关键词： 液压系统   余热回收   热特性   试验与仿真   耦合特性  

摘要： 液压系统广泛应用于大功率移动装备和工业装备,是国民经济发展中不可或缺的重要支撑技术。仅我国工程机械行业的年销售收入就已突破7600亿元人民币,位居世界首位。由于液压系统工作时存在节流损失和溢流损失,以及元件的摩擦和泄漏损失,导致系统平均能量效率仅25%左右,能量损失大,产热量高,油液温升明显。而高温会对油液特性、系统泄漏和密封件寿命等产生不利影响,显著影响液压系统的运行和能量特性,以及安全性和可靠性。为将油温控制在合理范围内,通常需要为液压驱动装备配备冷却系统。然而,冷却系统能量消耗大,可占整机能耗的5%以上。液压系统传统冷却方式通常以消耗能量为代价,将液压系统内部热量转移至环境中耗散,在此过程中造成可用能和热能的双重浪费。为此,提出有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle,ORC)方法回收利用液压系统余热,通过消除冷却耗能和热-功转化,提高系统综合能效。围绕有机朗肯循环回收利用液压系统余热的相关技术问题,利用理论、仿真和试验等研究手段,从液压驱动装备热特性、余热回收系统特性、以及液压驱动装备与余热回收联合系统耦合特性等三方面开展研究工作,主要研究内容如下:液压驱动装备能量系统表征方法研究。在解析能量系统热力学分析方法基本原理的基础上,将液压余热作为热(火用)纳入液压驱动装备能量系统,在能量平衡分析模型的基础上,补充(火用)平衡分析和能级平衡分析模型,完善了液压驱动装备能量系统表征方法。以典型液压驱动装备液压挖掘机为对象,利用完善的能量系统表征方法对其进行建模和分析,以合理用能和能级匹配为目标,提出了液压系统余热回收方案,并从理论上分析了所提方案的可行性和有益效果。数据与机理混合驱动的液压系统热特性研究。针对液压驱动装备热特性测试难度大、机理模型精确度不高的问题,提出数据与机理混合驱动的液压系统热特性建模方法。根据液压系统热特性建模理论,结合试验测试数据和系统工作机理,分别利用功率损失法和控制体方法,建立了260吨超大型液压挖掘机和液压动力单元热特性模型。通过试验测试和仿真分析,获得了液压元件及系统的能量特性、各部分液压元件的产热和散热特性、以及各部位的温度变化规律。有机朗肯循环回收液压系统余热构型设计及理论研究。针对超大型液压挖掘机预热能耗大、局部过热加速油液变质,提出了有机朗肯循环-热泵(ORC-HP)联合系统新构型。以260吨超大型液压挖掘机热特性分析得到的冷却功率需求为基础,建立ORC-HP联合系统稳态数值模型,综合比较联合系统的热力学和经济学特性,确定R152a作为最佳工质。着重开展ORC余热回收系统性能研究,总结了环境温度和油液温度对ORC系统运行特性和能量特性的影响规律。有机朗肯循环回收液压系统余热样机工作特性研究。为深入研究余热回收系统在低温大流量液压系统余热回收利用中的高效冷却和产功能力,搭建液压系统余热回收试验样机。根据试验样机结构参数、工作机理和测试数据,结合液压动力单元热特性仿真模型,建立精确可靠的液压系统余热回收试验样机动态仿真模型。通过试验测试和仿真分析,开展液压系统余热回收样机的稳态和动态特性研究,获得发电机负载、油液流量和工质流量等参数对系统稳态运行特性和能量特性影响规律;获得油液流量和电负载阶跃变化,以及系统启动和停机等工况下余热回收系统的动态特性。在试验条件下,样机中蒸发器最大换热量为4.18 k W,膨胀机最大输出功率为356 W。有机朗肯循环回收液压系统余热应用探索研究。为研究余热回收系统在液压驱动装备应用中的工作特性和经济可行性,以38吨大型液压挖掘机为研究对象开展研究。融合试验数据与工作机理,利用控制体方法建立精准可靠的大型液压挖掘机热特性仿真模型。以热特性分析得到的回油流量和冷却功率,结合余热回收系统仿真模型,为大型液压挖掘机匹配设计余热回收系统结构参数和运行参数,进一步建立液压挖掘机与余热回收联合系统仿真模型,对联合系统耦合特性开展研究。与传统油冷器冷却方式相比,余热回收系统可降低液压挖掘机能耗4.4%以上。

