的高度进行调节,保证车辆在复杂环境下的通过性,这就对运输车的悬挂系统和转向系统等带来了新的挑战。本文对叶片运输半挂车悬挂系统及转向系统进行了方案设计和关键总成选型,在此基础上建立仿真模型并对其性能进行分析研究。主要工作内容如下:(1)介绍并分析了动力鹅颈、低货台、叶片适配器及行走机构的作用及特点;介绍了液压悬挂系统的主要功能及实现方式,针对风机叶片运输半挂车设计了基于负载敏感技术的液压系统;根据转向机构的结构特点设计转向液压油路,并根据阿克曼原理分析并推导了全轮转向下平板车的理论转角公式;分析了液压油路中安全阀及制动系统的功用及特点。(2)对负载敏感系统的功能进行仿真验证,并根据实际使用环境,分工况进行悬挂系统的升降仿真分析,仿真结果满足悬挂油缸的升降同步性及速度控制,保障车架及货台的水平。(3)对转向机构进行模型简化以及参数化建模,通过运动仿真得到理论转角与实际转角的差值并对转向结构进行优化。通过优化,转角误差大幅度降低,整体转向性能有了较大改善。(4)根据平板车转向机构及液压转向系统工作原理建立多体动力学模型,进行联合仿真计算,得到鹅颈折腰角度下整车的转向动态特性,基于分析液压回路各元件对转向系统的影响,对蓄能器参数进行仿真分析,分析充气压力和容积对转角误差的影响,优化蓄能器参数为转向机构的参数优化设计提供支持。

关键词： 地铁车辆   轮对主动径向   曲线通过性   PCM   数字阀控液压系统   故障分析  

摘要： 传统转向架车辆自导向性能较差,在通过小半径曲线线路时,导向轮对外轮缘可能会与钢轨贴靠,导致轮轨磨耗严重,产生的啸叫声影响乘坐舒适性。地铁公司每年都需要在轮轨维护保养方面投入大量的人力物力,也一直致力于能通过各种手段缩减运营维护成本。轮对主动径向技术在理论上能够解决上述问题,已成为当前城市轨道交通车辆领域的研究热点。 国内外在对配装液压作动器的主动径向转向架地铁车辆进行试验研究时,一般采用伺服阀作为控制元件的液压伺服系统,尽管控制精度高,但存在系统效率低、油液温度过高的缺点。为解决主动径向液压伺服控制系统发热量过高的问题,本文提出了一种基于PCM数字液压控制的轮对主动径向系统方案,以高速开关阀PCM控制代替伺服阀控制,从原理上解决热量产生环节,并具有故障容错能力。因此本文对其在车辆主动径向上的运用展开研究。 首先对轮对主动径向原理进行了分析,结合地铁车辆的运行特点及轮对位置轨迹跟踪控制需求,选定基于线路信标的轮对相对摇头角控制策略,设计了一种PCM数字液压控制的轮对主动径向系统,包含集成于轴箱转臂橡胶节点处的双柱塞作动器、PCM阀控液压回路以及基于速度前馈的闭环控制器。随后利用AMESim仿真软件进行建模,完成对系统的位置轨迹跟踪控制性能研究,并搭建了PCM数字阀控液压系统试验台,验证了系统控制器具有优良的位置轨迹跟踪控制性能和容错性能。最后运用联合仿真技术手段,建立了配装有该主动径向系统的转向架地铁车辆SIMPACK-AMESim联合仿真模型,进一步研究了轮轨蠕滑力及线路激励对系统控制性能的影响;通过与传统转向架地铁车辆模型进行对比分析,证明了本设计方案能够改善车辆曲线通过性能。最后研究了PCM控制系统发生典型故障时对车辆动力学性能的影响,并对故障提出了预案措施,评定了风险等级。研究结果表明,基于PCM数字液压控制的轮对主动径向系统具有良好的轨迹跟踪控制性能,可有效降低导向轮对磨耗功峰值和脱轨系数峰值。

