关键词： 数控机床   液压系统   油液污染   可靠性设计   非等周期运维  

摘要： 装备制造业作为国家制造业的脊梁,是机械工业的核心,承担着为国民经济各部门提供“工作母机”的重任,数控机床作为具有高科技含量的“工作母机”,处于产业链核心环节,是整个工业体系的基石。然而,数控机床中液压系统故障频繁,其可靠性水平直接影响数控机床整机的可靠性,同时液压系统的故障具有随机性、隐蔽性和复杂性等特点,其带来的经济损失更是巨大。据统计显示,液压系统的故障在很大程度上是由油液污染直接或者间接引起的,其占比在60%-80%,其中固态颗粒物影响最大,占比为三分之二。因此,基于油液污染对数控机床液压系统进行研究具有重要的理论意义和实际应用价值。 本文以数控机床液压系统为研究对象,基于油液污染,面向液压系统布局设计及运维策略开展了研究,以较为经济的方式提升液压系统可靠性为目标,提出系统布局设计及运维策略。论文主要研究内容如下: (1)基于油液污染的液压系统布局设计的研究。首先,开展液压系统全局油液污染状态建模研究,建立通过有限几个油液污染检测点计算出系统任何部位的污染状态的液压污染传递模型;然后,油液污染及液压元件可靠性两者定量关系的建立隶属可靠性建模研究的范畴,即面向油液污染建立液压系统元件的可靠性模型;最后,开展多约束条件下的优化模型建立研究,制定液压系统布局设计模型;针对具体的设计任务开展实例研究,使用模拟退火算法实现模型求解。 (2)针对液压系统运维容易出现维护不足与维护过剩的问题,提出基于元件退化状态检测的液压系统非等周期运维策略。运用Gamma退化对液压系统各个元件退化状态进行可靠性建模;根据非等周期单部件的维护策略优化各个部件的总体维修次数及状态维修阈值,根据多部件的机会维修策略,优化多个部件整体维修的机会维修阈值,并根据建立起的成本优化模型,运用粒子群算法,求解最优机会维修阈值。最终获得了多部件液压系统的维护时间表。 (3)针对液压系统设计成本与液压系统运维成本之间成本存在关联的问题,提出了变权重下的液压系统设计及运维整体策略。首先,建立了不同液压元件在不同液压污染浓度下的退化模型;根据液压系统布局设计对污染程度的影响,以及变权重下液压系统布局设计的成本与液压系统运维策略的成本,建立了液压系统整体优化模型;根据模型及后续算例数据,通过改进的网格搜索算法,求解了液压系统整体经济条件下的液压系统整体策略。获得了不同外界污染浓度的液压系统的布局设计及此设计下的运维时间表。 (4)编写了液压系统布局及运维策略软件。以MATLAB App Designer为开发环境,根据系统的功能要求和模块关系,明确了界面的整体布局和交互逻辑。针对液压系统的布局设计、运维策略以及整体策略等子功能,分别进行了界面设计,编写出了操作简单,可视化强的液压系统布局及运维策略软件。最后,按照制定的测试计划和测试用例,对软件进行了全面、细致的测试。该软件能够协助数控机床设计及维护人员提高液压系统的运维效率和管理水平。

关键词： 液压系统   压力脉动   衰减器   衰减特性   实验验证  

摘要： 液压系统中的压力脉动是影响系统性能稳定性和噪声水平的关键因素之一。液压系统内部的压力脉动是指系统中压力在一定范围内快速波动或变化的现象。引起这种脉动的原因有多种,如系统设计缺陷、元件损坏、液体流动不稳定等。压力脉动的产生会危及整体液压系统的安全性与可靠性。因此提出一种能有效缓解液压系统内压力脉动影响的压力脉动衰减方法,对保证液压系统工作性能稳定有着重要意义。 本文围绕压力脉动衰减器的结构设计、工作原理、模拟与实验进行了系统性研究。基于流体力学和弹性力学方程,建立了液压系统压力脉动的数学模型,并进一步建立了考虑衰减器结构参数影响的压力脉动衰减模型。利用计算流体力学软件进行了CFD仿真分析,研究了脉动衰减器的结构参数、安装位置以及系统负载大小等因素对压力脉动衰减器衰减效果的影响规律。 在理论分析和模拟研究的基础上,设计并制造了不同参数的压力脉动衰减器实验样机,并搭建了液压系统测试平台进行了实验研究。通过比较泵源出口处与压力脉动衰减器出口处的压力脉动数据,验证了仿真分析与数值分析结果的准确性,并评估了不同的结构参数对脉动衰减器衰减效果的影响。实验结果表明,设计适当的压力脉动衰减器能显著降低液压系统的压力脉动,提高系统的工作稳定性和降低噪声。 最终,根据研究结果确定了一种新型压力脉动衰减器结构,为解决工程应用中液压系统压力脉动问题提供了理论指导和技术支持,本研究不仅深化了对液压系统压力脉动现象及其衰减机制的理解,也为液压系统设计和优化提供了新的思路和工具。

