关键词： 液压系统   标准控制单元   二通插装阀   负载口独立控制技术  

摘要： 工程机械普遍采用的液压传动系统,要求集成化程度高,体积小,操纵方便;密封性能好,能量损失小,发热少。鉴于此,本文展开了基于二通插装阀的液压系统标准控制单元的设计与研究。由于插装阀组成的液压系统最紧凑,集成化程度最高,故标准控制单元采用两个二通插装阀组合的形式。标准控制单元控制液压系统采用负载口独立控制技术,可以降低系统发热,实现节能。文章研究的内容主要有:(1)基于液阻理论和插装阀的工作原理,建立标准控制单元的控制模型,分析标准控制单元有良好的控制特性;(2)基于ISO-7789插装阀设计标准,设计了插装式位移-力反馈型单向比例节流阀和插装式压力间接检测型比例溢流阀,并分析了两阀的基本结构和工作原理,获得了两阀的主要结构参数;基于Solid Works建立了插装式位移-力反馈型单向比例节流阀和插装式压力间接检测型比例溢流阀的三维模型,利用ANSYS软件对阀套的结构强度进行了静力学仿真分析,验证了结构参数设计和材料选用的合理性;分别建立了两比例插装阀的数学模型,采用AMESim搭建相应的仿真模型,开展阀动静态特性仿真分析,并获得最优尺寸参数;(3)提出标准控制单元,设计了基于ISO-7789标准的三通集成块,基于Solid Works建立标准控制单元的三维模型,验证了连通油路的可行性;采用两个标准控制单元控制液压系统,列出标准控制单元的十二种控制功能;采用AMESim软件搭建了系统的仿真模型,验证了标准控制单元控制液压系统的合理性;仿真结果表明,标准控制单元控制的回路具有差动回路的特点,可实现液压缸的快进及负负载流量再生,达到节能的目的。

关键词： 液压挖掘机   AMESim   建模仿真   液压系统  

摘要： 随着国内液压挖掘机技术的发展和农田宜机化改造的推进,液压挖掘机在农业领域的应用前景广阔,需求量大。能源危机和逐步严格的排放法规,促使对液压挖掘机的节能减排研究成为科研工作者的重要研究课题。计算机仿真技术可以为液压挖掘机的设计、开发提供完整和准确的分析,是目前挖掘机的节能研究、系统优化及设计的重要手段。本课题来源于湖南省十大技术攻关项目——“工程机械数字样机及孪生技术科技攻关”,本文以SWE335F液压挖掘机为研究对象,对挖掘机的液压系统进行了建模和仿真研究,主要内容和结论如下:(1)分析总结了液压挖掘机国内外发展和液压系统仿真技术的研究现状。分析了液压挖掘机的结构组成、工作原理和液压系统的能量损失。(2)分析了液压系统的系统特性和工作原理,为模型搭建提供了理论支持。讨论了液压泵的控制类型,分析了液压泵及其控制系统的特性。分析多路阀系统的工作原理和阀芯的受力以及流口的过流面积。(3)根据液压泵控制特性、多路阀工作原理和主阀结构参数,搭建了液压泵控制模型和多路阀系统模型。分析了工作装置运动规律,搭建了平面机构机械-液压组成的工作装置模型和装配模型,使仿真过程能够直观表达工作装置运动状况。最后,按照液压原理图,搭建了挖掘机液压系统仿真模型。(4)开展了液压挖掘机的单动作工况下的试验,分析了实测数据。利用AMESim模型对挖掘机工作装置的单动作进行了仿真,通过仿真结果和实测数据的对比证明了模型的正确性。(5)利用搭建的液压系统模型,对液压挖掘机的复合动作进行了仿真研究,得到了复合动作下个工作装置的受力、功率等动态分布图,分析了液压泵和各工作装置在不同阶段下的能量损失情况。本文利用AMESim软件,搭建了SWE335F挖掘机液压系统仿真模型,开展了挖掘机工作装置的作业性能试验,并对仿真模型进行了校核。本文研究为挖掘机性能仿真提供了方法和模型参考。