关键词： 采煤工作面   索道运输   液压系统   有限元分析  

摘要： 目前,我国对厚煤层的开采一般是采用一次采全高的采煤法,大采高采煤工作面易发生局部冒顶和煤壁片帮,这就需要对采煤工作面发生局部冒顶和煤壁片帮的区域进行处理,处理时所需要用到的材料和工具多、大、重,而目前运输这些材料和工具主要是依靠人工搬运为主,工作劳动强度大,运输效率低,危险性大。同时冒顶和煤壁片帮的发生,有可能会对大采高采煤工作面的设备造成损坏,而大采高综采工作面所用相关配套设备特征是重量大、体积大,当被损坏的设备需要维修或更换设备零部件时,所更换的有些零部件重量大、体积大,运输时多以刮板输送机运输为主,人工辅助搬运,但是利用刮板输送机运输工作繁琐且有可能要经过多次的转载,运输效率低。鉴于以上采煤工作面运输的问题,本文设计了一种大采高采煤工作面索道运输装备,主要工作内容如下:综述国内外索道运输的研究现状,概括了目前大采高采煤工作面的运输方式,根据某煤矿大采高工作面的情况,确定了大采高采煤工作面索道运输装备的整体方案。依据索道运输装备的整体方案,分析现有不同结构的索道运输装置,详细设计了索道运输装备的驱动机构、转弯机构、张紧机构、起吊机构的结构形式,以及叙述了其工作原理,然后利用三维软件Solid Works建立了各个机构的三维模型。根据索道运输的主要参数,开展索道运输装备牵引承载钢丝绳的选型和计算。分析乳化液泵站的液压系统,设计了索道运输装备的驱动液压系统、张紧液压系统、并详细设计了张紧液压系统的张紧液压缸。首先利用理论计算的方法对关键零部件进行受力分析,然后通过建立好的三维模型,采用ANSYS软件对关键零部件进行静力学分析,得出其变形云图和应力云图,并把仿真得出的求解结果与理论计算的结果相比较,两者基本一致,证明了本文所设计的结构能满足要求,证明了该装置的可靠性。图[60]表[7]参[70]

