多执行器载荷差异储能均衡系统特性

针对阀控多执行器复合作业系统节流损失大、动势能浪费严重等问题,提出一种多执行器载荷差异储能均衡原理。首先对多执行器系统功率分配特性进行分析,明确了载荷差异产生节流损失的原因是动力源压力与最大负载相匹配,导致其他执行器控制阀产生过大的压力损失。然后建立了载荷储能均衡液压挖掘机联合仿真模型。并设计电液储能单元控制各执行器进油腔的压力相等,从而消除执行器载荷差异造成的节流损失。在动臂、铲斗同时动作时,与流量匹配系统相比,所提系统节流损失降低达75%,系统效率提升39%;同时,电液储能单元实现了传统压力补偿器的压差调控功能,显著提升了系统运行平稳性。

基于双蓄能器切换的非对称泵势能回收系统

针对挖掘机动臂在下落过程中单个蓄能器回收势能效率有限的问题,提出一种高低压双蓄能器切换的能量回收策略。基于能量回收原理,利用计算机仿真软件SimulitionX,根据工作装置的三维结构模型建立3D仿真模型和液压系统仿真模型。在此基础上研究挖掘机工作装置姿态对动臂势能回收效率的影响,对不同作业模式下蓄能器不同压力时的动臂伸缩过程进行模拟分析。最后调查统计了某工地挖掘机某段时间内的作业情况,并进行了计算分析。结果表明:挖掘机在该作业情况下,使用3 MPa和5 MPa的高低压双蓄能器回收能量比使用3 MPa的低压蓄能器效率提升29.23%,比使用5 MPa的高压蓄能器效率提升9.06%。

湿式离合器局部润滑与摩擦特性的温升影响研究

针对湿式离合器因局部润滑工况恶化而加速失效的问题,本文中建立带有表面微凸峰接触的摩擦副微观润滑摩擦计算模型,并结合小试样销-盘试验,研究温升对湿式离合器润滑油膜承载力、微凸峰接触力和接触面积、载荷承担比、局部温升和摩擦系数等的影响规律,揭示湿式离合器局部润滑与摩擦特性的温升影响机理.结果表明:随着温度从30℃升高到150℃,虽然湿式离合器摩擦副间润滑油膜的载荷承担比由约97%减小至约57%,但其仍是摩擦副间载荷的首要承担者,此外,温升过程中实际接触面积率快速增大,局部摩擦温度快速升高,摩擦系数从不足0.04快速增大到约0.11,当温度高于90℃时,摩擦系数的增大速度与实际接触面积的增大速度基本一致.

载荷对油膜界面滑移及弹流润滑特性的影响研究

为探究恶劣工况下机械传动系统中摩擦副润滑失效的形成和演变机理,建立考虑油膜界面滑移的点接触弹流润滑模型,进行仿真计算,并开展双色光干涉弹流润滑试验,研究载荷对弹流润滑中油膜界面滑移的影响,进而研究界面滑移状态下卷吸速度、流体动压、油膜厚度、滑移参数等随载荷的变化特性。研究结果表明:随着载荷的增大,界面滑移幅度和滑移范围均显著增大,滑移区域卷吸速度明显下降,滑移区域动压分布趋于均匀,滑移区域产生膜厚堆积并出现入口凹陷特征,滑移区域形状逐渐呈“半月牙形”特征。

对称/非对称泵控非对称缸系统四象限工况运行特性对比

闭式泵控系统驱动非对称液压缸时,需要增加复杂的大流量补偿回路来补偿非对称缸两腔面积差引起的非对称流量。挖掘机作业负载力较小时,补油腔和控制腔频繁切换,补油阀开启状态不稳定,难以实时匹配大流量的油液补偿。同时大流量油液频繁流动造成速度和压力波动,产生液压冲击,影响系统的平稳性。提出非对称泵控非对称液压缸系统方案,利用非对称泵自身结构匹配非对称流量。以典型四象限工况执行器斗杆为对象,构建非对称泵控和对称泵控斗杆挖掘机仿真模型,对比研究运行特性。结果表明,该系统无需大流量补偿即可平衡非对称流量,消除了速度和压力波动,且发现四象限工况切换和速度、压力波动的产生是不同步的。

