关键词： 挖掘机   液压功率流   主阀调节   输入整形控制   工况适应控制   性能优化  

摘要： 液压挖掘机是一种广泛用于土石方施工作业的重要工程机械,在能源环境发展要求和人机友好交互需求的不断推动下,人们对挖掘机节能性、操控舒适性的要求日渐提高。目前,多路阀液压系统是挖掘机市场主流的液压系统,具有集成度高、工作可靠等优点,但人-手柄输入特性、系统控制特性、负载特性三者难以友好兼容,系统液压功率的实际流动状态过度偏离期望流动状态,即供、需压力流量动态匹配度较低,主要表现为能效不高、稳定性差、协调性欠佳。因此,本文针对现有负载独立流量分配(Load Independent Flow Distribution,LUDV)、负流量多路阀液压系统工作性能的不足,开展基于主阀调节的液压系统功率流优化调控技术研究。多路阀液压系统特性及功率流调控模型分析。基于液压执行器容腔-阻尼-惯量模型,探究执行器的输入流量、回油动态液阻对其驱动压力特性和制动停止速度特性的影响规律,明确液压功率流优化调控的切入点;基于液压系统功率流调控模型,从供需压力流量匹配、工作腔压力动态调控、执行器流量比调节三个方面,探讨系统性能优化控制的基本方法,明确液压功率流优化调控的着力点。主阀输入整形及LUDV执行器稳定性优化控制。以LUDV回转-动臂系统为研究对象,根据负载的阶段变化特点将执行器运动过程细分为建压启动、惯性加速、稳定恒流、阻尼减速和停止振荡工况,并分工况开环调控主阀控制信号变化率,重点解决LUDV液压执行器驱动、制动过程压力动态稳定性差的问题。液压缸/马达驱动加速过程中,通过分段限制主阀流量增长率,主动调节执行器的惯性负载、驱动腔压力能存储与释放过程,抑制驱动压力波动,最大启动压力超调量从80%降低至16%;液压缸制动停止过程中,通过分段限制主阀控制压力变化率,减小回油阀口关闭速度、增加阀口阻尼减速作用时长,主动调节液压缸的制动停止初始状态参数,抑制负载惯性引起的压力振荡,最大制动压力超调量从74%降低至28%。基于6吨LUDV挖掘机关键液压、结构参数及测试数据,搭建可准确模拟真实回转、动臂提升工况状态的虚拟挖掘机,开展控制算法模型在环测试,验证输入整形控制原理的正确性。主阀修正调控及负流量挖掘机工况适应控制。以负流量回转-动臂系统为研究对象,在原液控主阀控制回路上增设电比例减压阀,对主阀开度进行修正调节并使之动态匹配工况控制需求,主要改善负流量挖掘机在液压缸压力超限、回转马达制动腔被动泄压、多路阀流量配比失衡三类特殊极限工况的能效、稳定性与流量分配特性。动臂缸压力超限工况下,采用按需供流控制,调节主阀-负反馈压力,减少泵流量供给,抑制动臂缸过载导致的泵溢流;回转马达制动腔被动泄压工况下,采用主动泄压控制,调节主阀以适时打开马达出油口,主动释放马达制动压力,抑制其被动泄压导致的回转反弹;复合动作工况下,采用执行器流量比或动作优先控制,调节主阀开度并重新按需分配双泵流量,实现多路阀流量分配特性的主动调控。基于37吨负流量挖掘机关键液压、结构参数及测试数据,搭建可准确模拟真实回转-动臂提升动作工况状态的虚拟挖掘机,开展控制算法模型在环测试,验证工况适应控制策略的正确性。控制代码开发及其调试验证。搭建离散化的输入整形、工况适应控制算法模型,并开发相应控制代码;将控制代码-虚拟控制器导入虚拟挖掘机,开展控制算法的软件在环测试,检验控制代码的预期控制功能;开展控制代码的虚拟调试,检验其在可编程逻辑控制器中的运行正确性,验证所设计控制算法的可行性。