关键词： 辣椒收获机   履带式   液压系统   AMESim   试验  

摘要： 近年来我国辣椒种植面积和辣椒年产量在持续的扩大,现我国辣椒的种植面积居全球第一。在国际市场上对辣椒及其加工品的需求量也在日益增长,使得辣椒在中国红色工业产业中的战略地位日益重要。根据统计,2021年,我国有近28个省区在种植辣椒,辣椒种植面积达200万公顷,辣椒产量为4000万吨,其中南方地区种植辣椒面积为54.5万公顷,产量为721万吨。但是南方辣椒种植区域大多属于丘陵地带,块地不利于大型机械作业。针对此情况,解决丘陵山地、小地块种植辣椒机械化采收困难,为了减少作业环节和人工消耗,提高辣椒收获的机械化水平和生产效率,通过分析履带式小型辣椒收获机在采收辣椒时的工作需求,分析收获机关键部件的传动情况,对辣椒收获机设计了一套全液压控制系统。本文通过研究国内外文献,结合田间调研,了解辣椒的裁培模式以及采收辣椒时存在的问题,确定了科研内容和方向,本文主要结果如下:(1)首先通过solidworks软件对履带式小型收获机的结构进行三维建模,根据辣椒收获机各个作业单元实际工况,确定了液压系统的调速方式和回路方案,对工况的分析和辣椒采收要求的基础上,液压系统结合机械设备,针对行走系统、采摘输送系统、采摘装置升降系统和料箱翻转系统提出了液压系统设计方案并设计了相应的液压系统,确定了液压系统的控制形式和功率的传递形式,最终通过CAD绘制出了整机的液压系统原理图。(2)通过对辣椒收获机各个作业单元建立数学模型,并对辣椒收获机各个液压系统相应部件进行负载分析,计算出液压系统中液压缸、液压马达和液压泵等元件的基本参数并确定型号,对油管、油箱和阀件等进行了相应的计算选型。(3)在液压系统原理图的基础上,用AMESim软件建立了液压缸、液压马达和相应负载的仿真模型,分别对各个子液压系统的执行元件进行全面的仿真计算,仿真结果显示液压马达均能达到设计要求,液压缸活塞杆位移和伸缩速度在合理的范围内。(4)试制完成了试验所要求的履带式小型辣椒收获机样机,并对液压系统的性能进行了液压性能试验,测试液压马达的转速,液压缸的伸缩速度和位移变化,液压缸和液压马达各项指标测试结果与理论设计和AMESim仿真模拟结果相符,验证了仿真。为了验证履带式小型辣椒收获机液压系统对作业性能的影响,通过以辣椒的采净率、破损率和损失率为试验指标,对辣椒收获机进行了测试试验。结果表明:当辣椒收获机行走液压马达转速为93r/min,采摘滚筒液压马达转速为188r/min时,破损率为2.3%,损失率为6.1%,采净率为95.8%,采摘质量符合技术指标,辣椒收获机行走液压马达和采摘滚筒液压马达试验指标符合技术要求,验证了设计的辣椒收获机液压系统的合理性。

关键词： 插销式   升降平台   液压系统   同步控制   联合仿真  

摘要： 插销式液压升降平台作为一种高空作业平台,采用液压驱动方式,升降范围大,可频繁升降,能够将重物或人员运送到预定的高度,适用于多种作业场合,可以大幅度提高工业生产与施工的效率。首先,依照应用场合和功能定位,初步确定了插销式液压升降平台的主要结构技术参数,拟定了平台的总体设计方案,绘制了整机和各个零部件的三维图。采用稳定系数法验证了平台整体的抗倾覆性能;在ANSYS Workbench软件中,对升降机构进行了模态分析,避免了结构共振;采用特征值屈曲分析和非线性屈曲分析对结构稳定性进行了仿真,验证了结构的可靠性。然后,确定了液压系统的设计要求,分析工况得到了各个子系统液压缸的外负载力,计算出了各执行缸的参数。设计了各子系统的液压回路方案,制定了整体液压系统原理图,确定了系统中各元件的规格参数。接着,对升降机构四缸同步升降系统进行了动力学建模,确定了偏载出现的原因。建立了升降液压动力机构和系统中各元件的数学模型,求出了单个通道的升降机构同步升降控制系统的传递函数,控制系统具有较好的稳定性。随后,制定了升降机构四缸同步控制系统的控制策略,包括多缸控制方式和控制算法两部分,设计了模糊PID控制器,建立了控制系统的Simulink仿真模型。仿真结果表明,模糊PID控制器在快速性和准确性上有着更好的表现。最后,搭建了各个液压子系统以及动力源液压系统的Amesim仿真模型,得到了各个子系统执行缸的速度、位移曲线。对升降机构四缸同步控制系统进行了Amesim/Simulink的电液联合仿真,在并行模糊PID控制策略下,四缸同步控制系统有较高的同步精度和较小的位移跟踪误差,能满足设计要求。综上所述,本课题主要研究了平台整体结构的工作可靠性和升降机构的四缸同步控制。在并行模糊PID的同步控制策略作用下,平台升降机构的同步性能达到了设计指标。进一步提高了升降平台的性能,为实际工程应用提供了理论依据,也可以为其他升降平台的设计提供参考。

