关键词： 注塑机   合模系统   远程监控平台   Automation Studio   Lab VIEW   虚拟专用网络  

摘要： 注塑机作为应用广泛的注塑成型设备,在生产过程中存在自动化水平低、工作强度大、对工作参数监控要求较高、当机器发生故障无法及时解决则会直接影响生产效率等问题。传统的注塑机远程监控系统无法适配不同类型的设备,且网络部署繁琐。针对上述问题,本文设计了一款基于LabVIEW的注塑机合模液压系统远程监控平台。该平台以影响制品质量的重要机构—合模系统为例,采集工作数据,使用标准的通信规范实现合模系统与监控平台之间的数据交互,结合远程访问技术,实现系统的远程实时监控。本文主要研究内容如下:(1)注塑机合模液压系统远程监控平台整体方案的设计。分析传统监控系统维护不及时、管理不易等问题,提出综合考虑建模仿真、数据通信、远程访问等技术的方法,确定全面考虑设计需求、划分系统模块、提高系统普适性的研究目标。本设计借助Automation Studio建模仿真软件、LabVIEW虚拟仪器技术,辅之以 OPC UA(OLE for Process Control Unified Architecture)通信技术、VPN(Virtual Private Network)虚拟专用网络技术等,实现注塑机合模系统的远程监控。(2)注塑机合模液压系统建模仿真的设计。分析注塑机组成结构及工艺流程,按照原理性要求设计合模液压系统的主要回路。利用Automation Studio软件建模,设置相关组件的工作参数,确保符合真实注塑机合模机构的工作参数。最后,使用PLC(Programmable Logic Controller)采集注塑机合模液压系统的数据并控制其工作状态。(3)注塑机合模液压系统远程监控平台的设计。利用OPC UA软件与LabVIEW中的工具包,将仿真模型端PLC采集的数据传输到LabVIEW监控平台。完成注塑机合模系统整体监控平台界面的设计,包括启动初始化、用户登录、实时监控主界面、历史数据查询、实时报警。最后,对合模系统监控平台进行Web发布,利用VPN技术实现远程浏览器查看控制,完成远程监控平台的整体设计。(4)注塑机合模液压系统远程监控平台的测试。对系统的仿真模型准确性、数据通信、远程实时监控进行测试。测试结果表明,注塑机合模液压系统仿真模型的运行状态及工作数据的变化均与实际注塑机工作情况保持一致。通过OPCUA通信技术,实现了仿真模型与监控平台之间的数据交互。远程通过浏览器访问可以直观地查看实时工作数据、运行状态、实时报警等信息,实现了远程访问控制。由测试结果可知,系统运行可靠,满足设计目标。

关键词： 管柱处理装置   液压系统   运动学及动力学   ADAMS仿真   接触碰撞  

摘要： 修井作业分为大修和小修两种方式,据统计各油田修井作业频率最高的是小修作业,占据了油田修井作业的65%-75%。在小修作业过程中,油管柱的起下作业工作量大、劳动强度最高,且安全性差。目前大多数油田在进行油管柱起下作业时采用人工作业,对油管柱进行起吊与下甩,四人协同、轮流交换的作业方式。本文针对目前油管柱的作业现状,研究设计了一种新型修井机作业转臂式管柱处理装置。该装置为全液压驱动,能够实现高效、半自动接送管柱,长进行运移等动作,其可活动角度为0°～90°。与以往油管柱处理装置内的扶正机构不同,该装置采用液压机械手对管柱直接进行夹紧动作,两组液压机械手采用平行四边形结构,实现管柱接送过程中的平稳性。可满足斜井、直井两种修井作业的接送管需求,保证修井机在作业时,对油管接送、起下、对中的效率变得更加精准。本文主要完成了转臂式管柱处理装置整体机械结构及液压系统的方案设计;建立管柱处理装置的三维模型;对相应的主要承受部件进行了强度分析;结合管柱处理装置总体方案,对各液压缸进行选型参数计算,对液压泵进行选型,完成管柱处理装置的液压系统设计;最后运用多刚体系统运动学及动力学基本理论,对管柱处理装置的支撑臂机构、送管臂机构、管柱防掉机构及管柱定位机构建立运动学和动力学模型,通过部件与部件之间的运动副连接,建立系统广义坐标,完成对机构的运动学分析;运用ADAMS软件中的动力学理论对该管柱处理装置机构的动力学模型建立广义坐标矢量,得到位置约束方程,通过微分-代数方程推导出拉格朗日乘子列阵,进行逆动力学方程求解,推导求解得到了各液压缸的驱动力方程,完成对机构的动力学分析。运用ADAMS软件对管柱处理装置从0°至90°过程中,装置负载和空载两种情况进行仿真分析、对比,得到抓管臂、送管臂液压缸伸长量、驱动力、支撑臂旋转角速度等曲线,并对各自曲线进行分析对比;对装置内送管机构进行仿真分析;对排管装置排管时油管与装置的接触碰撞仿真分析,得到排管过程中存在的接触碰撞力及力矩曲线,并进行不同管径的油管对排管装置的接触碰撞分析,为装置的厂内型式试验提供了理论依据。转臂式管柱处理装置为相关领域的使用人员、设计人员及管理者提供参考。

