关键词： 飞机液压系统   FMEA   故障树   模糊故障Petri网   故障传播  

摘要： 飞机液压系统是飞机系统的重要组成,它是否能正常工作对飞机整体的安全与可靠性起着重要作用,因此对飞机液压系统的故障诊断是飞机维护的一个重要部分。但是由于飞机液压系统是一个包含机、电、液、气的大型复杂系统,其故障具有层次性和相关性,一个故障的发生很可能会引起别的故障的发生,因此还有传播性和不确定性等特点,使得故障诊断愈发困难,传统的故障诊断方法越来越无法满足需求,需要进一步研究故障传播机理,提高故障诊断的效率。本文在研究飞机液压系统结构和功能的基础上,对飞机液压系统的故障传播及诊断方法开展研究,为飞机液压系统的维修和维护提供依据,并选取油滤系统为例进行方法验证。本文主要研究内容如下:(1)对飞机液压系统的结构和工作原理进行分析,把液压系统划分成若干子系统。根据故障数据对其进行FMEA分析,根据FMEA分析结果建立飞机液压系统的故障树。(2)对飞机液压系统进行故障传播建模方法进行研究。本文以传统Petri网为基础,把模糊Petri网与故障Petri网相结合,提出基于模糊故障Petri网的建模方法,建立飞机液压系统的故障传播模型。(3)在飞机FFPN模型上开展故障传播推理,对飞机液压系统的FFPN模型进行正向推理和逆向的推理算法研究。通过正向推理,可以得到故障的传播路径和系统状态,实现对故障状态的评价;在逆向推理中,采取最小割集法进行故障源追溯,并引入故障易发率来确定最小割集的诊断顺序。(4)最后以油滤系统为例进行分析,验证以上模型和推理算法的正确性。并建立系统的仿真模型,寻找故障注入点,验证“油液污染”故障传播的途径和结果。

关键词： 巷道水泥摊铺机   行驶液压系统   AMESim   MATLAB/Simulink   联合仿真   模糊自适应PID  

摘要： 受煤矿巷道特殊施工环境的影响,大型施工机械无法驶入,且缺少特种环境下的防爆特性,大多数煤矿井下巷道路面采用传统的人工辅以小型机械设备铺筑水泥路面,严重影响煤矿开采效率。针对煤矿巷道的路面摊铺作业环境,本文设计和研究一种适用于煤矿的巷道水泥摊铺机行驶液压系统,通过仿真模拟对行驶液压系统对的参数设计和合理性验证展开研究,对摊铺机在煤矿巷道下提高作业效率和提升施工质量具有重要意义。本文主要研究内容如下:论文首先扼要阐述履带作为煤矿巷道摊铺机行走机构的优势,在运动学和动力学的理论和方法上,对巷道滑模水泥摊铺机进行整体化的研究分析。对摊铺机所受到的行驶阻力进行理论研究和数值计算,对牵引力是否符合行驶需求进行合理性验证;研究履带行走机构的驱动效率,对摊铺机整机牵引功率进行理论计算和匹配设计。其次对履带式水泥摊铺机在煤矿特殊工况下的行驶要求进行分析;在满足巷道下摊铺机行驶功能需求的情况下,并对行驶液压系统进行设计,对关键液压元件进行计算、选型和校验,确保行驶液压系统能够满足实际的工况要求。进一步地,简述仿真软件AMESim的功能和使用流程,阐述液压系统各子系统的仿真拟合度和原理并介绍液压仿真子模型的功能和特性,分析液压仿真元件模型的设计思路,对关键液压仿真元件的结构功能进行分析和等效处理,搭建符合水泥摊铺机行驶液压系统原路图的液压仿真系统。最后,叙述AMESim和MATLAB联合仿真相比传统仿真控制方法的优势和联合仿真的仿真环境设置;简述模糊自适应PID控制原理,对模糊控制器参数进行设定,制定模糊控制的规则表和分析模糊分布曲线图;在不同的模拟工况下对扭矩、压力和流量的变化进行分析,验证行驶系统在多种工况下的设计合理性,满足系统的设计要求。仿真结果表明:论文所设计的巷道水泥摊铺机行驶液压系统既能够保证摊铺作业的正常稳定工作,也能够满足煤矿巷道摊铺作业的行驶要求,具备良好的可靠性;使用联合仿真方法为相关工程车辆的研究和设计提供了一定的思路。

