High Speed On/Off Valve Control Hydraulic Propeller

The work-class remotely-operated-underwater-vehicles（ROVs） are mainly driven by hydraulic propulsion system,and the effeciency of hydraulic propulsion system is an important performance index of ROVs.However,the efficiency of traditional hydraulic propulsion system controlled by throttle valves is too low.Therefore,in this paper,for small and medium ROVs,a novel propulsion system with higher efficiency based on high speed on/off valve control hydraulic propeller is proposed.To solve the conflict between large flow rate and high frequency response performance,a two-stage high speed on/off valve-motor unit with large flow rate and high response speed simultaneously is developed.Through theoretical analysis,an effective fluctuation control method and a novel pulse-width-pulse-frequency-modulation（PWPFM） are introduced to solve the conflict among inherently fluctuation,valve dynamic performance and system efficiency.A simulation model is established to evaluate the system performance.To prove the advantage of system in energy saving,and test the dynamic control performance of high speed on/off valve control propeller,a test setup is developed and a series of comparative experiments is completed.The smimulation and experiment results show that the two-stage high speed on/off valve has an excellent dynamic response performance,and can be used to realize high accuracy speed control.The experiment results prove that the new propulsion system has much more advantages than the traditional throttle speed regulation system in energy saving.The lowest efficiency is more than 40%.The application results on a ROV indicate that the high speed on/off valve control propeller system has good dynamic and steady-state control performances.Its transient time is only about 1 s-1.5 s,and steady-state error is less than 5%.Meanwhile,the speed fluctuation is small,and the smooth propeller speed control effect is obtained.On the premise of good propeller speed control performance,the proposed high speed on/off valve control propeller can improve the effeciency of ROV propulsion system significantly,and provides another attractive ROV propulsion system choice for engineers.

Present Status and Prospect of High-Frequency Electro-hydraulic Vibration Control Technology

Electro-hydraulic vibration equipment(EHVE)is widely used in vibration environment simulation tests,such as vehicles,weapons,ships,aerospace,nuclear industries and seismic waves replication,etc.,due to its large output power,displacement and thrust,as well as good workload adaptation and multi-controllable parameters.Based on the domestic and overseas development of high-frequency EHVE,dividing them into servo-valve controlled vibration equipment and rotary-valve controlled vibration equipment.The research status and progress of high-frequency electro-hydraulic vibration control technology(EHVCT)are discussed,from the perspective of vibration waveform control and vibration controller.The problems of current electro-hydraulic vibration system bandwidth and waveform distortion control,stability control,offset control and complex vibration waveform generation in high-frequency vibration conditions are pointed out.Combining the existing rotary-valve controlled high-frequency electro-hydraulic vibration method,a new twin-valve independently controlled high-frequency electro-hydraulic vibration method is proposed to break through the limitations of current electro-hydraulic vibration technology in terms of system frequency bandwidth and waveform distortion.The new method can realize independent adjustment and control of vibration waveform frequency,amplitude and offset under high-frequency vibration conditions,and provide a new idea for accurate simulation of high-frequency vibration waveform.

Investigation into the Independent Metering Control Performance of a Twin Spools Valve with Switching Technology-controlled Pilot Stage

In hydraulic area,independent metering control(IMC)technology is an effective approach to improve system efficiency and control flexibility.In addition,digital hydraulic technology(DHT)has been verified as a reasonable method to optimize system dynamic performance.Integrating these two technologies into one component can combine their advantages together.However,few works focused on it.In this paper,a twin spools valve with switching technologycontrolled pilot stage(TSVSP)is presented,which applied DHT into its pilot stage while appending IMC into its main stage.Based on this prototype valve,a series of numerical and experiment analysis of its IMC performance with both simulated load and excavator boom cylinder are carried out.Results showed fast and robust performance of pressure and flow compound control with acceptable fluctuation phenomenon caused by switching technology.Rising time of flow response in excavator cylinder can be controlled within 200 ms,meanwhile,the recovery time of rod chamber pressure under suddenly changed condition is optimized within 250 ms.IMC system based on TSVSP can improve both dynamic performance and robust characteristics of the target actuator so it is practical in valve-cylinder system and can be applied in mobile machineries.