液电串联驱动挖掘机回转系统能耗特性研究

针对液电混驱回转装置制动能量高效回收与利用问题,提出基于电机转速控制模式与转矩控制模式的控制方式。首先,对液电混驱回转系统进行理论与原理分析;之后,在AMESim中对该系统进行了仿真分析,并为后续实验提供参考;最后,通过实验对比分析了转矩模式与转速模式差别。结果表明:转矩模式相对于转速模式运行过程更平稳,功率无波动;转速模式更有效利用蓄能器能量,相对于传统挖掘机节省48.4%,比转矩模式节省42%;转矩模式超调量比转速模式大8%,整体上转速模式优于转矩模式。

闭式泵控液压-机械直线执行器的离散PID控制

液压驱动因其功率密度高、直线输出力大,广泛应用于装备制造领域。但非对称液压缸受两腔面积差的制约,在阀控系统中需要用非对称阀控制,在闭式泵控系统中需要增加额外的补油回路。而电动缸具有对称的输出力和较高的能效,解决了非对称液压缸面积差的影响,但功率密度低使电动缸难以满足低转速大扭矩的高负载工况。针对上述问题,提出了液压回转与机械直线转换相结合的新型驱动方式,采用闭式泵控马达驱动滚珠丝杠带动活塞杆动作。由于在闭环控制中单一的PID难以满足全负载工况,系统采用局部最小化优化方法自动寻找最优PID参数,生成离散PID图表并根据负载自动选择对应的PID参数控制以减小负载干扰。结果表明:离散PID自动调定的系统能避免负载变化产生较大干扰,在变负载和目标位移情况下,离散PID参数自动调整的响应曲线阶跃下降和上升的稳态误差最大分别为4.5 mm、3.0 mm。

基于转矩控制的变转速定量泵的运行特性研究

采用变转速电机驱动定量泵作为电液动力源时,通过控制转速来实现压力控制,难以适应负载流量快速变化的工况。而采用伺服电机通过直接转矩控制的方法驱动定量泵实现压力控制,与变转速控制压力相比,具有动态响应更快的优点。但受转速等非线性因素影响,使得转矩与压力具有非线性对应关系,在开环控制时,压力控制偏差较大。为此,在开环控制压力时,采用可以迭代离线生成的转速、压力控制偏差二维图表来进行转速补偿。通过理论分析与数字仿真进行研究,结果表明,在相同条件下,与用拟合曲线进行转速补偿的压力控制方案相比,该方案的压力控制误差降低为2%,可以更好的实现压力控制。

电液伺服增压系统压力冲击抑制方法研究

传统阀控增压系统通过开环控制换向阀来控制双作用增压缸高频次往复运动进而达到高压容腔的工作压力,但开环控制换向阀频繁阶跃换向会导致巨大的压力冲击,易造成系统元件损坏与管路破裂等问题,影响系统稳定性和可靠性。因此,基于增压缸位置闭环与主动调节液压泵输出压力的复合控制策略连续调节换向阀的阀芯位移,从而减小增压缸系统工作过程中液压冲击。利用多学科仿真软件SimulationX搭建所提增压系统液压仿真模型,与传统阀控增压系统试验所得曲线对比。结果表明:所提系统增压缸油腔刚启动时压力冲击由19.45 MPa降低为7 MPa,运行过程中增压缸油腔压力冲击由4.8 MPa降低为1.11 MPa,液压泵压力冲击由18.3 MPa降低为2.8 MPa。此方法可有效降低增压系统压力冲击,具有良好的减缓冲击效果,有助于增强系统可靠性,延长元件及系统寿命,降低运维成本。

装载机电液混合流量匹配转向系统特性研究

为提高传统装载机能量利用率,提出采用变转速定量泵独立供油的电液流量匹配转向原理,用于控制装载机转向,将装载机方向盘转向角速度与伺服电机转速进行合理匹配,使液压泵输出相应流量到转向系统中,当无转向信号时,转向动力源不输出流量。若电液流量匹配转向系统出现故障,则该液压转向系统经电磁阀自动切换到原有转向系统,继续完成转向作业。首先建立铰接式装载机机械结构动力学与电液混合系统联合仿真模型,利用该模型对电液流量匹配系统的转向过程进行仿真,进一步建立试验测试样机,对转向系统的动态及能耗特性进行测试,并与原有转向系统的转向特性进行对比。研究结果表明:采用电液混合流量匹配转向系统,可减少转向过程的节流损失并消除溢流损失,节能约16%,并可减小压力冲击和波动,系统的稳定性也得到明显提高。