关键词： 液压系统   势能   再生能源系统   可再生能源   模糊PID控制  

摘要： 液压势能再生是液压挖掘机、汽车起重机、液压叉车等工程装备的首选液压节能技术,但是面向复杂的工程应用条件,传统的液压势能再生系统(HRPES)存在体积庞大、成本昂贵、回路复杂、转换环节多等诸多不足,是制约液压势能再生技术应用前景的关键因素。在本文中,考虑到空间和成本限制、低回收压力和液压回路干扰等问题,为了能够最大化的再生利用动臂下落的重力势能,以蓄能器、增压缸和组合式辅助缸作为关键部件,提出并设计了四种不同类型的新型HRPES。基于1.7吨液压挖掘机的试验平台,搭建了四种新型HRPES的仿真模型。在相同工况条件下,通过半实验半仿真的研究方式,对HRPES的能量回收与再利用过程进行了深入的分析和讨论。最后,为了让系统在能量回收与能量释放阶段既能保持能量回收高效,又能保证系统的工作性能与普通系统相似,结合所设计的HRPESs与挖掘机的特殊工作特性,通过在AMESim与Simulink的联合仿真平台上采用传统PID与模糊PID控制方法,从节能和可控的角度研究了四种新型HRPES的能量管理和控制策略。本文的主要研究内容如下:(1)针对当前研究难点,本文提出并设计了四种新型HRPES液压回路,并对能量回收和再利用的工作过程进行了分析和研究。同时还建立了 HRPES中主要液压元件的数学模型。(3)在AMESim中建立了无液压势能再生模块系统(No-HRPES)、液压势能再生系统-Ⅰ(HRPES-Ⅰ)、液压势能再生系统-Ⅱ(HRPES-II)、液压势能再生系统-Ⅲ(HRPES-Ⅲ)和液压势能再生系统-Ⅳ(HRPES-Ⅳ)的仿真模型,并根据SWE17-ED的规格参数为仿真模型的参数匹配提供依据。(4)建立了基于SWE-17ED的试验平台,初步验证了 No-HRPES仿真模型的可靠性。在此基础上对新设计的四种HRPES的可行性和可靠性加以验证。同时,测试样机的能耗以及运动特性也为新设计的液压回路的节能性提供了试验依据。(5)根据能量分析,HRPES-I～HRPES-IV的节能效率分别为16.02%、22.84%、21.95%和27.15%,其再生效率为54.43%、57.76%、53.55%和57.97%。根据能效分析结果得知,带蓄能器、增压缸、辅助缸的HRPES都能在一定程度上达到节能的效果。并且集增压缸、蓄能器和辅助缸于一体的HRPES-IV的节能效果最好,可直接应用于工程机械或作为节能工程机械液压系统设计的参考。最后,本文还进行了主要液压元件的能量损失分析。(6)为了提高系统的工作性能,本文结合所设计的HRPES与挖掘机的特殊工作特性,从节能和可控的角度研究了 HRPES-I～HRPES-IV的能量管理和控制策略。通过在AMESim与Simulink的联合仿真平台上建立带有PID和模糊PID控制算法的HRPES-I～HRPES-IV的系统模型,对系统液压阀阀口开度大小进行控制。结果表明,模糊PID控制是集原始系统与传统PID控制系统优点于一体的控制策略,这也反映出了模糊PD控制系统在本方案中的可行性。

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： 滑移装载机   液压系统   负载敏感液压系统   系统模型   能量利用率   仿真试验  

摘要： 滑移装载机由于其具有多功能性，结构紧凑、作业灵活，能够实现360°旋转，适合狭窄空间作业，在多项工程领域得到广泛应用。但是，由于目前WS85型滑移装载机工作机构液压系统的设计采用定量泵供油，在原动机转速不变的情况下，定量泵输出的流量始终保持恒定，不能跟随负载的变化而自动调整，而产生节流、溢流和卸荷能量损失。　　工作机构液压系统作为滑移装载机的作业动作控制系统，该系统工作循环的能量损耗对整台机车的能量利用与能量节约具有一定的影响。本文以WS85型滑移装载机工作机构液压系统为研究对象，总结了液压系统节能技术的发展、工程应用及关键技术，并结合目前WS85型滑移装载机工作机构液压系统特点，分析了工作机构在一个工作循环周期中各阶段的能量分配与系统效率，设计了WS85型滑移装载机工作机构负载敏感液压系统代替定量泵工作机构液压系统，并对滑移装载机负载敏感液压系统主要元件进行了分析。　　在计算分析基础上，利用AMESim液压仿真平台搭建了负载敏感液压系统中负载敏感变量泵、多路阀、调平阀等关键元件的仿真模型，并根据实际参数对各元件和系统进行了仿真分析，建立了滑移装载机工作机构ADAMS动力模型，完成了滑移装载机工作机构负载敏感液压系统的AMESim模型和工作机构ADAMS动力学模型的联合仿真，仿真结果显示负载敏感工作液压系统在一个工作循环周期内能量消耗比定量供油液压系统降低58×103J，能量利用率提高44.2%。　　在滑移装载机工作机构负载敏感液压系统试验中，测试了空载状态下滑移装载机一个工作周期所消耗的能量，与仿真相比误差率为4.2%，测试了1吨标准载荷下泵的出口压力、流量及工作油缸的压力，试验结果与仿真结果基本一致。