关键词： 高速公路路面清扫车   盘刷模块控制   液压系统   非线性接触   仿真分析  

摘要： 盘刷模块作为高速公路路面清扫车的主要工作部件,其性能好坏对清扫车的清扫效果有着直接的影响。在清扫速度一定的条件下,盘刷的性能好坏受到盘刷转速、接地压力和倾角的影响。针对上述影响因素进行分析研究,以实现盘刷转速、接地压力和倾角随清扫速度最优匹配,保证盘刷始终能将垃圾颗粒抛射至指定位置。首先,介绍了盘刷的结构组成和工作原理。为了研究盘刷清扫效果受哪些因素影响,在ANSYS workbench中建立了盘刷刷丝与垃圾颗粒非线性接触模型以及盘刷与地面接触模型,分析了盘刷接地压力、倾角、转速和清扫车清扫速度对清扫效果的影响。为了研究各因素对清扫效果的共同影响,在EDEM中进行正交试验,得到不同因素对清扫效果影响程度大小的次序。其次,为了实现对各影响因素的控制,选择液压马达驱动盘刷旋转,电动推杆控制盘刷接地压力和倾角,并根据不同执行元件的控制要求,进行盘刷模块结构和液压系统设计、参数计算以及选型。为了得到各因素的控制关系,在MATLAB中编程推导得到清扫速度与最优盘刷转速、最佳接地压力和最佳倾角的对应计算公式,以及对应的电动推杆伸缩量。为了实现对各因素的控制,分别制定了对应的控制策略,设计了盘刷液压马达转速模糊PID控制器,以及接地压力和角度调节电动推杆PI控制器。然后进行了人机交互界面设计,用来显示实时工况参数。最后,为了验证控制效果,在Simulink和AMESim中建立了盘刷模块转速控制联合仿真模型,分析了不同负载条件下的转速控制效果。在Simulink中构建电动推杆模型,搭建盘刷模块接地压力和倾角PI控制系统模型,验证控制效果。同时,设计了盘刷转速控制实验。仿真与实验表明,设计的盘刷转速控制算法能够达到预期的控制效果,转速波动范围在0.6%以内,控制效果好。高速公路路面清扫车盘刷模块自适应控制系统稳定可靠,响应速度快,控制精度高,能够实现盘刷转速、接地压力和倾角的自适应控制,能够有效地提高清扫效率。

关键词： 风机盘车   电液伺服控制系统   同步控制   模糊控制   粒子群寻优算法  

摘要： 液压式风机盘车是用于风力发电机叶片水平式吊装作业的专用设备,起到驱动风机轮毂转动及轮毂位置保持的作用,以实现叶片与安装孔位的水平式对接组装。该型式风机盘车设备主要由驱动缸组、锁紧缸组、托架、支撑机构、液压系统及智能控制系统等部分组成,可以满足驱动6兆瓦级风力发电机组轮毂旋转的工作要求。文章主要针对盘车设备的液压系统与控制方案的设计进行研究。首先,针对现有的各式风机盘车设备进行了系统性的归纳总结,在吸纳了现有盘车的设计方法基础上提出了一种新型的采用液压缸驱动的风机盘车装置,以提高风机盘车的驱动效率、工况适应性及操作安全性。其次,针对所设计的液压盘车结构特点、技术要求及工作情况,设计了液压控制系统。而且为了分析盘车系统的控制性能,建立了各个元器件的数学模型,并整合成单路驱动缸的电液伺服控制模型和驱动缸组的同步运动控制模型。基于MATLAB软件中的simulink可视化仿真工具,建立系统数学模型,通过仿真评价了单缸系统的动态响应特性、稳定性和同步系统的同步控制性能。并将仿真结果用于引导后续的控制器设计与优化。再有,将PID控制和模糊控制应用于盘车系统,来提升系统的响应性能和同步运动精度。经仿真结果对比,验证了模糊PID具有实时在线调节控制参数的能力,而且它对系统控制性能的提升要强于传统PID。最后,使用粒子群寻优算法对模糊PID控制器进行优化,使得模糊规则可以更充分地指导模糊PID控制盘车同步系统运动。通过仿真结果比对分析,证实了粒子群模糊复合PID控制器对盘车系统的动态响应特性和同步精度具有优异的提升效果。风机盘车设备将液压控制系统与智能控制算法相结合,在极大程度上提高了盘车装置的控制精度、工作效率和可靠性,为相关大型风机装配设备的研发提供了新的思路。