关键词： 海上风能发电   潮流能发电   数值模拟   多能复合   液压传动  

摘要： 随着世界经济复苏,全球能源需求逐渐增加,面对日益严峻的能源危机和环境污染问题,世界各国和地区纷纷加快能源结构转型,将发展可再生清洁能源作为发展重点,迈入低碳能源时代。采用多能复合发电方式比依赖单一能源方式在分布式能源中更为可靠,因为再生能源发电本质上具有随机性,减少了可再生能源发电系统电力供应的不确定性和间歇性。在分布式能源中采取多能复合发电方式比依赖单一能源方式更为可靠。在众多可再生能源中,海洋可再生能源发展潜力巨大、应用前景广阔,为提高单位海域能量利用率,综合利用多种海洋能发电以增大发电量、提升发电质量具有积极意义。因此,本文以海上风能和潮流能为例,以海上风能和潮流能复合发电系统为研究对象,围绕风能捕获装置、潮流能捕获装置和复合液压传动系统等关键技术问题,分别对风能捕获装置中螺旋型垂直风力机气动性能、潮流能捕获装置中组合式潮流能水轮机水动力性能和自启性及基于液压传动的复合发电系统输出功率特性和不同工作环境下系统运行策略开展了深入研究。首先,针对复合发电系统中的能量捕获装置和液压系统中主要元件分别分析其数学模型及基本理论。阐述了风速数学模型以及三种求解风力机气动性能的基本理论,着重对CFD数值模拟仿真中的控制方程、求解方法和湍流模型的选择对数值模拟结果的影响进行引述;对水轮机工作时进行受力分析,阐述了潮流流速模型并对比分析了两种适用于水轮机的求解方法,选择高精度CFD模拟方法对后文设计的组合式水轮机进行数值仿真分析;探究了复合发电系统液压传动回路中的主要液压元件数学模型。然后,提出一种螺旋式垂直轴风力发电机,分析螺旋式垂直轴风力发电机的气动性能,并对其风轮部分展开结构参数优化的研究。风轮作为风力机械捕获风能的载体,直接影响风力机的受力和风能利用率,基于ANSYS Fluent平台,对形成的螺旋式风轮中的主要结构参数分别进行二维和三维数值模拟分析,以改善垂直轴风力机的气动特性,对直叶片式垂直轴风力机的风轮进行一定角度的扭曲。对风力发电机的叶片数、弦长等参数和气动性能之间的相互关系进行了探究;对风轮转速、风速和能量捕获效率在不同风场环境下的变化趋势进行了分析;从而实现风能捕获装置中风力机结构参数的优化设计,揭示了风轮高径比结构参数对风能利用率的影响规律。其次,设计了一种外轮为三个螺旋型升力叶片、内轮为上下呈90°错位布置的二级S型阻力叶片组合形成的组合式潮流能水轮机,使其结构在理论上兼具升力型水轮机和阻力型水轮机的特性,基于ANSYSFluent平台,应用CFD数值模拟方法对其开展一系列的三维水动力学仿真分析。探究所提出的内外径比、高度比无量纲化结构参数与能量捕获效率之间的规律,通过得到的最佳结构参数对组合式潮流能水轮机进行优化;在多个流场参数环境下对比分析了组合式叶轮及螺旋型叶轮的水动力性能;通过改变升力型叶轮的螺旋扭角参数,设置了多组仿真对照试验,并与组合式叶轮进行相应的数值仿真来对比结果,同时将水动力仿真结果进行后处理展示以更直观的对流场状态进行对比,揭示了升力型叶轮螺旋扭角与阻力型叶轮对组合式叶轮受力及自启性的机理。最后,探讨了海上多能耦合方式的机理,采用基于液压传动的形式将多种能量转化为液压能并在发电机前端汇流,以海上风能与潮流能为例,提出了一种适用于不同工作环境下的海上风能与潮流能复合发电液压传动系统方案及运行策略,实现海上风能与潮流能子系统独立运行方式和海上风能与潮流能复合运行方式针对不同工况进行切换。系,统输入端风速和潮流流速模拟模型在MATLAB/Simulink平台上建立,风能和潮流能捕获装置模拟模型在AMESim平台上建立,根据优化后的螺旋垂直轴风力发电机和组合式潮流能水轮机结构参数建立。分别对海上风能独立发电模式、潮流能源独立发电模式和两种海洋能复合发电模式进行了模拟分析,研究表明,相较一般的海上风能和潮流能一直进行独立发电后再集成的方案,本文设计的复合发电液压传动系统方案应对不同资源环境系统输出端效率更高,液压马达输出功率曲线更加平滑,发电量更加稳定,可为多能源耦合发电提供一种参考。