关键词： 液压型石油压裂车   泵控马达液压系统   流体振动溯源   流体振动抑制   蓄能器  

摘要： 石油压裂车是石油工业中重要的工程机械。传统机械式压裂车受制于目前国产大功率发动机及变速箱制造水平限制,主要部件依赖进口,而液压型石油压裂车具有能够使用多个较小功率发动机分布式驱动的优点,还可无极调整压裂流量,得到了国内市场的认可。但在实际施工作业中,某液压型压裂车出现了液压系统流体振动的问题。高压钢管内压力波动较大,长此以往会导致管路疲劳损坏,从而引起安全事故,为此液压型石油压裂车流体振动问题急需得到解决。本文根据国内外液压系统流体振动的研究以及流体减振方法,以某公司的液压型石油压裂车为研究对象,对压裂车液压系统的流体振动问题进行研究。针对液压型压裂车多泵合流驱动多并联马达的泵控液压系统欠阻尼的特点,推导外负载力矩周期变化或泵控系统周期变化导致的高压流体振动传递函数,计算系统级的谐振频率。针对液压系统高压管路较长的特点,对管路谐振展开研究,计算高压钢管内压力传递函数,对管路压力波的谐振频率进行计算。对可能导致液压系统流体振动的激励源逐一计算激励频率,包括发动机、泵、马达、压裂泵等。结合系统级及管路级的谐振特性进行分析,认为压裂泵在600 L/min的流量工况工作时产生的转矩激励与液压系统固有频率约6 Hz相近,导致液压系统出现谐振现象。结合实验判断,没有明显的管路谐振现象或泵控系统自激振荡的情况出现。从动压反馈增加系统阻尼比和利用蓄能器的刚度改变液压系统固有频率避开谐振两方面对蓄能器减振展开研究,认为利用蓄能器改变液压系统固有频率对压裂车进行流体减振更为合适。可将系统固有频率从6 Hz移至4 Hz,使600 L/min的流量工况下高压压力流体振动降低60%以上。

关键词： 桥梁检测车   结构设计   虚拟样机   有限元分析   刚柔耦合   液压系统  

摘要： 桥梁检测车作为一类为桥梁检修提供专业作业平台的专用车辆,已经成为桥梁检修和保养工程中一种必不可少的设备。针对某双层桥的结构形式和检修需求,本文综合各类传统桥检车的结构特点,设计一种能够在梁下纵桥向行走和横桥向检测的新型轨行式桥检车,进而在覆盖检测区域的同时,实现全桥一车检测。完成动力学、有限元以及刚柔耦合等仿真分析后,研制实物样机完成相关试验验证工作。主要开展了如下工作:(1)桥检车整车结构设计。首先,基于桥体结构和检测需要,明确桥检车的整体设计方案。其次,对轨道、走行机构、转盘、桁架和臂架等装置分别进行设计并完成相关功能性验证试验。(2)运动路径规划和动力学仿真分析。首先,利用多体动力学仿真分析软件ADAMS建立桥检车多刚体虚拟样机,并进行运动路径规划,获取液压缸运动参数。其次,运用虚拟样机中的优化设计方法,通过调整油缸的铰点位置优化油缸的最大受力。(3)静力学分析和模态分析。根据动力学仿真结果确定桥检车危险作业工况,借助有限元分析前处理软件Hyper Mesh完成有限元模型简化和网格划分,并运用大型有限元软件ANSYS进行静强度校核和模态分析。(4)臂架刚柔耦合分析。借助ANSYS生成大臂、中间臂的模态中性文件,在ADAMS中建立桥检车臂架刚柔耦合虚拟样机,仿真获取油缸的受力状况,并在考虑柔性体变形影响的情况下监测吊篮与桥梁之间的间隙,实现对吊篮与桥梁是否发生碰撞的识别。(5)液压系统设计。根据桥检车的作业状况,设计满足各构件运动的液压回路,制定液压系统原理图,确定主要液压元件的参数和型号。并通过试验对液压系统的功能性进行验证。