关键词： 机载液压系统   健康管理   深度学习   卷积神经网络   长短期记忆网络   残差结构  

摘要： 液压舵机作为飞控系统的重要的组成部分,其性能直接影响飞机的安全运行,同时在航空公司定期维护中,目前仍以传统的定期维修、事后维修为主,造成严重的人力财力浪费。在液压舵机系统日益发杂的环境下,以数据驱动为核心的健康管理技术成为解决上述问题的关键。故文本以日益成熟的深度学习为基础,对液压系统故障诊断与预测方法进行探究。针对液压系统建模困难、需靠专家经验对数据进行筛选和普通机器学习算法诊断精度不足的问题。本文提出了适用于本文升降舵液压系统数据的改进1D-CNN故障诊断算法。首先,使用一维卷积代替传统二维卷积,有利于原始数据时序特征的保留。并且在卷积层末尾连接全局均值池化层,起到了减少模型参数和降低过拟合风险的作用。其次引入残差结构,经过实验选择合适的跳层连接方式。并且每个残差块加入挤压与激励优化算法,对同一层不同维度特征图进行自适应加权。有效解决了网络层数过高带来的模型性能下降的问题。基于文献与调研数据,利用AMEsim软件实现对故障数据的获取。实验表明本文提出算法有较强的故障诊断准确率,相比同层数普通卷积网络,性能提高6.9%。残差结构、挤压与激励优化算法对模型均起到了提升性能的作用。对比本文网络与普通卷积的T-SNE降维可视化图,本文网络对特征的汇聚明显更集中,且不同类别数据没有发生交叉现象。在不同噪声环境中测试模型的抗噪声能力,结果显示,随着噪声强度的增大,本文模型优势越明显,在含30%噪声的环境中本文模型相较普通网络性能提高8.7%。针对寿命预测算法的特征提取能力不足,本文提出一种基于CNN与LSTM的融合算法。首先利用pearson相关系数、均方误差、随机森林等方法对多维传感器数据进行特征筛选。其次利用CNN的强大特征提取能力,设置4个分支,每个分支使用不同卷积核从不同方向特征提取,将采集到特征输入Bi-LSTM,从前后两端处理信息。由于液压寿命数据集的匮乏,本文采用公共数据聚集C-MAPSS对所提方法进行实验验证,实验表明本文算法的寿命预测精度相比CNN、LSTM,分别提高了14.9%、12.1%。

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： PID   前馈控制   轨迹跟踪   液压系统   二自由度系统  

摘要： 随着经济和科学技术的不断发展,工业生产效率一定需要不断的去提高和改善,因此企业对复杂机构的高精度控制的要求也越来越高,研究人员长期以来一直在寻找能够获得更高控制性能的先进控制方法,当下比较先进的解决方案是使用基于动力学的控制,也就是基于前馈加反馈控制。本文将以一自由度和二自由度机器人系统作为研究对象,分别采用PID控制和前馈控制两种控制方法进行轨迹跟踪仿真实验,通过仿真实验对控制器的控制性能做综合对比,选择出控制性能更佳的控制器。首先,本文对机器人机构和前馈控制做了简要的说明,由于将前馈控制直接建立在子系统动力学基础上可以看作是解决复杂系统控制问题的有效方法,本文根据基于子系统动力学的前馈控制的研究方法和二自由度机器人的结构特点,建立了完整的运动学和动力学模型,进一步来说明基于子系统动力学的前馈控制作用在机器人系统上是如何工作的。其次,对液压驱动系统进行了数学模型的建立,以及传递函数的转换。根据PID控制和前馈控制的特点,对两种控制方法设计了控制器,在Amesim中搭建了适合两种控制器的质量块模型,进行仿真,验证了控制器设计的正确性。然后,在MATLAB环境下,对该机器人运动学参数和控制器参数进行了设计,利用工具编写了程序语句,搭建一、二自由度机器人的几何模型和运动学模型,并对机器人的轨迹跟踪进行了仿真。本文还利用Simulink搭建了二自由度系统的模型进行仿真,通过调整前馈控制器参数,达到了良好的控制效果,验证了前馈控制的有效性。之后,在Amesim中搭建了液压驱动一、二自由度系统模型,利用轨迹跟踪实验来分析前馈控制的控制效果,通过PID控制与前馈控制的控制性能的综合对比来说明前馈控制的优越性。最后,考虑到前馈控制的控制参数对系统的跟踪效果的影响,通过对前馈控制中的三种控制参数进行不同数值的仿真比较,分析不同的控制参数对系统的不同影响。

