在粮食仓储管理中,粮仓内壁的曲面结构对爬壁机器人的吸附性能有着较高要求,既要有一定的柔性满足自适应曲面能力,又要有一定的刚度保证支撑稳定性。提出一种刚性吸盘方案用于变曲率墙壁。由于吸盘主体的微小形变能力,导致其在吸附过程中海绵呈现“马鞍形”形变,使吸附性能显著下降。针对该问题,对刚性吸盘结构进行优化,设计了一种采用分布式刚性单元的半刚性吸盘。通过在不同模拟基板上对刚性吸盘、半刚性吸盘进行吸附力试验发现:刚性吸盘在曲率半径为100、200、400 mm曲面模拟基板上的吸附力分别为205.49、307.56、360.25 N;而半刚性吸盘在不同曲面上的吸附力会略有浮动,但整体数值稳定在420 N左右。此方案实现了吸附性能在复杂曲面环境中的显著提升,有效降低了装置作业时的脱落风险,为爬壁机器人在筒仓等领域的应用扩展奠定了可靠基础。

传统气动网格执行器因输出力不足而应用受限,其结构是关键制约因素。针对此问题,提出一种具有非均匀腔室高度的阶梯型结构,通过抑制径向膨胀以增强末端输出力。基于虚功原理建立了执行器的数学模型,揭示了结构参数与弯曲性能的关联;结合赫兹接触理论分析了腔室壁接触力,建立了弯曲角度与接触压力的理论关系。为实现最大输入气压50 kPa下输出力最大化,采用三因素四水平正交试验设计优化参数组合。通过弯曲性能分析及试验验证了理论与有限元模型的准确性。最终,对比了阶梯型与传统等高型执行器的输出力。试验结果表明:阶梯型结构有效抑制了径向膨胀,在50 kPa气压下输出力达3.5 N,较传统结构输出力提升40%。

磁流变减振器半主动悬架响应迅速、阻尼调节范围广且能耗较低,通过实时控制磁流变减振器的激励电流从而对阻尼力实现动态控制,最大限度地衰减传递到车身的振动、提高车辆行驶平顺性,是目前车辆工程领域的重要研究方向。针对某型号磁流变减振器,进行混合模式阻尼特性理论分析,采用ANSYS软件构建磁流变减振器多物理场仿真模型,分析减振器活塞运动速度、阻尼力与控制电流的关系,构建半主动悬架与整车动力学模型,应用滑模控制算法搭建Simulink数值仿真模型,研究滑模控制对悬架与整车振动性能的影响。研究表明,利用有限元方法进行电磁场分析可以直观观察磁路分布,为设计磁液通路结构提供指导,滑模控制能显著优化半主动悬架的性能,有效优化了车身加速度、悬架动行程等关键指标,最终使车辆的振动特性以及车辆的行驶平顺性与舒适性获得了显著改善。

由于电液伺服系统往往会受到内、外部扰动影响,且内部参数因机械结构磨损会发生变化,采用传统的控制策略已无法满足控制性能要求。为此提出了一种基于滤波器的预定性能自适应渐近跟踪控制方法。首先,建立电液伺服系统数学模型,通过定义状态变量,转化为严格反馈形式空间状态表达式。然后,进行控制器设计和稳定性分析,设计了一种新颖误差转换,并结合障碍函数,实现对跟踪误差的预定性能约束;在控制器设计中,采用了单参数自适应对未知参数进行估计,同时为了避免虚拟控制器的连续求导,引入了一种非线性滤波器。最后,利用Lyapunov稳定性定理和Barbalat's引理,证明了系统可以实现渐近跟踪,且跟踪误差受限于预定性能函数范围内,闭环系统所有信号是半全局一致有界的。通过仿真验证了该控制策略的有效性,并与传统PID、反步法控制策略对比,研究结果表明,上升时间提高了82.8%、80.3%,调节时间分别降低了88.9%、91.4%,且无明显超调,具有较小的跟踪误差。

设计了一种纯软体结构的抓手并针对手指部分的弯曲性能展开分析。抓手采用气体驱动串联而成的椭圆形腔体,结合阶梯形腔体结构,对指尖、指中、指根部分别设置了三个平行气道,手掌部分采用圆弧三角形结构。抓手采用超弹体材料Ecoflex 00-30硅橡胶和聚二甲基硅氧烷,基于单轴拉伸理论确定Yeoh为本构模型,并在此基础上推导出单个气囊模型、单个腔体组弯曲模型以及多气道全柔性抓手弯曲变形预测模型。将手指的结构参数代入数学模型,推导出手指的弯曲变形曲线的几何关系,得到的分析结果与仿真模型进行对比,验证了模型的准确性与实用性。最终,基于手指的弯曲性能,对腔体的结构类型与个数、手指宽度、腔体间隙长度、底部应变限制层等参数进行分析,确定抓手的性能参数,为软体驱动器的发展提供了研究数据和参考。