关键词： 液压污染物在线检测   在线清洗   STM32单片机   AMESim仿真   实车测试  

摘要： 液压系统污染物直接影响着系统运行的稳定性和可靠性,保持系统的清洁,对其进行有效的污染物控制对于液压系统安全地运行具有重要意义。由于目前液压系统污染物检测清洗技术存在诸多不足,本文提出一种针对行走机械的液压系统污染物智能在线检测清洗技术,系统无需拆装可以直接连入回路,实现对污染物在线边检测边清洗并智能控制的功能。在深入研究和分析液压系统污染物各类检测清洗方法特点的基础上,采用遮光法与电容法相结合的检测方式,实现更高精度的在线检测功能。通过限制检测区域面积和稳压法优化遮光法传感器结构参数;应用ANSYS Maxwell软件建模对电容传感器内部电场、电势进行有限元分析,采取正交实验法研究管壁厚度、屏蔽层间隙、电极极板张角、管壁油液综合介电常数等因素对传感器电场、电势分布的影响,得出实验组最佳优化参数0.3、1.2、120°、2.0,经仿真验证后明显提高了电容传感器内部场强、电势分布的均匀性。利用Solidworks软件设计了能够同时分离多种污染物的三相旋流分离器结构,并对系统其它关键元件进行了匹配计算与选型。分析了液压系统污染物智能在线检测清洗技术原理,基于AMESim平台搭建系统模型,接入减压阀作为检测清洗对象,采用过滤器两端压差变化模拟污染物浓度,分别设置80、50、25三组标准值参数仿真了压差信号与清洗电机工作的变化曲线关系,结果显示三组曲线交点值均与设定清洁度标准值一致,验证了该原理的可行性。研究了液压系统污染物智能在线检测清洗技术的控制方法和功能,采用STM32F103系列单片机设计了智能控制模块,依据ARM Cortex-M3内核芯片、AMS117-3.3正向低压降稳压器、LM393比较器以及SSD1306芯片等核心元件实现了控制模块对不同尺寸颗粒污染物的区分计数及清洗电机启停、温度变化的实时控制。对系统控制模块进行了功能测试,该模块能够对回路中温度、压力流量、污染物浓度等信号进行有效的控制和显示。研发了智能在线检测清洗装置,并针对某拖拉机液压系统进行了实车污染物在线检测清洗测试,测试结果表明该装置达到了设计时的功能要求,验证了此液压系统污染物智能在线检测清洗技术的可行性。