关键词： 履带底盘   液压传动   静力学   质心分析   稳定性分析   RecurDyn仿真  

摘要： 马铃薯富含膳食纤维和较低的脂肪含量,并且能适应各种地理环境。丘陵地区地块小、种植分散、路面狭窄、坡度大等问题使得丘陵马铃薯种植仍以人工和半机械为主,因此迫切需要解决丘陵马铃薯机械化问题。本文根据丘陵地区的地况和种植农艺要求,并结合前期已研制的薯土分离装置,优化设计一种适用于丘陵地区、较小空间转向、爬坡能力强、稳定性较好的履带自走式马铃薯收获机的底盘。本课题的主要研究内容如下:(1)结合课题组已有马铃薯收获机存在的问题,确定履带自走式马铃薯收获机的底盘优化设计方案。完成了对底盘车架、机械-液压传动系统和零部件空间布局的优化设计,其中机械-液压传动系统分为发动机-液压泵的机械传动系统和液压泵-液压执行元件的液压传动系统。优化设计的机械传动系统具有传动结构简单、安全可靠、零部件占有空间小等优点,缩小了履带马铃薯收获机底盘的横向尺寸,改善了履带底盘在狭窄路面的通过性。液压传动系统采用开式液压循环油路,设计使用齿轮液压三联泵向各支路的执行液压元件提供液压油,该传动系统具有一泵多用、液压油路简洁、成本低等优点。底盘的行走采用高转速液压马达与减速箱配合使用方案,提高了液压马达的有效利用率,同时增大了行走扭矩。(2)基于ANSYS Workbench软件对履带收获机底盘车架开展静力学分析。根据真实情况分析底盘车架各个受力点的负载并加载约束条件,结合仿真数据合理优化设计底盘车架结构。优化后的底盘整体车架无明显变形,等效应力均远小于材料的屈服强度,满足使用要求。(3)对履带收获机底盘进行质心分析和静态坡道稳定性理论分析。利用Creo绘图软件建立履带收获机底盘三维模型,并在Creo软件内对各个零部件进行材料定义后得到质心位置。加载薯土分离装置重量的履带收获机底盘的质心横向偏移量为18.07mm,纵向偏移量为709.53mm,垂向高度为544.01mm;与初代收获机相比质心位置前移、质心高度降低明显,主要重量集中在中间位置,底盘稳定性得到大幅度提升。依据质心位置数据对履带收获机底盘在纵向、横向坡道进行静态稳定性分析,在不考虑履带与地面附着系数的情况下,纵向爬坡最大翻倾角为52.5°,纵向下坡最大翻倾角为54°;操控台在坡道上方时,横向最大翻倾角为46.2°;操控台在坡道下方时,横向最大翻倾角为31.3°。(4)利用Recur Dyn多体动力学仿真软件建立履带收获机底盘的虚拟样机,并模拟百米跑偏量、坡道动态稳定性的仿真试验。在百米跑偏量仿真试验中,设置张紧弹簧与样机的张紧螺栓相等效,右侧张紧螺栓保持正常伸长量25mm,左侧张紧螺栓伸长量为31mm时,百米跑偏量最小,最小值为0.9m。在坡道动态稳定性仿真试验中,在不考虑地面与履带的附着系数的情况下,虚拟样机纵向爬坡行驶最大翻倾角为45°,纵向下坡行驶最大翻倾角为50°;操控台在坡道上方时,横向行驶最大翻倾角为35°;操控台在坡道下方时,横向行驶最大翻倾角为31°。(5)完成了履带自走式马铃薯收获机底盘的试制加工和性能参数测定试验。测得履带收获机底盘总重1000kg;测得履带接地长度为:1250mm,履带底盘轨距为:900mm。在原地转弯半径测定试验中,双边反向差速转弯半径为0.74m,单边马达转动的转弯半径为1.2m;低速挡行驶速度为3.5km/h,高速挡速度为5.3km/h;测定试制样机工作不同时长后液压油箱、液压油冷却器、齿轮液压泵、液压马达和发动机的温度符合使用要求;测定发动机怠速时,齿轮泵转速为936r/min,发动机最大转速时,齿轮泵转速为2605r/min。经过基础性能测定试验可知,机械传动系统和液压传动系统能够满足预期设计要求;行驶速度、重量、轨距、接地长度与技术指标相吻合;液压油管无漏油,底盘车架无变形。综上所述,履带马铃薯收获机的底盘设计合理,试制样机达到设计要求。