一种新型的装载机电驱泵控液压转向系统

传统装载机的负荷敏感转向系统存在较高的溢流损失和节流损失,转向过程中能量损耗较大.为提高转向系统的能量利用率,提出一种电驱闭式泵控液压转向系统,采用电控方向盘代替原转向系统中的转向阀和方向盘直接控制同步伺服电机,同步伺服电机转速直接由电控方向盘控制,使液压泵输出转向所需的流量到转向液压缸中.研究中,为验证该系统的可行性,首先建立联合仿真模型;然后构建该转向系统的试验测试样机进行验证,并对比原负荷传感转向系统与改进系统在相同转向工况下的工作特性.由试验结果可知,电驱闭式泵控液压转向系统消除负荷敏感转向系统的溢流损失和节流损失,并降低了转向系统的待机能耗,比负荷传感转向系统节能约56%,提高了转向系统的响应速度,使转向过程更加平稳、迅速.

泵阀双源协同驱动多执行器系统特性研究

针对工程机械等多执行器复合作业装备中阀控系统节流损失严重、泵控系统装机功率过大的问题,提出一种泵阀双源协同驱动多执行器系统。首先对不同系统能效机理进行理论分析,明确了载荷差异造成阀控系统大量节流损失的根本原因是各执行器驱动腔压力不同。在此基础上,设计了基于所提系统的极低压损控制策略。然后,借助SimulationX仿真软件,建立了37 t液压挖掘机仿真模型,通过试验验证了模型的准确性,并进一步建立了泵阀双源协同驱动和电液流量匹配系统液压挖掘机联合仿真模型。最后,分析对比动臂和铲斗空载复合动作工况下,所提系统与电液流量匹配系统的运行特性和能量特性。结果表明:与电液流量匹配系统相比,所提系统显著改善了重载执行器响应滞后现象,提升了系统运行平稳性,同时大幅降低了载荷差异造成的轻载执行器回路压力损失,整机节流损失和能耗分别降低了67.2%和39.8%。本研究可为降低多执行器复合作业装备节流损失提供全新的解决方案。

基于三容腔液压缸的装载机举升系统能效特性

为消除装载机阀控液压系统在举升和下降过程产生的节流和溢流损失,并回收举升过程中积累的重力势能,提出由三腔液压缸和闭式泵控组合的高能效液压驱动系统。首先,将现有非对称液压缸中的柱塞杆改为中空结构,设计中空腔室柱塞腔与有杆腔的面积相等,两腔室直接与液压泵进油口和出油口相连,构成闭式泵控回路,第三腔室直接与蓄能器相连,构成液气储能单元;然后,根据工作原理和理论分析初步确定系统基本元件的参数,构建所提出的系统的多学科联合仿真模型,通过动态特性的仿真分析,验证系统的可行性;最后,搭建高能效液压驱动系统试验样机验证仿真结果的准确性,并分析不同势能回收腔压力对系统能效和特性的影响。研究结果表明:采用闭式泵控液压系统,不仅完全消除了节流损失,还通过伺服电机驱动定排量液压泵,实现了动臂液压系统供需流量匹配;蓄能器与液压缸第三腔重力势能回收腔直接相连,下降过程中可直接回收利用举升系统动力势能,当此腔压力为5 MPa时,所提系统能量回收效率最高,可达79.4%。

纯电驱液压挖掘机复合动作电液能量回收再利用系统研究

为了改善纯电驱液压挖掘机工作过程中大量能量浪费的情况,提出一种基于超级电容和蓄能器的挖掘机复合动作能量回收与再利用系统。首先对该系统的主要元件进行参数匹配和泄漏分析,然后基于SimulationX平台建立某6 t纯电驱液压挖掘机能量回收再利用系统仿真模型,对标准工况下的一个循环周期进行运行及能耗特性的仿真研究。结果表明,该系统比原纯电驱液压挖掘机系统实现了29%的节能,达到了良好的节能效果。

工程机械作业机构能量回收技术研究现状

我国是全球最大的能源消费国,环境问题、原油进口和短缺危机已经成为我国持续发展的沉重负担。工程机械是我国的重要支柱产业之一,提高其能源利用效率是满足国民经济发展能源需求和应对环境问题的有效途径。针对工程机械许多作业机构都存在向系统回馈能量的情况,从工程机械动势能回收技术方面,介绍了对大质量和转动惯量的高频次作业机构进行节能降耗的主要技术进展和新的研究成果。希望能从能量回收原理和方法,推动行业发展和技术进步,从而提升我国工程机械的质量和水平。