关键词： 海底原位测量   结构设计   液压系统   流体仿真   有限元分析  

摘要： 海底沉积物的声学参数、热流值、磁异常、力学性质等物理场特性对水下装备性能发挥、海底工程环境评估以及海洋科学研究具有重要的价值。目前国内外海底原位测量设备大多仅可以进行单参量测量从而导致测量效率低下。此外,多数原位测量设备依靠重力方式进行贯入或存在重心不稳的缺陷,无法保证设备垂直贯入或无法贯入至指定深度导致最终测量失败。因此,为了解决上述问题,本文设计一种实现海底多种参量同步原位测量的装置并针对其机械结构以及液压贯入技术展开研究,主要研究内容如下:第一、总结国内外海底原位测量设备的应用和研究概况提出存在不足和问题,并针对上述问题提出本文海底多参量原位测量平台总体方案设计与具体组成部分,即采用液压驱动的方式将探杆贯入海底沉积物,从而保证平台垂直贯入和稳定工作;通过详细介绍平台整体的工作原理提出该设备的优点。第二、根据设备总体方案与其组成部分通过Solidworks软件建立海底多参量原位测量平台总体模型,并对关键结构和零部件进行详细设计计算和强度校核,包括总体框架、起吊层提环、电子舱以及探杆等;接着,对探杆贯入阻力分析进行数值仿真为后续涉及提供理论依据;最后对设备设备进行布局并计算出整体重心位置验证满足设计要求。第三、根据总体方案中对贯入结构的要求从而对海底多参量原位测量平台的液压模块进行研究:首先根据贯入阻力确定液压系统所需的工作参数,并根据参数对夹紧与贯入结构进行机械设计,接着根据液压工作方案完成模块中液压回路原理图的设计。第四、为了分析平台在水中不同工作状态受到的影响,利用FLUENT软件对海底多参量原位测量平台进行流体仿真,通过仿真计算得出平台在不同水流冲击下的水阻力、流场速度分布等结果,通过结果分析为平台释放速度提供参考并为平台结构以及设备布局进行优化改进。第五、研究了在不同的坐底速度下,海底原位测量平台在表层沉积物中下沉深度的相关问题。运用Explicit Dynamics模块对平台在海底沉积物上坐底过程进行仿真。分析平台以不同速度与沉积物坐底碰撞时的动力响应,根据仿真数据,给出了平台的坐底速度与沉降关系的方程。本文设计的海底多参量原位测量平台能够实现海底沉积物的声学、热流、磁性和力学等多种物理场参数的同步测量并提高了海底原位测量的效率和稳定性。其中对平台的总体方案、关键结构、液压模块和流体仿真等方面进行了详细的研究和设计,为海底多参量原位测量设备的发展和应用提供一定的参考价值。

关键词： 甘蔗割铺机   液压系统   AMESim仿真   负载敏感系统  

摘要： 食糖是一种重要战略物资,它的主要原材料为甘蔗。由于气候原因,甘蔗主要集中种植于我国南方丘陵山区,蔗田具有小型、分散、坡度大等特点,现有大型切断式甘蔗联合收获机无法广泛应用,导致目前我国甘蔗收获机械化率仅为3.28%。人工收获甘蔗效率低、人力成本高,挤占了大量甘蔗利润空间,加上国外进口糖和走私糖对国内蔗糖价格的冲击,致使我国甘蔗产业面临严峻挑战和生存危机。因此,亟待研发一款具有高通过性、高机动性,适应于缓、斜坡,小地块蔗田的小型机电液一体化甘蔗割铺机。针对上述问题,本文基于课题组研发的模块化甘蔗割铺机,设计了一套适用于该机器的液压系统。具体研究内容如下:(1)根据设计目标,以模块化设计理论为依据,确定甘蔗割铺机的总体结构方案及其主要组成部分,并对其通过性、稳定性以及转向操作性进行说明。(2)确定甘蔗割铺机整机工作原理及各个执行机构的运动过程,明确各个执行机构的技术要求、工况要求及液压系统设计要求,对整机前轮转向液压系统、刀盘浮动液压系统、砍蔗机构液压系统进行设计分析。整机液压系统采用变量泵+负载敏感阀构成的闭芯式负载敏感系统。(3)完成对各个执行机构的液压马达、液压油缸、液压泵等的选型与校核,通过理论计算确定整机最大功率为46.66k W,选取70hp的柴油机作为整机的动力源。确定同时动作液压马达或液压缸的最大总流量为163.99L/min。(4)对相关的控制阀进行数学建模,同时利用AMESim软件进行仿真验证。通过仿真结果证实所设计的甘蔗割铺机液压系统符合理论计算结果和设计要求。(5)完成甘蔗割铺机样机的试制,结合农业机械的试验条件及液压系统性能要求,设计相关试验。进一步验证所设计的模块化甘蔗割铺机液压系统符合作业要求。在甘蔗割铺机静态试验中,通过对样机的马达转速、液压油缸位移进行测试,得出结论与理论设计值基本吻合,满足实际作业需求。在田间试验中,设计了三元二次回归正交旋转组合试验方案,以甘蔗割铺机实际前进速度v,砍蔗刀盘转速n以及砍蔗刀盘内倾角β为影响因素,以破头率为指标。最后得出当甘蔗割铺机实际前进速度v为450mm/s,砍蔗刀盘转速n为550r/min以及砍蔗刀盘内倾角β为12.5°时,破头率最小为8.2%。整机试验过程中工作状态良好,达到预期的设计要求。