关键词： 打磨工业机器人   夹具设计   液压系统   运动学分析   工件缺陷检测  

摘要： 熔模铸造作为精密铸造技术的一种,常用来生产精度等级高且结构复杂的零部件。由于其工艺特点,铸件和模头之间需通过铸件浇冒口连接,且经过浇冒口去除工艺后,仍会有部分浇冒口余痕残留在工件表面。传统的余痕去除方式是通过人工手持特定打磨设备对余痕进行打磨处理,但是打磨加工环境极为恶劣,且人工打磨具有生产工作效率低、加工品质不统一等缺点。为解决上述问题,根据作业现场环境特点和机械性能指标,以工业机器人为主体,以视觉检测技术为辅助,设计了一种视觉辅助下的柱状铸件余痕打磨清理方案,提高了熔模铸造生产线自动化程度,保障了铸件加工质量。具体研究内容如下。首先,根据柱状铸件表面余痕特点,确定了针对余痕的打磨需求。分析各打磨影响因素对打磨质量的影响,确定砂纸磨具材料特性。研究了机械臂搭载下的打磨装置在磨削过程中的磨削力特点,求解出各磨削力分力极值与磨削功率作为确定机械臂与打磨装置型号的依据。其次,结合柱状铸件分支部位的特点,设计了一套在一定尺寸范围内可通用的柱状铸件夹具系统。根据工件在装夹过程中的受力特点,为各夹具安排了特定的动作顺序,并设计了相应的液压系统回路以实现各夹具按顺序完成夹紧或放松动作。采用PLC对夹具系统进行编程,通过实验验证了该夹具系统可行性。设计了搭载夹具与液压装置的夹具平台,并用ANSYS软件对其进行了静力学分析。为了实现机械臂柔性打磨,结合浮动打磨主轴设计了机械臂末端执行装置,在ANSYS软件中对其进行了模态分析。运用D-H法建立机械臂空间运动坐标系并对其进行正、逆运动学分析,在MATLAB中进行运动学验证并获得机械臂空间云点图。利用五次多项式样条插值进行机械臂末端轨迹规划,得到各关节的角度曲线。建立了机械臂动力学模型,并对该模型进行验证分析。最后,为使工业相机能从多角度对工件进行图像捕捉,将视觉采集模块搭载于另一台小型机械臂上,确定了双机械臂下的视觉检测辅助余痕打磨流程,并在ROS系统中进行了机械臂轨迹规划验证。为实现工件的缺陷识别检测与工件型号匹配功能,研究了图像滤波、增强的处理方法,改进了Canny算法以实现工件的轮廓检测,利用Hu矩算法实现了工件特征检测与型号匹配。最后搭建视觉检测实验平台,对工件的余痕、飞边等缺陷进行检测验证,证明机械臂搭载下的视觉检测系统满足设计要求。

关键词： 水下控制模块   液压系统   故障树   可靠性  

摘要： 由于全世界生产力的大力发展,陆上油气的开采量将难以满足人类的开采,因而各国也开始重视海洋油气的开采。水下生产系统是一套成熟的海洋油气开采系统,水下控制系统是生产系统中重要的控制部分,而水下控制模块又是控制核心。在这个领域国内还与外国有很大差距,水下控制模块的液压系统作为水下阀门执行器的动力驱动部分又是直接影响油气开采的重要一环,因此对水下控制模块的液压系统进行国产化研究具有现实意义。本文根据工程项目技术指标和水下执行元件的控制要求,对水下控制模块设计了一种液压系统总体方案。方案分为高压和低压两部分,可分别用于控制井下安全阀和水下油气开采各阀门;液压系统具有冗余供给,可补偿海水压力,多种传感器可进行生产监测;液压元件大多安装在集成式阀板上,布局紧凑,集成度更高。针对设计的水下控制模块液压系统方案,对其进行了具体的详细设计和仿真分析。分析水下液压执行元件开启过程,得到了水下控制模块液压系统输入流量和压力,使其能够满足开阀要求;考虑金属管流速,得到了各油路连接管线尺寸;采用了皮囊式蓄能器,确定了其预充压力和容积。利用SimulationX软件对水下控制模块液压系统进行了充泄压和开闭阀的仿真,验证了液压系统的合理性。针对提出的水下控制模块液压系统,对其做了可靠性的分析。研究了系统重要液压元件可能发生的故障;基于液压元器件的故障形式,搭建系统故障树,利用故障树方法进行了系统可靠性的定性分析;建立了液压系统元件逻辑框图,计算得到了水下控制模块液压系统可靠度与作业时间的关系式以及其系统平均无故障时间;分析了各元件故障对系统可靠性的影响规律,进行了关键元件的部分故障仿真分析。针对水下控制模块研制样机进行了液压系统的相关实验。主要包括内部静水压力测试、内部泄漏测试以及各关键元件的功能试验,验证了水下控制模块液压系统的密封效果、承压能力,冗余供给和各元件功能。

