关键词： 多维T-S动态故障树   可靠性分析   相关失效   重要度   液压系统  

摘要： 多维T-S动态故障树分析方法能够有效处理复杂系统受多因素影响时的可靠性问题,然而由于系统中各元件相互配合工作,元件间往往存在着失效相关性,忽略元件间的相关失效会对可靠性分析结果带来误差。为此,通过引入相关失效分析工具Copula函数,构建多维T-S动态故障树-Copula模型,提出相关性失效多维T-S动态故障树及重要度分析方法,能够对受多因素影响、存在相关失效现象的复杂系统进行可靠性分析。运用所提方法对提升机液压站系统可靠性问题进行分析,验证了相关性失效多维T-S动态故障树及重要度分析方法的正确性与优越性。首先,阐述了多维T-S动态故障树理论,包括分析流程、与门、或门和冷备件门等动态门向T-S动态门的转化过程和多维T-S动态故障树及重要度算法。以液压托架升降系统为研究对象,运用多维T-S动态故障树及重要度分析方法对其进行可靠性分析,求得系统的故障概率和基本元件的重要度分布,为系统故障排查及优化升级提供理论支撑。其次,阐述了Copula函数相关定义,给出了常用的Copula函数表达形式。基于Copula函数理论,给出了相关失效下串联、并联和冷备件系统的可靠性模型表达形式,并对不同相关失效关系下系统的可靠度问题进行了对比分析。进而,对Copula函数进行多维化处理,基于多维T-S动态故障树模型,构建多维T-S动态故障树-Copula模型,提出相关性失效多维T-S动态故障树分析方法,能够适用于相关失效下受多因素影响的系统可靠性问题。基于多维T-S动态故障树重要度算法推导了相关失效下重要度表达形式。最后,以提升机液压站为研究对象,通过对其工作原理和故障机理分析,分别运用多维T-S动态故障树和相关性失效多维T-S动态故障树进行可靠性建模分析,求解得到系统故障概率分布,并运用重要度分析方法求解系统中基本事件重要度排序,针对系统薄弱环节进行改进以提升系统可靠性。

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： 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： 旋挖钻机   偏桅   液压系统   油液压缩性   受力补偿  

摘要： 旋挖钻机是一种适合在桥梁、铁路、楼房等基础设施建设中负责钻孔作业的大型机械设备,工作效率高,环境污染小,得到广泛的应用。新一代的旋挖钻机正朝向智能化控制方向发展,对旋挖钻机各系统的稳定性提出更高的要求。其中桅杆系统的垂直度保持性能是旋挖钻机的重要指标,研究偏桅问题的影响因素,并提高垂直度保持能力有着重要的工程意义。本文以仿真与实验相结合的方法,以某公司的旋挖钻机桅杆系统为研究对象,以元件优化和受力补偿的方法,实现桅杆垂直度保持能力的提升。从桅杆偏斜的直接原因入手,对影响因素进行分析,搭建桅杆系统液压和机械仿真模型。对旋挖钻机工作工况进行试验测试,并与仿真相结合,明确了各影响因素的影响占比。针对主要影响因素,提出平衡阀和自动调垂控制策略优化等多个优化方案,有效提高了桅杆垂直度保持性能。在本课题的研究过程中,具体进行了以下工作。首先,通过对现有桅杆系统支撑结构进行分析,明确桅杆油缸位移变化是偏桅的直接原因,并对桅杆油缸位移的影响因素进行分类整理。其次,分析桅杆液压系统和机械系统,并分别搭建仿真模型,通过仿真与测试相结合的方法,明确平衡阀补油和油液压缩对偏桅问题的影响占比,并针对两个影响因素制定优化方案。最后,根据主机实际情况选择平衡阀优化和自动调垂控制策略优化两种优化方案进行实施,对包括不同机型的多台主机进行优化试验,验证了优化方案的有效性和通用性。优化方案对桅杆系统进行了受力补偿,优化了桅杆垂直度保持能力,减小了最大偏斜角度,并降低了调垂频率,得到了企业和机手的一致好评。

关键词： 联合收获机   割台   液压系统   地表仿形   自适应调节  

摘要： 我国耕地情况复杂多样,目前国内联合收获机在田间作业时,仍通过手动控制液压阀来实现割台高度调控,自动化水平低,易出现割台触地、留茬高度不一致、调节实时性、准确性差等问题,严重影响作业质量和收获效率。针对上述问题,本文开展农业收获机械割台高度自适应调节系统的设计与试验,设计了一种地表高度仿形检测装置及割台高度控制系统,对提高割茬高度一致性、降低收获损失率等方面具有积极意义。主要研究内容包括:(1)针对目前割台高度检测装置存在的采集信号滞后、控制系统不能随地形对割台进行提前调控等问题,设计了一种前置轮式地表高度仿形检测装置,通过开展割台高度动、静态测试试验,验证了地表高度仿形检测装置在收获机处于静态及动态时的检测精度。结果表明:在收获作业割台调节范围内,地表高度仿形检测装置的静态检测平均误差为5.97 mm,动态检测平均误差为9.67 mm,检测精度符合使用要求。(2)针对原有割台升降液压系统控制精度低、速度慢等问题进行了系统改装,并对关键液压元件进行了设计与选型。通过开展液压系统响应速度试验,验证了优化后液压系统的可行性。结果表明:改装后割台下降响应速度升至0.244 m/s;改装后割台上升响应速度升至0.157 m/s,改装后系统响应速度明显提升。(3)为控制系统提高响应速度、减少调节次数,以降低液压系统调节过程中的能耗,设计了割台高度自适应调节控制系统,分别对系统硬件和软件部分进行选型和设计,并制定了控制策略,实现割台调节阈值为目标高度±10 mm。(4)开展割台高度自适应调节控制系统响应精度试验和响应速度试验,以验证在作业时割台高度自适应调节控制策略的可行性。水泥道路行走试验割台距地高度平均偏差为3.54 mm,田间路面行走试验割台距地高度平均偏差为6.09 mm,响应速度为182.59 mm/s,可满足使用要求。