关键词： 换挡液压系统   阀式蓄能器   离合器   阻尼槽   参数优化  

摘要： 液力机械自动变速器(Automatic Transmission,简称AT)在重型车辆上的应用已成为主流趋势,其核心部分是换挡液压系统。合理地控制车辆在换挡过程中离合器工作压力变化,对提高换挡的平稳性以及乘车的舒适性有着重要的作用。蓄能器作为液压系统中的重要辅助元件,在换挡液压系统中引入蓄能器可有效降低换挡过程中存在的压力冲击,提高乘车的舒适性。本文针对某一重型车辆换挡液压系统中换挡离合器的充油过程,将蓄能器与滑阀功能相结合,创新设计出了一种带有阻尼槽的阀式蓄能器,它既有蓄能器吸收能量的特征,又有阀的泄压特征,可进一步降低换挡中的压力冲击,实现平稳换挡,提高换挡品质。本文要做的主要内容如下: (1)首先分析某重型车辆换挡液压系统的组成与工作原理,对换挡过程进行了动力学分析,并阐述了换挡离合器快速充油结束后产生压力冲击的原因,从而创新设计了一种带阻尼槽的阀式蓄能器,进一步探究其工作过程与吸收压力冲击特性。最后对换挡液压系统中重要元件进行数学建模,根据各元件之间的压力和流量关系,建立系统的传递函数,判断阀式蓄能器工作时换挡液压系统的稳定性。 (2)建立阀式蓄能器的CFD仿真模型,通过CFD流场仿真对阀式蓄能器流场特征进行研究,在精确计算流域流场分布的前提下,对影响流动特性的参数(节流面积、流量系数)进行计算。通过计算分析可知,随着阀式蓄能器活塞的移动,阻尼槽过流面积有四个不同变化阶段,呈先增大后减小的变化规律;随着活塞的移动,流量系数先减小后缓慢增大。 (3)基于AMESim搭建换挡液压系统仿真模型,给定系统中各元件的结构参数,对不同蓄能器形式、阀式蓄能器不同参数下的换挡液压系统缓冲动态特性进行研究。对阀式蓄能器参数进行优化设计,阀式蓄能器结构参数作为优化变量,快速充油阶段终止压力与缓冲升压阶段开启压力的差值作为优化结果,应用响应面法建立优化目标函数,应用遗传算法(GA)对目标函数进行迭代优化,通过分析优化结果得出阀式蓄能器最优参数。 (4)设计并搭建换挡液压系统实验台,进而验证仿真模型与结构设计的可靠性与准确性,可测试在不同系统压力与三种不同蓄能器形式对换挡液压系统调节压力的影响,实验结果表明:阀式蓄能器具有降低压力冲击的能力,阀式蓄能器相比弹簧式蓄能器降低换挡过程中的冲击效果更明显。