关键词： 混凝土泵   泵送液压系统   液压节能   综合性能优化  

摘要： 混凝土输送泵简称混凝土泵，是一种广泛用于建筑、道路、桥梁等基础设施施工的工程机械。液压系统作为混凝土泵的核心机构，直接影响混凝土泵的可靠性、经济性及智能化程度。泵送液压系统根据液压油循环方式的不同，分为闭式液压系统和开式液压系统。闭式液压系统油缸的回油口与油泵进油口相通，形成闭式回路，特点是压力损失小、管路连接简单。开式系统回油进入液压油箱，开式系统需要通过集成液压阀组实现换向、卸荷、系统保护等功能，特点是散热好、结构简单，但是换向冲击大，尤其容易出现软管爆管、散热器开裂等故障;由于阀组的存在，系统压力损失也相对较高。为提高泵送液压系统的可靠性、稳定性、节能性，本文主要针对泵送开式液压系统的液压冲击与泵送能耗进行研究。主要工作如下:　　(1)介绍泵送液压系统的分类与开式泵送液压系统原理，建立泵送液压油缸、换向阀、柱塞泵、蓄能器数学模型，分析液压冲击产生的机理。　　(2)针对泵送液压系统不同位置产生液压冲击的原因进行分析，并采用换向阀提前换向、换向时油泵降低排量、增加蓄能器等方案降低冲击;通过试验对比优化前后压力冲击大小，结果表明上述方案缓冲效果明显，进油压力冲击消除，回油压力冲击最高降低77.5％。　　(3)优化发动机与液压柱塞泵之间的转速与功率匹配。根据液压泵效率特性和发动机万有特性，重新匹配油泵与发动机之间传动比，使两者工作同时处于经济转速区，以降低油耗。　　(4)降低泵送液压系统压力损失。通过增大管路通流面积降低液压油流速，降低沿程阻力损失;针对泵送阀块进行改进，减少阀块内部流道折弯、使流道弯道处过渡圆滑、增大流道通径，降低阀块局部压力损失。测试表明改进后的阀块压力损失低于原阀块。最后对产品进行油耗测试，对比优化前后的油耗，结果表明在不同工况下，优化后整机油耗较优化前均有不同程度的降低，综合油耗降低超过2％。

关键词： 学生为中心   课堂教学   对分课堂   雨课堂  

摘要： 为了提高课堂教学效果，本文以工程教育认证理念为指导，基于对分课堂的教学模式和雨课堂平台，采用线上线下混合式教学方法，突出学生主体，研究了工程机械液压系统课程的教学内容重构、教学实施和全过程学业评价的具体方法策略，实践证明，该模式教学效果良好，能够促进学生知识应用能力、独立思考能力，团队协作能力的培养，使师生充分实现自我价值，提升课堂的获得感。