关键词： 隔水管受力分析   有限元   固定装置   液压系统   液压仿真  

摘要： 隔水管是深海油气开发过程不可或缺的设备,对隔水管进行力学分析并改进结构,对作业有很大帮助。随着作业水深的不断增加,隔水管串自身长度的增加,加上工况的复杂多样性,波浪载荷和海流载荷对隔水管影响非常严重;加上船体偏移,使得钻井平台隔水管串在正常作业时受到极大的水平方向冲击力,导致隔水管串密封薄弱环节(伸缩节)磨损严重,有时候,强大的海流和风载使得钻井船漂移很大,使得伸缩节内外筒倾斜角度偏大,导致伸缩节盘根(密封)刺穿,套管环空中的泥浆泄露,影响正常钻井作业。鉴于此,研究如何提高伸缩节盘根的密封性能、保证钻井作业顺利进行至关重要。于是,笔者设计隔水管顶部固定装置对张力器整体进行固定,这样会大大减小恶劣工况对伸缩节盘根的磨损,延长伸缩节盘根使用寿命。因此研究如何在恶劣工况下保护钻井设备正常运营有十分重要的意义。本文在深入学习了国内外各种张力器,隔水管以及伸缩节、支撑环的基础上,掌握了深水钻井平台作业流程,对隔水管串(隔水管,伸缩节,饶性接头,张力器)的工作原理和受力进行分析,通过ABAQUS Aqua对理论力学计算进行了校核,还对固定装置的核心部件进行了强度校核,结果满足结构强度要求和现场作业要求。设计了隔水管顶部固定装置,包括机械结构和液压系统两部分,机械结构方案设计包括爬行装置,停驻液缸装置,轨道滑行升降装置,液压站以及阀组A、B、C。还对隔水管顶部固定装置的液压系统中的执行部件(包括液压缸和液压马达两部分)以及辅助零部件参数进行分析计算和选取,并对液压系统中的液压回路借助AMESim液压仿真软件仿真隔水管固定移动设备的液压系统、固定液压系统和防撞液缸,并分析模拟结果的数据,基本符合实际情况。

关键词： 钛合金拉弯机   同步控制   阀控缸系统   联合仿真  

摘要： 随着材料成型技术的发展,钛合金型材因为性能优越被广泛应用于飞机和汽车制造行业。钛合金拉弯机是钛合金型材制备的关键设备,设备精度将直接影响生产型材的质量。所以分析拉弯机的工况,设计出符合性能要求的液压系统回路对拉弯机型材生产具有重要意义。本课题从钛合金拉弯机拉弯成型动作过程出发,分析拉弯机的工况并设计相应的液压回路,并对拉弯成型过程中起关键作用的拉弯回路同步控制重点分析与仿真。本文着重分析拉弯机的液压系统及控制策略。首先对钛合金拉弯机的工作原理进行介绍,分析各工况下液压系统需要完成相应的动作,然后按照动作需求设计液压回路。其中拉弯回路的两液压缸同步运动带动转臂转动从而使工件弯曲到达指定角度,所以两液压缸的同步误差值将直接影响到工件的精度。文章重点讨论了不同同步控制方式下系统的同步误差值的大小情况,分析比较得出最优方案。在对拉弯回路仿真过程中,利用AMESim软件对液压系统中各组成元件进行建模。通过改变元件库中各个元件的参数实现搭建模型与选用元件样本性能的一致。为保证精度能够达到要求控制部分采用闭环控制的方式,在Simulink中构建控制部分,两个软件的联合仿真充分发挥各自的优势。对比不同的控制方式下偏载对液压缸同步误差的影响,最终得到保持系统稳定与减小偏载影响的同步控制方式。对于得到最优的控制方式,在大偏载干扰下液压缸的同步误差仍处于较大的范围。为提升系统性能对原有的控制策略进行优化,将传统的PID控制器替换为适应性更强的模糊PID控制器,运用Simulink与AMESim两个软件的联合仿真来验证优化方案的正确性,使拉弯回路同步误差控制在允许的范围之内。