关键词： 液压系统   数字孪生   故障诊断   预测性维护   PHM  

摘要： 液压传动技术是现阶段我国工程领域极为重要的一部分,有着广阔的应用前景。作为重大工程设备选择的主流,液压系统具有传动平稳,承载能力强,质量轻体积小等特点,同时因精简的内部机构,使其易于实现无级调速和自动化。但是,液压系统的缺点也很明显,除了元件制造精度要求高,无法严格保证传动比等因素外。由于液压系统的密封性和元器件内部工作情况的不可见性,其发生故障后不易检查和排除,极大的影响了系统的可靠性。目前针对液压系统的故障诊断,主要有两种方法:基于数学模型的信号分析法,以及基于人工智能的机器学习算法。第一种基于数学模型的方法,相关数学模型的建立需要基于对应故障的生成机理,并采集特定的信号,因此只能针对于特定故障进行诊断,不具有普遍适用性;而基于人工智能的故障诊断方案,若单纯基于非交互的虚拟仿真模型生成故障数据集,不考虑液压设备的装配情况、工作条件以及长时间运行中实际状态的变化,无法保证模型相对于实际液压设备的保真性和仿真数据的可靠性,算法故障诊断精度较低;若基于液压系统历史故障数据训练机器学习模型,通过诊断结果融合分析,可以实现95%以上的故障诊断成功率,但该方法须基于所维护液压设备各类型故障完备且标准的实际历史故障数据集,而在工业领域中很难满足该条件,因而实际应用能力较差。针对于人工智能诊断算法目前存在的仿真数据精度不足和历史故障数据缺乏的问题,本文提出了基于数字孪生技术的液压系统故障诊断方案。该方案作为数字孪生五维模型的具体实现形式,采用虚实交互的方法,首先根据液压系统实时采集的特征数据,逐步修正虚拟模型参数,提高仿真模型的保真性;然后调整故障仿真模块参数,获取各类故障条件下大量仿真数据,解决故障历史数据不足问题。同时由孪生模型中故障参数的变化趋势,对未来可能发生的故障实时预警,可实现对实际液压设备的预测性维护。通过搭建故障仿真平台进行实验验证,结果表明,该模式无需依赖于实际液压系统的历史故障数据集,相较于非交互的虚拟仿真模型,可以有效提高其对常见故障的诊断成功率。同时,本文以液压系统的数字孪生模型为基础,编写了基于数字孪生的故障监测与健康管理系统（PHM）,除了对系统的故障原因诊断外,还实现了对液压系统的实时数字化展示和故障预警等功能,并随着实际故障数据的补充,诊断精度可进一步提高,具有一定的成长性和较好的适用性。

关键词： 液压传动   气压传动  

ISBN: (纸本)9787512438668

摘要： 本书共11章，内容包括液压传动概述、液压流体力学基础、液压动力元件、液压执行元件、液压控制阀元件、液压辅助元件、液压基本回路、典型液压系统、气压传动概述、气动元件及气动基本回路。

