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： 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。

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： 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： 液压系统   发动机驱动泵   断轴   预测性维修  

摘要： 飞机液压系统发动机驱动泵（EDP）故障会导致飞机操作系统和其他重要系统失去液压动力源，造成飞机返航备降和运行中断。为了实现对飞机液压泵失效的故障监控，本文以A320机型为例，通过分析液压系统中核心部件液压泵的工作原理，并收集故障样本，根据液压泵断轴的故障模型，采集液压系统涉及的关键参数，对液压系统压力和温度进行分析，统计历史航班数据，总结出针对此类故障预测性维修监控的方式方法。

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： 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： 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： 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。

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。