双阀芯增量式高水基数字阀的设计及实验研究

刮板输送机的直线度控制,是实现煤矿智能化的关键技术,但由于井下工作面通断式支架电液阀的不连续性,难以满足综采工作面直线度的自适应控制需求。此外,由于支架液压系统采用乳化液作为介质,用于油介质的比例阀难以直接用于支架液压系统。针对上述问题,提出了一种新型双阀芯增量式高水基数字阀结构,其主要由电机丝杠驱动部、双阀芯组件和阀块组成。首先,对双阀芯增量式数字阀的结构和工作原理进行了分析,其新型的双阀芯结构形式,可实现负载口独立控制,兼具开环与闭环两种工作方式。其次,对阀芯阀座处的关键密封副进行数学建模,综合考虑密封比压与密封接触宽度,发现采用“硬对软”材料配对时,可兼顾密封副的密封性与使用寿命,且在阀座半锥角为0.61 rad时达到最佳效果。再次,对电–机械转换器进行建模并采用滑模控制算法进行仿真分析,正弦响应时,滑模控制算法经过0.08 s能稳定跟踪参考信号,响应性能明显优于PID。最后,搭建xPC Target实时控制平台进行样机实验,测试了密封副的密封性,以及不同电机细分控制下和不同阶跃幅值下的性能。结果表明:在21 MPa压力下密封副能可靠密封;采用1600脉冲/转的细分控制性能最佳;0.2 mm阶跃响应时,其响应时间为0.25 s,稳态误差为3μm,流量为13 L/min,具有较优的控制性能。

高水基数字比例阀控电液位置伺服系统建模与控制

针对我国煤矿液压装备底层执行机构存在控制精度差与数字化程度低的问题,提出了基于高水基数字比例阀和换向阀组合控制液压缸的方案。首先,对高水基数字比例阀控电液位置伺服系统的结构与工作原理进行深入分析,在此基础上构建了伺服系统AMESim仿真模型,并对步进电机子模型、高水基数字比例阀子模型进行验证。其次,提出了液压缸位移/速度双闭环、液压缸位移/主阀位移双闭环两种控制方法,并基于Simulink和AMESim搭建了系统机电液联合仿真模型,仿真结果验证了所提方法的有效性。进一步,搭建了高水基数字比例阀控电液位置伺服系统试验平台,试验表明,液压缸位移/速度双闭环控制方法存在抖动现象,且液压缸位置的最大误差达到了1.5 mm,液压缸位移/主阀位移双闭环控制下的液压缸跟踪误差在0.4 mm内,超调量为0,满足控制精度需求。研究结果对提升我国煤矿液压装备的控制精度和数字化水平具有实际意义。

正负脉冲电压驱动的电磁螺纹插装阀动态特性分析

提出了一种基于PWM技术的正负脉冲电压控制策略,用于提高锥阀式电磁螺纹插装阀启闭动态响应速度,使其满足数字液压技术的要求。在分析电磁螺纹插装阀结构和工作原理基础上,建立了电磁螺纹插装阀的数学模型,并在AMESim软件中搭建电磁螺纹插装阀及其测试系统的多物理场耦合建模,研究不同正负脉冲电压持续时间条件下电磁螺纹插装阀线圈电流、阀芯位移、电磁力的变化规律,确定了电磁螺纹插装阀响应速度最快时正负脉冲电压控制策略的最优控制参数。利用半实物仿真系统搭建SCV硬件在环测试实验台,对所提正负脉冲控制策略进行验证。实验表明,与常规电压控制策略相比,当正负脉冲电压控制策略中正负脉冲电压持续时间都为10 ms时,电磁螺纹插装阀的开启时间由30 ms缩短到13.5 ms,其关闭时间由139 ms缩短到14 ms。研究结果为电磁螺纹插装阀的高响应化和数字液压技术的发展提供参考。

基于径向基函数神经网络算法的高频转阀阀芯稳定性

针对伺服电机驱动高频转阀时受液动力矩变化影响造成高频输出精度下降的问题,以液压马达作为动力源,提出一种基于径向基函数神经网络算法的转阀阀芯转速控制策略。首先,搭建高频转阀阀芯转速控制系统的数学模型;其次根据数学模型在MATLAB/Simulink平台搭建仿真模型,对不同算法作用下阀芯转速控制特性进行仿真分析;最后建立高频转阀转速控制系统实验台,对不同算法作用下阀芯转速控制特性进行实验研究和理论验证。结果表明:与常规PID控制方法相比,基于径向基函数神经网络的高频转阀转速控制策略转速控制系统阶跃响应所需调整时间最少为0.16 s,超调量小;三角波与正弦波转速跟踪误差均值下降最大值分别为46.51%、53.69%;6 MPa、10 MPa下,转速稳态误差均值分别下降34.92%、38.26%。径向基函数神经网络算法有效提高了高频转阀阀芯转速控制精度。