关键词： 工程机械   液压系统   转盘式集中润滑   模糊自适应   机电液一体化  

摘要： 大型工程机械底盘行走和工作装置涉及到多种滑动和旋转机构,以挖掘机为例,动臂斗杆和铲斗以及左右行走和回转等摩擦副都需要良好润滑。若滑动副和旋转副支撑轴承润滑不良,容易引起机械效率降低甚至是事故。高性能轴承润滑系统一直是我国重大工程与高端装备的“卡脖子”基础零部件攻关技术之一。机电液一体化集中润滑技术是保证滑动和旋转摩擦副工作性能、提高机器效率和延长设备服役寿命的最有效手段,可为中国制造2025高性能工程机械开发奠定零部件基础。依据工程机械挖掘机底盘行走和工作装置润滑需求,提出多路自适应分油转盘式集中润滑系统。通过分析转盘式集中润滑系统的结构和功能,完成多路润滑油加注转盘式分油器的机械结构设计,包括驱动轴、内转盘、外转盘、端盖的结构设计。通过定性分析法和定量分析法进行分油器转盘驱动电机功率设计,确定电机驱动方式,并针对转盘式分油器的定位要求,提出驱动电机角度定位和转盘零点定位相结合的转盘油路精准定位方式。之后对转盘驱动电机与转盘的速度匹配进行计算,完成转盘驱动电机、传动用锥齿轮的设计与选型。针对挖掘机动臂斗杆和铲斗具有单独动作和复合动作工况复杂,负载具有非线性和快时变的特点,提出机电液一体润滑系统模糊自适应控制方法。分别设计动臂、斗杆以及铲斗单独动作和复合动作的模糊控制规则表。在完成模糊自适应控制策略设计后,进行软件程序开发,主要包括转盘驱动电机控制流程和基于模糊自适应的定时定量控制流程。利用Simulink建立模糊自适应控制策略,导入GT-SUITE仿真软件,建立挖掘机转盘式集中润滑系统仿真模型,进行不同工况下性能仿真研究。最后搭建工程机械转盘式集中润滑实验平台,实现16路润滑油道独立分油,管路油压最大压力为5MPa,最远润滑距离为15m。机电液一体化集中润滑系统大大减小传统自动润滑系统结构尺寸。转盘式集中润滑系统设计与智能控制技术研究,能有效提高工程机械结构件支撑轴承运行效率,为工程机械高效率长寿命运行奠定了零部件基础。

关键词： 打磨工业机器人   夹具设计   液压系统   运动学分析   工件缺陷检测  

摘要： 熔模铸造作为精密铸造技术的一种,常用来生产精度等级高且结构复杂的零部件。由于其工艺特点,铸件和模头之间需通过铸件浇冒口连接,且经过浇冒口去除工艺后,仍会有部分浇冒口余痕残留在工件表面。传统的余痕去除方式是通过人工手持特定打磨设备对余痕进行打磨处理,但是打磨加工环境极为恶劣,且人工打磨具有生产工作效率低、加工品质不统一等缺点。为解决上述问题,根据作业现场环境特点和机械性能指标,以工业机器人为主体,以视觉检测技术为辅助,设计了一种视觉辅助下的柱状铸件余痕打磨清理方案,提高了熔模铸造生产线自动化程度,保障了铸件加工质量。具体研究内容如下。首先,根据柱状铸件表面余痕特点,确定了针对余痕的打磨需求。分析各打磨影响因素对打磨质量的影响,确定砂纸磨具材料特性。研究了机械臂搭载下的打磨装置在磨削过程中的磨削力特点,求解出各磨削力分力极值与磨削功率作为确定机械臂与打磨装置型号的依据。其次,结合柱状铸件分支部位的特点,设计了一套在一定尺寸范围内可通用的柱状铸件夹具系统。根据工件在装夹过程中的受力特点,为各夹具安排了特定的动作顺序,并设计了相应的液压系统回路以实现各夹具按顺序完成夹紧或放松动作。采用PLC对夹具系统进行编程,通过实验验证了该夹具系统可行性。设计了搭载夹具与液压装置的夹具平台,并用ANSYS软件对其进行了静力学分析。为了实现机械臂柔性打磨,结合浮动打磨主轴设计了机械臂末端执行装置,在ANSYS软件中对其进行了模态分析。运用D-H法建立机械臂空间运动坐标系并对其进行正、逆运动学分析,在MATLAB中进行运动学验证并获得机械臂空间云点图。利用五次多项式样条插值进行机械臂末端轨迹规划,得到各关节的角度曲线。建立了机械臂动力学模型,并对该模型进行验证分析。最后,为使工业相机能从多角度对工件进行图像捕捉,将视觉采集模块搭载于另一台小型机械臂上,确定了双机械臂下的视觉检测辅助余痕打磨流程,并在ROS系统中进行了机械臂轨迹规划验证。为实现工件的缺陷识别检测与工件型号匹配功能,研究了图像滤波、增强的处理方法,改进了Canny算法以实现工件的轮廓检测,利用Hu矩算法实现了工件特征检测与型号匹配。最后搭建视觉检测实验平台,对工件的余痕、飞边等缺陷进行检测验证,证明机械臂搭载下的视觉检测系统满足设计要求。