基于多核CPU的复杂液压产品快速并行优化方法

为缩短复杂液压产品的研发周期和提高系列化产品的开发效率,提出一种基于多核CPU的复杂液压产品快速并行优化方法。该方法利用粒子群算法寻求产品设计参数的优化和性能指标的约束,将每个仿真程序视作粒子群个体。采用两级加速策略,即CVODE求解器加速和多核CPU加速。以非对称轴向柱塞泵三角槽优化设计为研究对象,通过物理样机试验对CVODE求解器加速方法的准确性进行验证,结果显示,试验与仿真结果吻合度较高。利用粒子群算法对三角槽主要参数进行优化以降低泵输出流量脉动。对比三角槽结构优化前后的流量脉动率,结果显示,在不增加柱塞腔压力的条件下,非对称轴向柱塞泵三角槽优化后的流量脉动相比优化前降低了36%。该方法可脱离专业仿真软件平台,能够独立运行于Windows操作系统,解决液压动态仿真对专业软件依赖的问题,且多进程比多线程编程更容易实现。在8核CPU工作站仿真条件下,与SimulationX平台仿真方法相比,该多核CPU并行方法的仿真效率提高10倍以上,与双核计算机并行运行效率相比提高近5倍。

基于自然增长的细胞群粘附数值模拟

细胞群通过表面的粘附分子不断聚集的过程称为细胞群粘附,是生物学许多研究领域(早期的胚胎发育、组织的新陈代谢以及肿瘤生长等)的基础.考虑细胞群的自由运动和细胞群互相之间的粘附力作用,并引入Logistic模型来描述细胞群自身的自然增长,从宏观的角度研究细胞群粘附现象,构建出一个细胞群粘附模型;其数值模拟结果与实验结果较吻合,能定性地对不同种类细胞群粘附的最终形态做出预判.

变排量非对称轴向柱塞泵抗扰控制及并行整定方法

针对变排量非对称轴向柱塞泵因斜盘振荡严重而引起流量脉动较大的问题,提出将变量阻力矩视作干扰信号,采用抗扰控制算法来提高其变排量控制性能。通过SimulationX和Simulink平台联合仿真,对比在不同频率的变量阻力矩作用时常规PID(proportion integration differentiation,比例积分微分)控制、指数收敛干扰观测器控制、非线性PID控制、自抗扰控制和滑模控制下变排量非对称轴向柱塞泵斜盘角度的响应特性,以得到最合适的抗扰控制算法。在此基础上,提出一种基于粒子群优化(particle swarm optimization,PSO)的控制参数并行整定方法。仿真结果表明,在10,20和100 Hz干扰信号的作用下,滑模控制下变排量非对称轴向柱塞泵斜盘角度的波动量为常规PID控制下的1.7%,2.2%和23.0%,说明滑模控制算法能大幅减小斜盘振荡和流量脉动。基于PSO的控制参数并行整定方法有效地减小了滑模控制的跟踪误差,整定后的最大超调量减小了87.5%;且该并行整定方法可脱离专业仿真软件,与SimulationX平台仿真相比,其仿真效率提高了10倍以上。研究结果对常规液压控制系统的仿真优化有一定参考价值。

基于VMD-MDE和ELM的柱塞泵微弱故障诊断

针对早期微弱故障信号易受噪声干扰、难以提取和识别的问题,提出一种基于变分模态分解(variational mode decomposition,简称VMD)多尺度散布熵(multiscale dispersion entropy,简称MDE)和极限学习机(extreme learning machine,简称ELM)的柱塞泵微弱故障诊断方法。首先,采集各状态的振动信号进行VMD分解,得到若干模态分量,根据各模态分量Hilbert包络谱中特征频率能量贡献率大小,提出以归一化特征能量占比(feature energy ratio,简称FER)为重构准则的变分模态分解特征能量重构法(variational mode decomposition feature-energyreconsitution,简称VMDF),对各模态分量进行信号重构;其次,计算重构信号的MDE,对各尺度散布熵进行分析,选择有效尺度散布熵作为特征向量;最后,将提取的特征向量输入ELM完成故障模式识别。柱塞泵不同程度滑靴端面磨损故障的实验结果表明,该方法不仅提高了模式识别效率,还可以更好地反映故障程度变化规律,具有较好的应用性。