高频响应悬臂梁单向阀动态特性研究

单向阀动态性能是影响磁致伸缩电液作动器中核心部件磁致伸缩泵输出性能的因素之一。已应用于磁致伸缩泵配流的悬臂梁单向阀在使用过程中出现随着启闭频率上升而响应性能下降问题,通过理论分析,提出了一种高频响应双瓣式悬臂梁单向阀,对已有和提出的单向阀进行动态响应分析。通过流固耦合在阀两端输入幅值为60 kPa的正弦压差,对比分析了已有和提出的两种单向阀的响应性。结果表明:随着输入压差信号频率的增加,已有单瓣式悬臂梁单向阀出现了响应滞后和阀口不能关闭的情况,阀口未关闭位移随频率的增大而增大,输入频率每增加100 Hz,阀口不闭合位移增加2.1%;双瓣式悬臂梁单向阀在相同结构参数下频率响应和阀口关闭情况都优于单瓣式单向阀,输入频率每增加100 Hz,阀口不闭合位移增加1%,减少了阀口回流,阀的高频响应优点可以适应磁致伸缩材料高频宽的特点。为高性能智能电液作动器的发展提供支持。

常开燃油电磁阀高低温流场特性

常开燃油电磁阀作为共轨燃油喷射系统的关键控制部件,研究启闭两种工作过程中,温度的高低变化对电磁阀流场特性的影响规律,在燃油阀材料的选择和结构优化设计上具有重要意义。首先,对常开燃油电磁阀的工作原理进行分析,并且利用Workbench建立热固耦合有限元仿真模型。其次,深入研究该燃油阀受高低温影响的形变规律,以及阀芯在开启和关闭过程中所受液压力的变化规律。最后,采用Fluent流场仿真软件,研究阀口不同开度下,温度对燃油阀流量-压差特性的影响规律。结果表明,温度对阀口形变影响较小;在启闭两种工作过程中,阀芯所受液压力均呈先增加再减小的变化规律;在同一条件下,燃油介质温度越低压差越大。对燃油电磁阀高低温的仿真分析,在常开燃油电磁阀的初始设计阶段,具有重要实践意义。

高速开关阀先导驱动高水基大流量比例调速阀的设计与仿真

在智能综采工作面生产工程中,液压支架在移架和推溜的过程中经常会遭遇不稳定负载,传统开关式的电液控制元件无法对推溜油缸进行速度调控,导致推溜油缸位置控制困难,影响了刮板机的调直度,从而制约了智能综采装备的应用效率。针对这一问题,考虑到煤矿乳化液介质低黏度、润滑性差等特征,设计了一种高速开关阀作为先导阀的高水基高压大流量比例调速阀,建立了阀的数学模型,根据调速阀的内部结构及工作原理建立其AMESim仿真模型,对影响节流阀阀芯位置闭环控制特性、调速阀压差-流量特性进行仿真分析。仿真表明,A型先导液桥对主阀芯的响应具有更好的性能,主阀下控制腔容积、复位弹簧刚度对阀芯的响应速度、稳定性有一定影响。总体而言,调速阀具有较好的流量调节刚度,功能和性能达到了预期设计要求。

数字液压阀控系统中压力脉动试验

压力脉动主动抑制是提升数字液压阀控系统控制精度和可靠性的关键技术。然而,目前主动抑制方法在对压力脉动进行抑制时缺乏对其特性的深入理解,导致抑制效果不理想。因此,设计了压力脉动测试试验台,分析了系统中不同位置压力脉动的变化情况,探索了液压泵、高速开关阀对不同位置压力脉动的影响。结果表明:数字液压阀控系统中压力脉动的主要来自于高速开关阀持续开/关引起的水击现象,并且压力脉动的频率始终与阀的开/关频率保持一致。为设计前馈的压力脉动主动抑制系统提供了新思路,同时也为研发更高效的压力脉动衰减器提供了参考。