关键词： 自动修井机   液压系统   液压仿真   游动系统   液压吊卡  

摘要： 我国当前自动化修井机的发展速度慢、程度低,且产品单一,修井机液压系统经常出现诸如控制元件稳定性差,液路压力损失较大等突出问题。为了解决这些问题,本文对XJ80Z自动修井机的液压系统以及游吊系统进行了设计与分析。本文首先针对自动修井设备以及相关的液压技术的发展现状进行了分析研究,在阅读了大量文献的基础之上,提出了XJ80Z自动修井机的总体设计方案,液压系统设计方案以及新型游吊系统的设计方案。通过分析XJ80Z自动修井机的工况,采用模块化的方式分别设计了XJ80Z自动修井机的底座系统液压回路、上卸扣系统液压回路、管柱处理装置液压回路、游吊系统液压回路等,并对执行元件进行了计算与选型。通过分析各个分系统的工作流程提出了控制策略,并对液压回路进行了分析。采用整合的方式设计了XJ80Z修井机的整机液压系统,并对回路中的动力元件(液压泵、电动机)和辅助元件(油箱、蓄能器、冷却器、过滤器等)进行了计算与选型。最后运用液压仿真软件AMEsim对XJ80Z自动修井机的重要阀件如双向液压锁、同步分流阀、组合式平衡阀进行了建模,对底座系统、上卸扣系统、管柱处理装置、游吊系统的重要液压回路进行了仿真,并对仿真结果进行了数据分析。完成了游吊系统和液压吊卡的主要结构设计,利用Creo6.0软件建立了液压吊卡的三维模型,对液压吊卡的几个关键受力部件进行Ansys有限元的静力学仿真计算。

关键词： 多车编队   联合运输   液压系统群   协同控制   领航跟随策略  

摘要： 大型工程运输中,多车编队协同作业可以更好地完成单车无法完成的工作,并具有高效率、低成本等优点。多车形成编队,组合方便,模式多样,通过信息传输和控制系统能够协同作业完成运输任务,大大节约施工时间,提高运输的安全稳定性,在大件运输中具有广泛应用前景。在研究各种多智能体编队控制理论和大型工程运输车联合作业的基础上提出多车编队作业液压系统群协同控制精度研究。根据实际工程运输需求,多车编队可以有多种组合模式,多车编队协同作业的关键是队形保持。多车编队将构成庞大的液压系统群,传统的控制方法很难实现稳定的队形控制,必须在单车稳定控制和环境感知的基础上,依靠多车液压系统群的高精度协同控制才能实现。本文对多车编队作业液压系统群协同控制进行了深入研究,提出了多车编队作业液压系统群协同控制策略,旨在提高多车编队作业液压系统群协同控制精度,主要研究工作如下:(1)针对多车编队理论进行研究,建立编队一致性运动模型和转向运动模型,并对多车编队队形控制方法、传感和通信问题进行研究,设计出多车编队CAN总线控制系统;针对多车编队领航车的路径追踪控制,提出采用视觉定位方式和纯路径追踪控制策略,并进行了仿真和实车试验;(2)选择四车编队作业协同控制为研究对象,针对编队同步行驶驱动液压系统群控制设计出领航跟随PID控制器,并进行了稳定性判定和同步控制仿真;(3)对编队多悬挂液压系统群控制进行研究,通过分析四车编队运输的运载支撑模式,得出四车编队的安全承载区域,并提出了调平控制策略;设计了多车编队悬挂液压系统群的同步升降位移和压力双闭环PID控制器,并进行了悬挂液压系统群的同步升降控制仿真分析;(4)对编队转向液压系统群控制进行研究,分析了运输车的转向机构和转向液压系统,建立转向液压系统数学模型,并根据阿克曼几何转向的基本运动原理,推导出四车编队各转向模式下的轮组转角数学模型,设计出转向液压系统群协同控制器,并进行了仿真;(5)将上述控制策略用于四车编队运输大型预制梁,分别进行了悬挂同步升降、同步行驶和转向协同控制试验,通过现场采集数据,结果表明此控制策略精度高、响应快,可以保证多车编队协同运输的安全性和可靠性。最终四车编队用于实际工程运载,验证了控制策略完全可以实现安全可靠的多车编队联合运输,研究成果可以为各类运输车编队作业高精度协同控制提供理论依据和设计方法参考。