针对现有管道机器人环境适应能力弱、主动转向功能尚不完善等问题,提出一种仿生柔性伸缩式管道机器人设计思路。通过模仿蚯蚓的结构组成和运动机理,设计由柔性气囊和气动肌肉组成的支撑-伸缩复合运动结构,分析管道机器人多肌肉协同驱动机制与多体节连续运动原理;建立机器人的正运动学模型与逆运动学模型,基于MATLAB软件进行仿真分析。搭建管道机器人试验平台,在倾斜及弯曲管道中进行性能测试。试验表明,仿生柔性伸缩式管道机器人在30°倾斜管道内平均爬行速度为3.25 mm/s,并可以在135°的弯管内实现主动转向,具有良好的环境适应能力和运动性能。

针对井架纠偏装备存在抗偏载能力差、同步精度低、控制点数少以及操作复杂等问题,设计了大型井架电液纠偏系统。其采用中央集控、多点驱动的系统架构,通过伺服电机驱动径向柱塞泵作为油源,使用高速开关阀控制,利用12支高压液压缸同步抬升井架支腿。提出了动态筛选主从跟随型多点同步控制方法,利用开关控制替代闭环控制,能够在大偏载工况下实现高精度同步控制,且不受控制点数的影响。开发了大型井架电液纠偏装备,开展了台架试验和井架纠偏作业,多支液压缸的同步位置误差小于0.3 mm,实现了一键纠偏,大幅度提高了大型井架纠偏的工作效率、安全性和自动化程度。

针对单杆液压缸在大负载、高刚度以及动态扰动环境下面临的受控输出不稳定和精度低等问题,对系统的受力过程及结构特性进行了分析;建立了液压系统的非线性数学模型,并设计了一种基于非对称屏障Lyapunov函数的自适应控制方法,以实现输出力在受限条件下的稳定跟踪控制。该控制器融合参数自适应、扩展状态观测器以及动态面控制策略,解决了系统中存在的参数不确定性、未知状态与时变扰动估计和高阶导数引起的计算复杂性剧增问题,并通过构造非对称屏障Lyapunov函数,对系统输出力边界施加约束。基于Lyapunov稳定性理论,证明了控制系统的渐近稳定性,并采用联合仿真试验验证了控制器的有效性。研究表明,所提出的控制器能够有效估计并补偿系统中未知状态与扰动,保证承载过程中的控制输出在安全的范围内,并实现对执行器位置的高精度跟踪控制。

传统被动油气悬架因平顺性与操纵稳定性的局限,已成为矿用卡车性能提升的瓶颈。为此提出了一种基于鲸鱼算法优化的半主动油气悬架模型预测控制策略,旨在实现控制系统的快速收敛和性能最优化。建立包括双气室油气悬架模型、七自由度动力学模型及模型预测控制器的系统模型,并对刚度和阻尼进行等效处理;优化不同路面激励下鲸鱼算法对控制器的权重矩阵并搭建优化算法模型预测控制器,在不同路面上与被动油气悬架和传统模型预测控制的半主动油气悬架进行对比分析。仿真结果表明,所提出的基于鲸鱼算法优化的模型预测控制策略在显著提高矿用卡车乘坐舒适性和操纵稳定性的同时,有效降低了车辆对路面的动态载荷冲击,对于矿区高效作业具有重要工程意义。

针对电静液作动器兼顾瞬态和稳态性能的控制策略需求,提出了一种有限时间预设性能神经网络控制策略。建立了电静液作动器非线性数学模型,构造了障碍Lyapunov函数,融入了跟踪误差的有限时间预设函数,基于反步思路设计了含神经网络的位置跟踪控制器,运用Lyapunov方法验证了控制器的稳定性和理论性能。搭建了MATLAB+AMESim联合仿真模型,将所设计控制器与PI控制器和不含预设性能的神经网络控制进行对比,结果表明: 所设计的控制器具有较高的跟踪精度,相较PI控制器和不含预设性能的神经网络控制器,类正弦轨迹跟踪精度分别提升85%和47%,点到点轨迹跟踪精度分别提升85%和55.9%,且跟踪误差可在有限时间减小至所设定的稳态值以下,并始终处于预设边界内。