关键词： 液压系统   可靠性分配优化   T-S动态故障树   天鹰优化算法   逐维重心反向学习  

摘要： 在工程领域中,液压系统作为重要的传动系统应用广泛,尤其是在一些复杂的大型设备中。增强液压系统的可靠性可以提高设备正常运行的稳定性。然而,这通常会导致系统总成本的显著增加。因此,实现可靠性和成本之间的平衡至关重要。与传统方法相比,群智能优化算法在可靠性研究中具有明显优势。因此,本文提出了一种改进的混合天鹰优化算法,旨在对液压系统进行可靠性分配优化。 首先,针对于标准天鹰优化算法收敛过早、优化结果精度不足的问题,从改进搜索机制入手,将开发阶段能力更强的鸽群优化算法的种群更新机制引入到天鹰优化算法中,将二者更加合理地融合到一起,以提高天鹰优化算法的优化能力。此外,还提出了一种随机平衡因子以更好地平衡天鹰优化算法的探索与开发阶段。 然后,针对群体智能算法中种群多样性不足和容易陷入局部最优的问题,通过引入逐维重心反向学习策略,有效地避免了维度之间的干扰,从而提升了天鹰优化算法的种群多样性和脱离局部最优解的能力。随后,对改进的混合天鹰优化算法进行测试,并通过压力容器设计问题和拉伸/压缩弹簧设计问题来验证算法解决实际问题的能力。 最后,将所提算法应用于可靠性优化领域,本文从并联系统可靠性分配优化以及提升机液压站系统的可靠性分配优化两个方面进行研究和分析。以通用生成函数方法对串-并联多态系统进行可靠度分析计算,利用所提算法进行可靠性冗余分配优化,验证其在可靠性优化领域的适用性。并利用T-S动态故障树分析方法对TE160型提升机液压站系统进行可靠性分配优化,确定目标函数及约束条件,建立数学优化模型,并采用改进的混合天鹰优化算法进行求解。通过与其他几种算法的优化结果进行比较,验证该算法解决复杂优化问题的能力。

关键词： 木片   集装箱翻转机   液压系统设计   传递函数   AMESim仿真  

摘要： 木片是林业生产加工过程中产生的剩余物,是制作建筑装饰材料、手工艺品的原料。当前我国对木片的需求增加,但是由于木片在收集运输时主要采用人工或小型机械设备,缺乏专业化体系,造成运输效率低、成本高的问题,不能满足当前木片大规模综合利用的实际市场需求。针对以上问题,本文提出一款木片专用集装箱翻转机,将集装箱转载与物料装卸相结合,减少作业流程。 论文以自行研制的木片集装箱翻转机为研究对象,并分析其液压系统来提高运输效率。对木片集装箱翻转机的机械结构和工作原理进行分析,结合木片特点计算出集装箱可承载的木片重量,根据木片集装箱翻转机实际作业要求,分别对位姿微调机构、升降机构、平移机构和翻转机构进行力学分析,建立木片集装箱翻转机力学模型,得到位姿调节液压缸、升降液压缸、平移液压缸和翻转液压缸作业的时变载荷,得到木片集装箱翻转机液压系统设计要求。分析木片集装箱翻转机位姿调节机构液压系统、升降机构液压系统、平移机构液压系统和翻转机构液压系统的工作原理,设置木片集装箱翻转机液压系统工作压力,对液压系统关键元件分析计算,选取合适的位姿调节液压缸、升降液压缸、平移液压缸和翻转液压缸尺寸。论文采用AMESim软件建立位姿调节机构、升降机构、平移机构和翻转机构液压系统模型,对各机构液压系统进行同步载荷分析、时域特性分析和频域响应分析,并对液压系统关键参数进行分析。最后,以课题组自行研制的木片集装箱翻转机进行试验研究,通过位姿调节机构液压系统试验、升降机构液压系统试验、平移机构液压系统试验和翻转机构液压系统试验得到相关试验数据。 根据计算得到:位姿微调液压缸工作流量为35.3L/min、工作压力为3.9MPa,位姿纵调液压缸工作流量为70.7L/min、工作压力为1.7MPa,升降液压缸最大工作流量为29.4L/min、最大工作压力为19MPa,平移液压缸的最大工作流量为45.1L/min、最大工作压力为12.8MPa;翻转液压缸最大工作流量为10.3L/min、最大工作压力为17.7MPa,最终确定CBF-F40型齿轮泵为翻转机液压系统的动力元件。研究结果表明:所设计的集装箱翻转机液压系统符合设计要求,能够完成位姿微调作业、升降作业、平移作业和翻转作业。本文研究成果可为研制开发木片集装箱翻转机提供理论支撑,促进林业专用机械发展。