关键词： 计算机辅助测试技术   液压系统   伺服加载控制   控制算法  

摘要： 飞行控制液压作动器在飞行控制中承担着改变飞机飞行状态的功能,但其维修检测技术存在发展滞后的问题。为验证飞控作动器在模拟气动力影响下能正常运行达到装机要求,且便于检测作动器性能参数,提出液压作动器测控系统设计。研制的液压作动器测控系统将计算机辅助测试技术、虚拟仪器技术以及滑模变结构控制算法相结合,用于检测作动器性能参数。搭建液压作动器测控系统的试验平台,分别设计系统硬件和系统软件。硬件设计包括液压回路设计、硬件选型以及信号给定设计。软件设计包括软件总体设计、数据采集与显示模块设计和人机界面设计。对液压作动器测控系统中伺服加载系统的控制算法选择进行研究,保证加载系统稳定运行。推导伺服加载系统的非线性数学模型,结合AMESim软件实现模型辨识,构建新的非线性伺服加载系统模型用以验证加载系统有效性,解决以往研究中存在的仿真系统与实际系统相差过大的问题。利用MATLAB/Simulink与AMESim软件对系统响应特性进行联合仿真分析,设计模糊自适应PID算法的模糊规则,完成滑模控制算法的滑模面以及控制器设计,并通过调节趋近率降低系统震动。为保证系统的稳定加载尽量减少震荡波动对试验的影响,选取滑模变结构控制实现加载力给定。通过负载试验验证液压作动器测控系统能够稳定运行,能提供40KN加载力,并控制作动误差在5%范围以内,满足设计要求。

关键词： 节能技术   液压系统   能量损失  

摘要： 随着能源资源的愈发紧张，节能技术的应用越来越广泛。尤其是在科学技术日新月异的今天，为了能够使液压配套设备在达到主机动作要求的基础上实现有效节省功率，并在实际的液压件生产以及配套压夜系统中能够提高效率，就需要注重节能技术在液压系统的设计与改造过程中的合理应用，不仅要对系统的功能、可靠性等指标进行综合考虑，而且还需要考虑能量指标以及各种不必要的损失等。本文主要分析了在液压系统中节能技术的应用现状以及导致液压系统能量损失的原因，并提出了在液压系统中优化应用节能技术的相应措施，以供实践参考。

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： 风力发电系统   数字多泵传动   恒转速闭环控制   准同期并网   控制策略  

摘要： 当今世界风电技术发展迅速，各国对风力发电系统的关注度也与日俱增。与传统的风力发电机型相比，液压型风力发电系统使用柔性的泵.液压管道.马达作为能量传输的媒介，省去了齿轮箱和昂贵的变频设备，大大降低了投资成本和机组重量，具有十分广阔的发展前景。目前液压传动型风力发电系统存在的关键问题有机组工作效率较低和机组恒转速控制及励磁控制困难等，因此本文对液压传动型风力发电系统的多泵切换方法、恒转速控制策略和准同期并网控制方法进行分析与设计。　　针对液压型风力发电系统低工作效率问题，本文使用基于风速.压差反馈的数字式多泵液压传动系统，通过数字编码的方式建立多泵系统的切换规则，根据不同风速状态下检测到的工作压差改变多泵系统的投切状态，调节其有效排量，从而使液压传动系统可以快速响应外界风速变化，最大化将风能转化为电能，提高系统的工作效率。　　在变量马达的恒转速控制方面，建立了变量马达调速系统的数学模型，通过对变量马达转速的稳定控制实现机组的恒转速输出。本文考虑了风力机转速变化对变量马达转速的影响，在直接闭式容积转速控制的基础上引入了马达摆角基准控制环和风轮转速反馈环，构成三闭环控制系统，通过控制变量马达转速恒定进而保证同步发电机的输出频率恒定。　　此外，为保证机组输出电压恒定且满足并网要求，对同步发电机的励磁控制系统展开研究，建立了机端电压闭环控制的仿真模型。本文针对蚁群算法优化模糊PID控制常出现的过早收敛问题，引入了最大-最小改进蚁群算法(MMAS)，通过指定信息素的更新规则来使最优的蚂蚁参与信息素的更新过程，从而使算法避免陷入局部最优，保证了控制效果的准确性。　　在完成了对机组的恒转速控制系统及励磁调压控制系统的设计后，采用准同期并网的方式验证其整体工作性能，分别分析了压差、频差、相角差对并网的影响并搭建了相应的控制器仿真模型，通过联合仿真实验检测了多泵液压传动型风力发电系统在实现并网后处于复杂工况时的响应特性以及并网状态，验证了该系统的可行性，为新型液压风电技术的发展提供了一定的实验依据。