关键词： 液压传动   减压阀   永磁弹簧   Halbach阵列   动静态特性  

摘要： 减压阀是机械工业的基础元件,在液压传动系统中主要承担减压和稳压功能。现有减压阀采用机械弹簧实现预紧、调压及复位,弹簧结构的性能优劣将直接影响减压阀减压特性及系统运行稳定性。机械弹簧受固有材料属性及加工成形工艺影响,在高频运行过程中易出现应力松弛和疲劳断裂现象,严重影响减压阀稳压精度、响应时间以及可靠性。相较于传统机械弹簧,Halbach阵列磁弹簧具有结构简单、间隙磁斥力高以及弱磁侧磁自屏蔽效果良好等优点,并且Halbach阵列磁弹簧所采用的无接触式磁力传导模式可以有效避免弹簧结构应力失效及疲劳断裂现象,将其应用于减压阀取代机械弹簧以提高减压阀稳压精度和响应速度,延长使用寿命。论文主要研究工作如下:设计一种基于Halbach阵列磁弹簧的直动式减压阀,对Halbach阵列磁弹簧部分的复杂参数采用Maxwell软件进行分析设计,研究液压工况下Halbach阵列磁弹簧磁体尺寸、导磁材料厚度以及相对偏转角度对间隙磁斥力的影响,并搭建试验台测试Halbach阵列磁弹簧力—位移特性。仿真与实验结果表明:Halbach阵列磁弹簧间隙磁斥力较同体积普通磁弹簧有明显增强,搭配导磁结构后磁弹簧间隙磁斥力及磁屏蔽性得到进一步提升。利用AMESim软件建立Halbach阵列磁弹簧减压阀与DR6DP机械弹簧直动式减压阀仿真模型,分析不同进出口压力下两种减压阀的静态压力—流量特性与动态阶跃响应特性,并建立减压阀性能测试平台对仿真结果进行对比分析。仿真与实验结果表明:相同进出口压力下Halbach阵列磁弹簧减压阀压力—流量特性曲线斜率相较同规格机械弹簧直动式减压阀更小,压力损失更低,具有较好的稳压精度。与此同时随着进出口压差的升高,Halbach阵列磁弹簧减压阀相较机械弹簧直动式减压阀对脉冲压力的抑制效果更加明显,超调量更小,具有更快的响应速度。

关键词： 锻造液压机   动态特性   能效分析   泵蓄能器传动  

摘要： 阀控液压系统一直是快速锻造液压机的主流液压系统,但是传统的泵直接传动阀控液压系统存在着装机功率高、能量消耗大、能量利用率低等缺点。为提高液压系统能量利用率,降低系统装机功率,本文对泵直接传动、泵蓄能器(中压)传动和泵蓄能器(高压)传动三种传动方式液压系统进行了研究。通过对31.5MN快速锻造液压机工作原理及技术要求进行分析研究,设计了泵直接传动、泵蓄能器(中压)传动和泵蓄能器(高压)传动三种传动方式液压系统,详细叙述了三种液压系统的工作回路和工作过程。利用AMESim软件建立了三种传动方式液压仿真模型,并对液压系统响应速度、工作速度、锻造精度、主/侧缸压力变化、蓄能器压力变化、主泵压力冲击、活动横梁速度波动等进行仿真分析。结果表明三种传动方式液压系统均满足响应速度快,控制精度高,动作转换平稳,无明显压力冲击,锻造速度稳定,符合实际生产需求及相应技术指标,常锻模式下泵直接传动的锻造频次最高,快锻模式下三种传动方式动态特性无明显区别。通过对液压系统的能量流动原理进行深入探究,建立了能量损耗模型。利用AMESim的活性模块分别对泵直接传动、泵蓄能器(中压)传动和泵蓄能器(高压)传动进行仿真计算。结果表明,相比于泵直接传动液压系统,泵蓄能器(中压)传动在常锻模式下能量利用率提高69.8%,在快锻模式下能量利用率提高46.1%,并降低了35.97%的装机功率。