Hydraulic operating mechanisms for high voltage circuit breakers: Progress evolution and future trends

High voltage circuit breakers are the most important protection and control apparatus in power system. As a core part of circuit breakers, the operating mechanisms have a trend to be hydraulic-style in high voltage power grid. Compared with other hydranlic systems, the hydraulic operating mechanisms have the characteristics of high hydraulic pressure, high speed, high power and long-term waiting etc., and it is because of the characteristics that the hydraulic operating mechanisms become dif- ficult to be developed and have been arousing significant study interest from more and more researchers as well as their promising applications. Therefore, it is significant to summarize the hydraulic operating mechanisms on their development, characteristics, and key technologies etc. In this review, the evolution process and recent studies of hydraulic operating mechanisms at home and abroad are viewed. The review then focuses on the characteristics and key technologies of hydraulic operating mechanisms, especially on time and velocity characteristics, high-speed cylinder cushioning, fast response and great flow rate control valve, temperature compensation, system monitoring and fault diagnosis, intelligent operation, energy storage module, etc. In the end, the future trends of this field are presented.

基于双层CESO的电液伺服系统线性自抗扰控制

针对含高频噪声的阀控非对称缸不确定扰动抑制问题,采用扰动频率分层技术,利用线性扩张状态观测器低通滤波特性以及扰动估计速度和精度与带宽取值正相关性的特点,提出一种基于双层级联扩张状态观测器的阀控非对称缸电液伺服系统线性自抗扰方法。在分析双层级联线性扩张状态观测器稳定性基础上,与传统线性自抗扰控制方法进行了仿真对比研究。仿真结果表明:该控制方法继承了传统自抗扰控制优点,提高了不确定扰动估计速度和精度,有效抑制了含高频测量噪声不确定扰动带来的不利影响,可实现阀控非对称缸电液伺服系统的高性能控制。

数字式配流摆线液压马达特性研究

传统摆线液压马达由于采用机械配流,造成机械损失和容积损失高,同时马达结构尺寸大,加工难度较高。基于此,研究一种采用高速电磁开关阀组实现数字式配流与调速一体化的摆线液压马达。分析数字式配流摆线液压马达运行机制与结构特点;在对摆线马达和电磁阀流量特性理论分析的基础上,建立阀-马达动力学模型,针对所提出的模型进行仿真;在此基础上研究摆线马达的配流与转向切换的特性,通过改变PWM占空比,摆线马达可以较好实现双向调速。相比于机械配流式摆线马达,数字式配流摆线马达结构复杂度大大降低,配流与调速的灵活性得到增强。

国产电液伺服阀在可控震源上的测试分析

电液伺服阀是可控震源电液转换的核心液压元器件,对可控震源输出力信号有着直接的影响,但可控震源工作环境恶劣,宽频,瞬时大流量以及高压高温、高可靠性等工作特点对电液伺服阀提出了严苛的要求,该设备一直以来依赖进口,近年来某型号国产电液伺服阀开始在可控震源上进行应用试验,经过测试、改造,性能不断提升,本文总结分析了该产品在可控震源上进行的一些测试数据,希望能够为将来的实际应用提供一些技术上的参考。

基于流—固—热耦合的高温伺服阀蛇形流道散热罩散热效率研究

电液伺服系统具有液控负载大、响应快的特点,因此其被广泛应用于航空领域。由于飞行器处于高温工况时,电液伺服系统会受极大影响,不利于飞行器的正常工作。针对这一问题,本文采用流—固—热多场耦合的方法对高温伺服阀散热罩蛇形流道进行了优化研究。首先,介绍了流—固—热三场耦合的理论基础,设计了7种散热罩的结构参数模型,分别建立了散热罩物理模型及流体模型。其次,在此基础上分析了7种模型的散热效果。研究结果表明,增加流道条数并不能提升散热效率,而增加散热罩沟槽宽度和沟槽深度可以提高散热效率,但散热效果并不明显。如要达到散热要求,可以通过增大散热流体流量、降低散热流体温度来实现。