关键词： 双吊点液压启闭机   同步控制   滑模变结构   模糊滑模   联合仿真  

摘要： 双吊点液压启闭机在应用过程中展现出来的占用空间小、驱动速度稳定、安装方便以及启闭力大等优点使其广泛应用于水利水电工程。本文以双吊点闸门启闭机为研究对象,重点研究双吊点闸门的同步驱动问题,通过对同步控制策略进行讨论以及对液压缸控制器进行搭建,采取合适的控制策略及方法,实现两液压缸及闸门的同步稳定运行。首先,搭建弧形闸门三维模型,然后导入ADAMS软件中进行运动学分析,得出其在运动过程中液压缸的受力情况,据此将双吊点弧形闸门简化为双缸垂直起吊重物的模型。然后推导出单缸电液比例系统的传递函数,以及双液压缸力——位移耦合模型,然后建立它们的传递函数框图。随后,本文以VTOZ公司的一款直动式伺服比例阀为控制元件,在软件中构建了伺服比例阀的液压模型,并对其进行了正确性验证,保证模型的性能够与VTOZ伺服比例阀性能相当;接着构建双缸负载的模型,验证无误后搭建双缸同步控制系统模型。最后,先以PID作为系统控制器,分别对等同同步策略、主从同步策略及交叉耦合同步策略仿真。仿真结果为:等同同步策略以及交叉耦合同步策略都可满足位移精度,主从同步策略无法满足位移精度。随后引入模糊PID控制、滑模控制以及模糊滑模控制三种智能控制器,对主从同步策略下液压系统进行仿真。仿真结果为:模糊PID控制缩小了位移误差,但无法满足位移精度;滑模控制满足位移精度,但抖振严重;模糊滑模控制既满足位移精度,也不存在较大的抖振,符合使用要求。