关键词： 变转速泵控马达液压系统   体积弹性模量   系统动力学建模   速度刚度   能效特性  

摘要： 变转速泵控马达液压系统作为复杂机电液一体化传动技术的典型形式,因调速方便,布局紧凑,工况适应性强,功重比大等优势,被广泛应用于多学科交叉、多技术融合的工业装备。但受到液压系统极端工况下系统动力学行为不确定,速度稳定性差,能量耦合过程复杂,系统能量的供需不平衡,效率低等问题制约,其整体性能有待进一步提高。本文针对变转速泵控马达液压系统,依次从介质非线性特性、部件参数辨识和系统建模三个层面,对其动力学行为和能效特性进行了系统研究。详细阐述了系统多能域间的功率传递、效率特性、速度刚度及全耦合动力学关系。本文提出的非线性动力学模型能够准确复现系统行为,模型结合速度刚度分析方法对指导机电液系统初期设计,实现系统能效和速度特性提升,精确控制和预测系统行为都具有重要指导意义。论文主要研究内容如下:阐述了液压油在压缩过程中发生的传质和刚度变化过程,分析了变压力条件下液压油静压及流动过程中,液压油非线性压缩特性的动态变化规律。首先在气泡压缩-溶解机理模型(Model A)基础上,结合液压油中气泡分布规律,提出了一种改进的静态液压油体积弹性模量计算模型(Model B),准确描述了变压力条件下液压油的静压特性。进一步,以Model B为基础,提出了管路流动液压油的有效体积弹性模量计算模型Model C。最后,基于轴向柱塞泵工作压力脉动特点,提出了一种新型的管路液压油有效体积弹性模量在线软测量方法,验证了流动液压油体积弹性模量计算模型的可靠性,该测试方法避免了在线测量过程对液压油流动稳定性的干扰。考虑液压油压缩过程中的非线性压缩特性和柱塞式液压设备机液耦合特性,分析和计算了液压设备压缩损失。同时,针对柱塞设备机械效率建模,提出用柱塞设备运动副摩擦状态权重系数量化柱塞设备各运动副摩擦状态,提高了轴向柱塞设备效率模型的计算精度。进一步结合液压柱塞设备改进模型和试验数据分别对柱塞泵和柱塞马达子系统中结构不确定参数和非结构不确定参数进行了有效辨识,并提出了不确定参数估计的数据冗余原则。用辨识得到的不确定参数评估各运动副运动状态,可实现系统的运行状态评估。准确的功能子系统模型为系统全局动力学建模奠定了模型基础。在充分了解液压介质工作特性和功能子系统模型基础上,将Quasi-LPV系统引进到了液压系统动力学建模过程,建立了多状态空间描述的变转速泵控马达液压系统非线性动力学模型。多状态空间描述的系统动力学模型准确复现了转速和负载大范围变化系统的非线性动力学过程,在保证计算精度的前提下,极大提升了系统模型的求解速度,准确实现了变转速泵控马达液压试验台动力学行为的反演和预测,为进一步分析系统速度和能效特性,消除动力学行为的不确定性提供了可靠的机理模型支持。结合系统动力学模型阐述了变转速泵控马达液压系统稳态和非稳态工况下的能量传递和损失过程,以及系统动态能效特性,计算了系统最佳匹配工作区间,提出了系统工况调整过程的能效优化方案以及评价速度特性的原则。根据负载变化特点提出用转速静刚度和动刚度评价系统速度特性的量化方法,并进一步分析了速度、动力源特性及减速比对系统速度刚度的影响,指出根据负载特性合理选择减速比,不仅可以提升系统速度静刚度,还可以使系统负载与速度工作在效率更高的匹配区间。最后结合速度刚度评价指标分析了接口子系统、电机机械特性和负载特性对系统动态特性的影响。

关键词： 机械结构   液压系统   控制系统   可靠性   深水液压动力扭矩工具  

摘要： 深水液压动力扭矩工具作为ROV外接旋扭类工具,在海洋石油开采运输生产中广泛应用,功能是启闭海底石油管道阀门。目前国内对于等级Class1～Class4扭矩工具研究处于起步阶段,等级Class6扭矩工具并未开展研究。国外技术虽然相对成熟,但由于如今国际形势,西方对我国实施各种技术封锁。针对这一现象,本论文研究出一种等级Class6液动扭矩工具。本文主要工作内容如下:通过了解国内外研究现状,查阅相关技术文献,完成ROV外接旋扭类工具前期调研工作。根据作业环境、设计要求及设计指标,提出机械结构、液压系统、控制系统研究内容,完成总体方案设计。根据海底阀门接口标准,利用Solidworks软件,完成扭矩工具机械结构设计与三维建模。通过空心圆轴扭转应力分析及仿真,完成前端接口壁厚及强度校核。完成锁紧机构创新设计。根据设计指标,完成传动机构设计及零件选型。根据扭矩的传递及仿真,完成联轴器的合理性验证。通过圆柱外壳临界失稳压力预测、屈曲模态仿真,完成工具外壳强度及稳定性验证。根据密封处的结构,完成密封设计及压缩率验证。通过力学分析及仿真,完成抓取结构的优化。完成壳体各连接处的螺栓强度校核、频率模态仿真分析。根据液压系统原理图,完成元件选型、水下布置及节能方法设计。对系统建立任务可靠性模型与数学模型进行可靠性预计,完成设计方案的可靠度验证。利用失效模式、影响与危害度分析方法,找出系统中各元件存在的所有失效模式,确定系统的薄弱环节、关键元件,并提出了预防及改进设计的建议。综合运用降额设计、耐环境设计等方法对系统进行了可靠性设计,提高了系统的可靠性。利用AMEsim软件,建立液压系统模型,设置系统参数,完成对液压系统的仿真。提出整体控制系统方案,完成硬件控制系统的设计。利用Lab VIEW程序开发环境,完成软件控制系统的设计。本文研究的等级Class6深水液压动力扭矩工具,最高扭矩可达20000 N·m,可以在深度1500 m的水下使用,对于我国深海石油管道的建设具有重要意义,为后来者的研究打下了基础。