关键词： 悬臂式掘进机   电液比例   PSO算法   非线性模型   液压系统   联合仿真  

摘要： 悬臂式掘进机作为煤矿井下重要采掘设备,随着工业化发展需要,对掘进机的性能要求不断提高。截割部作为悬臂式掘进机的关键部件,其性能高低决定着掘进机的采掘效率及使用寿命。因此截割部控制系统的研究对掘进机行业发展具有重要的现实意义。以EBZ200型悬臂式掘进机截割部为研究对象,首先对传统掘进机截割部液压控制系统进行改进设计,引入负载敏感技术及电液比例技术。结合截割部几何、动力学关系,确定截割部主要液压元件选型。以电液阀控液压原理为基础,建立截割部非线性数学模型,在Simulink环境中建立掘进机截割部控制系统仿真模型。利用粒子群算法(PSO算法)优化PID控制器,在matlab/Simulink环境中建立PSO-PID控制截割部控制系统仿真模型。通过对比PID控制模型仿真分析,在阶跃响应中,PSO-PID对该控制系统的超调量减少了1.6%,到达稳态的响应时间缩短了0.3s。表明了PSO算法优化PID控制应用于截割部控制系统使控制效果更佳。分析掘进机截割部液压控制系统构成及工作原理,对主要液压元件进行AMESim建模,建立掘进机截割部液压控制系统AMESim模型,对悬臂回转和升降动作进行仿真分析,验证了液压仿真模型可行性。最后在matlab中建立截割部控制系统模型,在AMESim中建立截割部物理模型,二者结合,建立基于matlab与AMESim的掘进机截割部机电液一体化仿真模型。同时引入PSO-PID控制、PID控制策略。将两种模式进行仿真对比分析,结果表明采用PSO-PID控制的联合仿真控制模型性能更优。论文将PSO智能算法应用于优化掘进机截割部控制系统,为掘进机智能化控制研究提供了参考价值,对掘进机类似机械设备智能化研究具有一定的借鉴作用。图[50]表[11]参[80]

关键词： 混凝土泵   蓄能器   液压冲击  

摘要： 某系列混凝土泵泵送液压系统回油冷却器发生批量性开裂故障，导致开裂故障的主要原因是泵送换向过程中液压系统回油压力冲击过高。在采取换向时降低液压泵排量措施后，仍然无法有效解决压力冲击问题。在此情况下提出加装蓄能器以减缓液压冲击，并介绍不同类型蓄能器的特点，给出通过理论计算求解蓄能器容积大小和充气压力的方法，并进行装机试验验证，确认皮囊式蓄能器可以有效减缓泵送液压系统的回油冲击。同时提出皮囊式蓄能器的皮囊寿命与累计泵送方量的关系，为混凝土泵的预防性维护提供参考。

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。