关键词： 马尔可夫过程   T-S动态故障树   维修策略   故障树重要度   RCM   液压系统  

摘要： 随着现代机械系统的复杂性提高,需要建立更精准的可靠性模型来分析机械系统以及更合理的维修策略来保证系统长时间稳定运行。T-S动态故障树由于具有良好拟合复杂系统失效行为的优点,在不可修系统的可靠性分析中显示出了较高的实用性,但对应可修系统的可靠性研究较少。针对此情况,本文将马尔可夫状态转移模型与T-S动态故障树进行结合,建立了可修系统的可靠性分析模型。同时,为了能够在维修过程中合理地进行资源分配,建立了T-S动态故障树重要度和机器学习算法相结合的系统基本事件分类规则,将具有相似重要度特征的基本事件归为一类并将类别按照维修优先级进行排序,再结合RCM方法对维修优先级高的事件建立预防性完全维修策略。通过将所建模型应用到某协调器液压系统中去,验证了其实用价值。具体过程如下: (1)基于马尔可夫状态转移模型分别建立不同维修策略下的微分方程组,并将微分方程组的解输入到T-S动态故障树中,实现了对采取不同维修策略后的系统的可靠性评估。 (2)计算出系统各基本事件的不同重要度,并以重要度为特征用K-means和KPCA算法对基本事件按照维修优先级进行分类和排序。 (3)将维修优先级最高的Ⅰ类事件建立RCM下的预防性完全维修策略。通过确定工龄更换模型和功能检测模型的最低维修成本和最大可用度找出元件最佳的更换周期和检测周期。 (4)将本文建立的模型应用于协调器液压系统的可靠性分析和维护策略的制定。根据协调器液压系统的运行原理和故障机理建立T-S动态故障树,计算出协调器液压系统顶事件随时间变化的故障概率,并利用本文建立的分类规则识别出协调器液压系统的Ⅰ类事件并确定其工龄更换周期,同时对维修后的协调器液压系统进行可靠性评估。

关键词： 舰船桅杆液压系统   污染   危害   控制措施   试验验证  

摘要： 结合舰船桅杆液压系统污染允许等级、使用温度以及换油指标等技术要求，对油液的污染物种类、来源以及危害进行详细分析，并从舰船液压系统设计、制造、装配和使用等方面提出针对性预防控制措施。舰船桅杆收放试验验证表明：实施针对性预防控制措施后，实现了液压系统污染控制，减少了液压控制系统故障，延长了液压系统的使用寿命，可为其他液压系统污染物分析和控制提供一定参考。

关键词： 虚拟现实   液压传动   实验教学   HTC VIVE  

摘要： 随着信息化技术和虚拟现实技术的飞速发展,教学模式逐步向VR和信息化技术结合的方向转变。在传统的液压实验教学中,学生一般都是被要求直接在实验台上进行操作,然而,这种模式往往伴随着不容忽视的安全隐患。除此之外,还存在一些传统实验教学普遍面临的问题,例如教学设备数量有限、学生实验次数受限,以及实验过程常受到场地空间的制约。在此背景下,针对《液压传动》实验教学存在的问题,本文在分析国内外虚拟现实技术在实验教学中运用的基础上,使用HTC VIVE作为交互设备,设计了一套沉浸式虚拟液压实验系统,并对虚拟液压元件装配序列规划、碰撞检测算法、虚拟空间位置传送、液压回路数学模型等关键技术展开了研究,本文主要工作如下: (1)确定了虚拟液压实验系统总体设计方案。在对虚拟液压实验系统进行功能需求分析和性能需求分析的基础上,采用分实验模块设计的方法,每个模块针对特定功能进行独立设计,并给出了虚拟液压实验系统的开发流程和各个模块的功能结构框架。 (2)针对液压元件的拆卸与组装实验和液压节流调速回路实验,本文在虚拟液压实验系统的基础上进行了关键技术研究:构建了用于虚拟空间物体传送的数学模型;开发了融合Oriented Bounding Box层次包围盒和Mesh包围盒的碰撞检测算法,提高了虚拟环境中碰撞检测的精确度;设计了一种基于优先级图法的虚拟液压元件拆装实验方案;建立了液压回路的可视化数学模型。 (3)在对系统关键技术研究的基础上,完成了虚拟液压实验系统的功能设计。首先,完成了虚拟场景的搭建和三维模型的建立与优化;其次,设计实现了液压传动基本知识学习功能,包括空间界面交互设计、音视频播放等功能;接着,使用规划好的装配序列,完成了液压元件虚拟拆卸与装配实验的设计,实现了在虚拟拆装实验中对液压元件的抓取和认知,从拆装预习、拆装训练、拆装考核三个模块进行虚拟拆装实验设计;最后,使用碰撞检测技术实现了液压回路的搭建,模拟粒子发射器工作原理实现了油液流体流动功能,完成了实验结果可视化显示和数据分析功能。 (4)完成了虚拟液压实验系统的测试。搭建好测试场景后,操作者可以使用HTC VIVE设备进行液压基本知识学习,然后进入液压元件拆装实验室进行液压元件拆卸与装配实验,最后可以完成液压回路实验。最终通过实验测试完成了各个模块的功能验证和系统的性能测试,验证了系统的可行性。