针对液压位置伺服系统控制精度有限、鲁棒性不足的问题,提出了一种深度确定性策略梯度算法与滑模控制结合的智能自适应控制策略。基于AMESim-Simulink平台建立了电-液耦合非对称缸系统模型,并完成对滑模控制模块与强化学习模块的联合建模与验证。设计了基于深度确定性策略梯度算法与滑模控制相结合的控制器,实现滑模面增益与抖振因子的在线自整定,构建了三类典型工况(阶跃、正弦、复合扰动)下的仿真验证场景。结果表明,该策略在阶跃跟踪中上升和调整时间分别为0.82 s和0.83 s,优于径向基函数滑模控制与传统滑模控制;在扰动工况下最大误差小于0.003 m,显著抑制系统抖动。研究结果验证了所提方法在复杂环境下的动态响应能力与强鲁棒性,对提升液压伺服系统的智能化与控制性能具有重要工程意义。

由于受到现场空间和经济等因素的限制,各个元件的某些故障类型的样本获取量极少,从而形成极端长尾分布形式的故障样本集,导致传统解耦对比学习模型无法进行有效诊断分析。因此,提出了一种改进解耦对比学习模型,即对比蒸馏与类别均衡解耦对比学习模型。首先,引入合成少数类过采样方法,适量生成尾部样本以缓解数据不平衡问题;其次,引入参数对比学习,构建双重对比机制,增加尾部的贡献和分类的准确性,解决尾部类别的特征分布稀疏问题;最后,引入类别平衡自蒸馏,通过知识迁移解决尾部特征表示不足问题。通过液压泵、齿轮和轴承实测故障样本的两种极端分布形式的试验分析可知,所提模型可有效解决极端长尾分布问题,诊断精度分别高达90.93%和98.61%。此外,所提方法的精度较原方法提升了40.99%,较传统广参数对比学习方法和平衡对比学习方法高出76.97%和35.83%。

为提升重载自动地面引导车在非结构路面下的姿态控制性能,针对油气悬架强非线性及电磁阀控制信号-主动力非线性导致的力输出精度低的问题,提出模糊神经网络系统补偿的分层控制策略。上层以线性二次型调节实现车身垂向全局最优控制,结合模糊PID抑制侧倾,共同生成期望主动力控制力;下层利用模糊神经网络系统对力跟踪误差进行学习与补偿,建立从力误差到电磁阀控制信号的非线性映射关系,从而实现高精度力跟踪控制。仿真表明,该策略可有效改善矿用自动地面引导车在非结构路面下的姿态响应,在C级随机路面激励下,车身垂向、侧倾角加速度均方根值较被动悬架分别降低 30.4%、38.9%;单侧阶跃路面激励下,车身侧倾峰值较模糊PID补偿减小44%,振动更平稳,验证了其复杂工况下的优越性与鲁棒性。

针对液压缸常见的内泄漏问题,提出一种基于二集值辨识算法的诊断方法,根据液压缸在正常和内泄漏两种情况下压力信号的变化来判断是否发生内泄。首先分别提取液压缸有杆腔和无杆腔的15个时域特征;之后运用主成分分析法提取15个特征的3个主成分;对两个腔的6个主成分建立数学模型,采用二集值辨识算法来估计出模型参数,并构造内泄诊断算法;最后,使用AMESim软件仿真得到的压力数据进行试验,验证了该方法对于内泄诊断的可行性和准确性。

针对液压挖掘机阀控系统能效低、单泵控差动缸系统动态性能不足的问题,以单伺服电机-双定量泵的双泵控差动缸系统为研究对象,设计了速度前馈补偿与线性自抗扰控制融合的复合控制器。该控制器利用线性扩张状态观测器实时估计并补偿系统内外总扰动,并引入速度前馈超前补偿系统位置误差。在MATLAB/Simulink中建立双泵控差动缸系统模型,通过恒负载下的仿真验证所设计控制器在双泵缸系统位置控制中的可行性;搭建微型液压挖掘机多体动力学模型,为动臂、斗杆以及铲斗装备双泵控缸系统模型,开展三种不同控制器下的仿真与对比。结果表明:在恒负载工况下,所设计速度前馈-线性自抗扰下最大位置跟踪误差,与线性自抗扰相比,从4 mm降至2 mm;在典型挖掘循环工况下,挖掘机动臂工作装置最大位置跟踪误差为3.78 mm,能量利用效率为61.33%,斗杆和铲斗工作装置相较于PID和线性自抗扰也具有更高的位置控制精度和能量利用效率;验证了该方法有效提高双泵控缸系统能效和动态性能。