关键词： 极薄煤层   采煤装备   截割能力   输煤能力   液压系统  

摘要： 我国薄煤层资源丰富,随着中厚煤层资源的减少,薄煤层开采成为必然趋势。但薄煤层投入产出比低,经济效益不如中厚煤层,一些煤矿放弃了薄煤层的开采。随着近些年政府的开采要求,0.8m以上煤层必须开采,0.8m以下鼓励开采,薄煤层的开采问题才逐渐被重视。在0.8m以下的极薄煤层开采过程中,因采掘空间小、地质条件差,原有的设备难以开采,因此研究一款新型的极薄煤层开采装备迫在眉睫。针对以上的问题,本文提出一种新型极薄煤层开采装备,该装备能有效开采0.5～1m的煤层,具有高效破煤、人员投入少、煤层适应性强的特点。并从结构设计、关键参数计算、关键元件静力学分析、截割与输煤能力仿真、液压系统设计与仿真等方面开展工作,具体研究内容如下:首先,基于薄煤层开采工况,提出一种新型极薄煤层采煤装备,详细介绍采煤、输煤工作流程,并提出相关设计要求。以此为基础对截割模块、输料模块、导轨推进模块中关键参数进行计算。同时为解决各模块安装拆卸问题,设计一种卡锁机构,能有效提高拆卸效率,减少工人劳动投入。其次,根据三大模块的参数计算,利用ANSYS仿真软件对截割模块、截割横轴、输料螺旋与卡锁锁舌进行静力学仿真分析,相关结果表明结构设计具有合理性,能安全开采极薄煤层。再者,利用ANSYS/LS-DYNA仿真软件对截割模块截割能力进行仿真,通过转速与螺旋线数量两个影响因素的对比仿真,验证所设计截割滚筒能够实现安全、高效采煤。再利用EDEM仿真软件对输料模块输煤能力进行仿真研究,通过理论计算得到影响输煤能力的因素为输料螺旋转速、螺旋叶片螺距与输料螺旋芯轴直径,分别对这三个因素设立对照仿真,结果表明输煤能力与输料螺旋转速、螺旋叶片螺距成正比,且随芯轴直径增大而减小。最后,基于实际工况分别设计截割模块液压系统与主机液压系统,依据相关参数对执行元件进行选型。其中对截割马达与调高油缸部分设计同步回路,以避免出现截割横轴偏转采煤的现象。利用AMESim仿真软件对输料回路、截割回路以及调高回路进行动态仿真分析,得到了马达、油缸等执行元件的动态响应特性曲线,仿真结果表明所设计的液压系统能够满足要求,验证了液压元件选型参数的准确性及系统原理的可靠性。该论文有图105幅,表17个,参考文献95篇。

关键词： 液压翻转闸门   模糊PID   液压系统   同步控制  

摘要： 液压翻转闸门构成简单,广泛应用于中小型水利工程中。针对农业领域中不同时节、不同农作物对于水量需求的不同,本课题设计出一套角度可控的液压翻转闸门。本文的主要研究内容如下:介绍了液压翻转闸门的结构组成和分类,设计出了符合要求的闸门门叶。利用Solid Works和ANSYS联合仿真确定了门叶上铰支座的位置,并对闸门整体仿真分析得知,门叶的等效应力和最大变形量均满足设计要求;设计了一种可折叠的连杆机构,建立了相应的三维模型;使用ADAMS软件对液压翻转闸门整体进行了动力学仿真,证明了启升机构的设计符合液压翻转闸门的启闭要求。选择了合适的液压缸及液压回路,设计出了液压系统。使用AMESim软件仿真研究了液压缸在有无泄漏情况下的压力变化;仿真结果表明无泄漏的情况下液压缸的压力较为稳定符合预期,但当系统存在泄漏时,液压缸的受力及液压杆的位移均存在较大变化,于是在控制方面决定采用闭环控制。建立了液压控制系统的数学模型,计算得到了系统传递函数。在MATLAB中使用模糊PID和传统PID对液压系统进行了对比仿真分析,结果表明模糊PID比传统PID反应时间更快,稳定性更好。基于主从控制结构,建立了MATLABAMESim联合仿真模型,分别施加三个数值不同的常值信号,研究两个液压缸在不同常值下的响应及两液压缸间的相对位移,仿真结果表明两液压缸位置精度较高,同步精度达到要求。