关键词： 挖藕机   水力冲刷   能量损失   液压系统   耦合仿真   性能试验  

摘要： 水生蔬菜是我国一类重要的农业经济作物,其中莲藕位居水生蔬菜首位。我国的莲藕机械化采收起步较晚,目前处于发展阶段。根据现存挖藕机水力能量损失大、莲藕采收率低及工人挖藕作业时劳动强度大的问题,设计了一种手扶水力冲刷式挖藕机,该挖藕机通过“一对一”的配置方式即一个水泵配置一个喷头的方式工作保障水流有足够的流量与压力,同时喷头可左右移动增大挖藕机的工作幅宽,提高莲藕浮出率。主要研究内容如下:(1)挖藕机整机结构设计及关键部件选型及设计。根据挖藕机能减少水力能量损失及能提高莲藕采挖效率,确定了挖藕机的整机结构。对挖藕机底盘、喷头、喷头连接装置等部件进行了设计及计算,对污水潜水泵进行了选型,同时搭建了一套各支路互不干扰的液压系统,便于使用者操作。(2)挖藕机水力能量损失理论研究。根据挖藕机的水力冲刷系统组成,构建挖藕机的水力冲刷管路能量损失模型,计算相关水力能量损失,结果表明:此手扶水力冲刷式挖藕机的总水力能量损失为1.2143 m,水力系统设计合理,满足试验需求;对水力冲刷系统喷头出水口处水流冲击能量分析,发现喷头出水口处的冲击压强为0.0433 MPa,冲刷力为27.1816 N,此水力冲击不会造成莲藕损伤。(3)挖藕机关键部件仿真分析。使用EDEM-Recur Dyn软件耦合仿真,分析喷头及其连接装置组合体在泥下运动的力学特性。试验发现当喷头喷射角度为60°、喷头入泥深度为-150 mm、喷头及其连接装置组合体移动速度为0.10 m/s时喷头及其连接装置组合体所受阻力最大,此时组合体所受的最大应力为12865 Pa,最大变形约为0.0035 m,喷头及其连接装置组合体不会发生塑性变形。通过AMESim软件验证液压系统设计是否合理,根据液压原理图分别对推移液压缸支路及液压马达支路进行仿真分析,试验发现阀口信号值为0.05时,液压马达的转速可达到2862 r/min;阀口信号值为0.55时,液压缸进油口处的压力值为3.02 MPa,液压缸活塞杆的移动速度为0.11 m/s;阀口信号值为0.04时,液压缸进油口处的压力值为1.40 MPa,液压缸活塞杆的移动速度为0.065 m/s;阀口信号值为0.01时,液压缸进油口处的压力值为0.34 MPa,液压缸活塞杆的移动速度为0.02 m/s。液压回路可正常运行,液压回路设计符合实际应用。(4)液压调试试验、土槽试验及田间性能试验,验证挖藕机的作业性能。液压调试试验发现推移液压缸进油口处的压力值分别为3.3 MPa、1.5 MPa、0.4 MPa时推移液压缸活塞杆的移动速度分别为0.10 m/s、0.06 m/s、0.02 m/s。液压马达的转速约为2005 r/min,水泵流量约为10.52 m/h。液压调试试验值与仿真试验值基本吻合,仿真试验合理。以喷头喷射角度、喷头入泥深度、推移液压缸活塞杆移动速度为试验因素,挖藕机冲刷深度、莲藕浮出率为试验指标进行单因素试验,并根据单因素试验的最优试验因素水平范围进行三因素三水平Box-Behnken中心组合设计试验。试验发现喷头喷射角度30°、喷头入泥深度-24 mm、推移液压缸活塞杆移动速度0.10m/s为挖藕机最优作业因素水平组合,在此因素水平组合下,土槽试验时挖藕机冲刷深度为302 mm,莲藕浮出率为90%;田间试验时挖藕机冲刷深度为300 mm,莲藕浮出率为62%。挖藕机在不同藕田作业时工作效率具有一定的差异,挖藕机适应性较差,需进一步改进。