浮动式配流盘柱塞泵马达系统动力学建模及特性研究

浮动式配流盘设计从根本上解决了轴向柱塞泵/马达高转速下缸体倾覆的难题,契合了其高速化的发展趋势,在近年来得到重视。然而,针对浮动式配流盘柱塞泵马达系统所特有的结构,仍然缺乏系统级的动力学建模及动态特性研究,限制了浮动式配流盘柱塞泵马达产品的设计。本文针对浮动式配流盘柱塞泵马达系统,建立了考虑其详细结构特征的完全参数化描述的系统动力学模型,着重研究了其高压油路以及辅助液压腔油液压力的动态变化规律,并通过台架试验验证了模型的正确性。研究结果表明,高压油路表现出“瞬降缓升”的“锯齿形”压力脉动特征,且脉动剧烈。在泵转速1 000 r/min,高压油路平均压力20、40 MPa两个压力等级下,脉动幅值分别高达±1.5和±3 MPa。辅助液压腔油液压力呈现“快速跟随、缓慢下降”的动态变化规律,即辅助液压腔一旦与高速旋转的柱塞腔接通,其油液压力几乎立即无衰减、无滞后地跟随柱塞腔压力变化。而当与柱塞腔脱离之后,其还能很好地维持住腔内压力。

轴流式止回阀与水击泄放阀组合的水锤防护系统研究

【目的】研究减小长距离高扬程输水工程中水锤作用对建筑物安全运行的不利影响,保障管道等建筑物安全。【方法】基于瞬变流理论及特征线法结合水柱分离数学模型的方法,并考虑水锤防护设备的边界条件,运用水锤仿真计算软件对系统停泵水锤进行数值计算。对传统的“单向调压塔+空气阀”和“水击泄放阀+轴流止回阀+空气阀”2种水锤防护措施进行比较,验证轴流止回阀与水击泄放阀组合的水锤防护系统防护效果。【结果】经过计算及后期实际工程多年运行验证后表明在长距离高扬程输水工程中:2种水锤防护方案对事故停泵下管线高压及负压水锤均有一定的防护效果。“单向调压塔+空气阀”的防护措施能使管道内负压由汽化负压-8.4 m降到了-6.9 m水头压力,管道正压最大值由3.04 Mpa降低至2.98 Mpa,但若要继续降低管线负压则需再增加调压塔数量,增加工程投资,经济性上并无优势;“水击泄放阀+轴流止回阀+空气阀”的水锤防护措施,能够有效防护因停泵引起的高低压水锤及水泵倒流倒转等问题,管道内负压由已汽化负压降到了-5 m水头压力,使其系统内最高压力由3.04 Mpa降低至3.0 Mpa,管道最大压力控制在稳态压力的1.2倍之内。【结论】工程竣工多年运行验证,此水锤防护系统只需在输水系统中设1处水击泄放阀和轴流止回阀即可实现有效的防护因停泵引起的高低压水锤及水泵倒流倒转等问题,具有相同的可靠性和更高的经济性,可为类似工程防水锤设计提供依据。

液压阀高精度振动信号采集分析系统设计

针对液压阀工况环境复杂、振动数据采集不精确、采集系统线路布设困难等问题,以ARM微处理为核心设计用于液压阀高精度振动采集系统,对大型液压设备进行数据采集与分析。首先,针对大型液压设备的工作环境,分析液压阀振动采集系统的总体设计方案,接着以液压阀的振动信号特征选择多轴加速度传感器,用于振动信号的采集,并根据采集系统在布设过程中的困境,选用无线传输模式进行下位机和上位机的数据传输;其次,为方便在采集现场进行快速数据分析,在上位机软件中设计基于功率谱和高阶谱的振动信号分析系统;最后,以先导式液压阀为例,完成液压阀高精度振动信号的采集与实时分析。测试结果表明,设计的振动信号采集系统能够完成复杂工况下振动信号的采集与现场分析,具有较好的工程应用价值。

数字液压阀及其阀控系统发展和展望

作为液压系统中重要的控制元件,液压阀负责实现整个系统的控制功能。随着传感器技术和电子技术的发展,数字阀因其更容易实现计算机控制而日益受到研究者的重视。本文综述了国内外数字液压阀的发展历程、研究现状及应用领域。通过回顾液压阀的控制方式,讨论了新的液压控制技术在数字阀领域的应用。并以可编程阀控单元为例,说明了广义数字阀的技术特点。最后,对数字阀的发展前景进行了预测:模块化、高响应、高效率是今后发展的方向。