关键词： 液压系统方案   流固耦合   固有频率   振动分析   动态响应  

摘要： 铁路跨越安全防护装备是一种通过铁路轨道运输、可以快速架设和快速拆除的自动化机械装置,用于替代传统的铁路跨越施工安全防护架。根据装备防护作业的环境特点,以及稳定性和安全性等方面的要求,选取液压系统作为装备动作的主要动力源。由于跨越防护装备动作过程工况特殊,需要明确装备在各种激励作用下的动态特性及其影响规律,以确保装备在架设、拆除过程中的动作安全以及防护作业工作中的安全、稳定。基于上述目的,论文的主要研究内容如下:(1)根据跨越安全防护装备总体目标和技术方案,完成了液压系统的方案研究和设计。为适应铁路跨越防护装备不同模块的功能要求,经过详细的理论分析和计算,设计了一套符合装备动作需求的整车液压系统。根据理论计算结果,完成了各液压系统的具体选型工作,为装备实际生产提供参考。(2)分析了防护装置液压系统的系统特点,选取其中的管路系统作为研究对象,研究了当前较为完善的14方程流固耦合振动模型,同时基于传递矩阵法推导了简单直管、弯管和分支管路的点传递矩阵模型和场传递矩阵模型,进而得到三种管路结构的空间传递矩阵模型,通过分析防护装置液压系统管路结构的特点,搭建了两种工况液压系统管路结构的传递矩阵模型,并比较了理论模型与有限元软件两种方法求解的管路结构固有频率,验证了传递矩阵模型与有限元分析的正确性。(3)基于ANSYS平台,采用单向流固耦合分析方法,选取防护装置液压系统进油管路和一级直管组成的管路结构为研究对象,在相同的约束条件下,分析得管路结构在长度、壁厚和内部流体压力三个参数改变时的固有频率和不同方向结构变形规律。采用双向流固耦合分析方法,以七柱塞泵输出的脉动流体为入口条件,分析了不同周向约束刚度作用下,“T”型管路内部流体和管路结构的不同参数响应特性,同时分析了在外部激励力的作用下,管路结构的位移、加速度等参数的响应规律,为管路结构约束参数的选取给出了技术依据。(4)通过分析铁路跨越防护装置液压系统不同工况的特点,基于AMESim软件分别搭建了两种工况的液压系统仿真模型,在考虑系统压力损失和液压冲击的情况下,对横梁旋转工况的液压系统进行了动态特性分析,包括不同管路长度、管径和系统压力条件下,液压系统压力的变化规律和执行机构的动态性能,分析结果表明上述三种参数的改变直接引起液压系统压力的剧烈波动,通过在系统进油管路处设置蓄能器,有效解决了横梁旋转工况液压系统工作时压力的剧烈波动问题,同时研究了蓄能器初始压力和最小容积两个参数的变化对系统的影响,得到了相应变化规律。对于立柱旋转工况多缸液压系统的仿真分析发现,不同行程的两类油缸存在时域动作不同步的问题,通过在油缸输出端增加信号反馈流量实时控制,且仿真分析验证了控制策略的有效性。

关键词： 滑移装载机   行走液压系统   稳定性   重心  

摘要： 以某型滑移装载机为例，进行行走液压系统设计和选型计算，同时以失稳比和稳定度为指标对滑移装载机进行稳定性评价，并对滑移装载机横向稳定度和纵向稳定度进行分析和计算，为滑移装载机液压系统设计和稳定性分析计算提供新的设计计算方法。

关键词： 迈步滑移超前支护设备   静力学特性分析   动力学特性分析   液压系统   数值模拟  

摘要： 煤矿井下的开采作业存在着诸多安全隐患,巷道围岩在开采过程中受到各种扰动从而使得巷道围岩的变形破坏严重、巷道支护困难等问题日益突出。据此本文针对巷道开采过程中临时支护区域顶板容易发生破坏从而发生坍塌、冒顶事故的问题,提出一种迈步滑移超前支护设备,阐述该设备的基本组成和工作原理,通过研究该设备的力学特性与液压系统的动态特性,验证该设备具有很高的推广应用价值,对于稳定支撑巷道、保证掘进效率、确保高效生产具有十分重要的理论和实践意义。根据巷道开采的地质条件对巷道的应力分布规律进行理论分析,在此基础上运用FLAC3D数值模拟仿真研究方法验证了理论分析结果的正确性,为迈步滑移超前支护设备的设计方案提供理论支撑;开展超前支护设备与巷道围岩体系的静力学特性研究,通过建立拱形巷道顶板静力学模型、超前支护设备与巷道顶板接触静力学模型并利用ANSYS workbench软件对超前支护设备在不同工况下的支撑状态进行分析,研究超前支护设备的变形规律;在静力学特性研究基础上进一步开展超前支护设备与巷道围岩耦合的动力学特性研究,通过建立超前支护设备的动力学模型以及与拱形巷道全接触的耦合动力学模型,利用ANSYS workbench软件对超前支护设备在不同状态下进行模态分析和整机动力学响应分析,研究超前支护设备的稳定性;同时利用Recur Dyn仿真软件研究在不同工况下超前支护设备与巷道围岩耦合的动态响应过程,探究超前支护设备与拱形顶板的接触力、侧护装置与侧帮的接触力以及顶板、侧帮的位移变化情况规律;基于前文对超前支护设备的力学特性分析,针对超前支护设备的液压系统开展相关研究,设计一套超前支护设备液压系统,利用AMEsim仿真软件对设计的液压系统进行动态特性分析,研究设计的液压系统能够确保超前支护设备在井下的工作稳定性。该论文有图65幅,表11个,参考文献64篇。