自动送钻系统依赖于人工操作,针对手动送钻存在稳定性差、协调性低、工作强度大和钻压波动大的问题,设计了包括动力单元、驱动单元、执行单元和控制单元的自动送钻液压绞车系统。该系统能够实现钻柱起升速度和地面钻压的控制,具体方法是采用一种常规PID和参数自调整模糊控制相结合的复合控制器控制。运用AMESim-Simulink联合仿真平台进行模拟试验,验证了液压绞车系统能够实现钻柱起升速度和地面钻压作业的控制,控制器提高了系统的响应速度及稳定性,减小了超调量。研究表明,该复合控制器可提高自动送钻液压绞车系统控制准确性,能够实现实时监测,不仅提高了钻井效率,使系统更加智能化,还降低钻井成本,对未来的自动送钻钻井作业具有实际应用价值。

多路阀是工程机械中分配流量与协调执行器的核心元件,其性能优劣直接关乎主机的操控性。针对现有多路阀存在的流量控制精度不足与多参数耦合问题,以16通径负载敏感多路阀为对象,建立机电液联合仿真模型并试验验证其准确性;重点探究了压力补偿器阀芯液动力、弹簧参数、阻尼孔及负载保持节流边对主阀动静态流量特性的影响规律。研究发现:在静态特性上,补偿器阀芯液动力是导致流量误差的主因,可通过匹配弹簧刚度予以补偿,但刚度补偿不当易引发流量“绕大弯”;在动态特性上,适度增大补偿器阻尼孔直径与弹簧刚度有助于提升流量的动态响应速度;负载保持节流边虽可提升安全性与控制精度,但也会限制通流能力并引入压损,需在设计中权衡利弊。

针对传统方法难以高精度辨识摩擦模型参数的问题,基于LuGre摩擦模型,结合遗传算法与粒子群优化算法,提出一种混合优化算法以提升参数辨识精度及收敛至全局最优解的能力。该算法在标准粒子群优化算法框架中引入遗传算法的选择与交叉操作,并采用自适应调整策略优化惯性权重和学习系数,增强其搜索性能。所提出的混合优化算法在摩擦模型参数辨识精度上优于遗传算法和粒子群算法,最大摩擦误差仅为1.70 kN。与遗传算法获得的静态最优解相比,混合优化算法将解的质量提升了40.68%。为进一步提升23 t挖掘机电液伺服系统的轨迹跟踪稳定性和精度,基于前述摩擦模型辨识结果,设计了一种新型自适应摩擦补偿控制器。通过正弦轨迹跟踪试验,将设计的控制器与现有的比例积分微分控制器和前馈补偿控制器进行对比。相较于其他控制器,自适应摩擦补偿控制器提高了系统的跟踪性能,最大跟踪误差仅为11.56 mm;能有效补偿摩擦及其他干扰,成功消除了爬行现象并抑制了平峰现象,提升了系统的轨迹跟踪精度和鲁棒性。

液压阀压力-流量特性是影响其性能优劣的关键指标,滑阀属于应用极其广泛的三大液压控制阀之一,典型液压滑阀包括L形结构、U形结构以及V形结构。为了完善液压滑阀压力流量特性理论,首先,依据滑阀结构特征及液体运动学理论建立了典型液压滑阀通用水力模型;进一步,利用编制的MATLAB程序分析了阀口开度对不同水力模型的影响;在此基础上采用商业CFD仿真软件进行了典型液压滑阀内流场数值计算,分析了典型液压滑阀的速度场与压力场变化规律、压力-流量特性以及阀口流量系数影响因素。结果显示:随着阀口开度的增加,典型液压滑阀的等效直径和过流面积同步增大;相同边界条件下,L形滑阀的压力损失最小,流量系数最低;流量系数的变化只与阀口结构以及阀口开度有关,并且随着阀口开度的增加而降低。

采用蜂窝铝作为汽车模拟侧碰装置的缓冲介质,存在缓冲性能调控性差、无法重复使用且成本高昂等不可避免的问题。为提升试验的可控性、一致性和复现性,设计了一种多孔式液压缓冲器运用于FMVSS 213a标准儿童安全座椅侧面模拟碰撞试验。基于缓冲器的缓冲原理,建立汽车模拟侧碰的数学模型和AMESim仿真模型。通过仿真优化缓冲器中泄压孔的结构参数设计,并进行物理试验验证。研究结果表明,设计的14级梯度泄压孔阵列结构配合0.1 mm环形间隙的缓冲器,可将滑动座椅的加速度峰值稳定控制在24±1 G范围内,符合试验要求的18.5~25.5 G(重力加速度值)范围;滑动座椅与车门组件之间的相对速度波形曲线在碰撞时域内呈现稳定不变后线性递减的理想特征,满足FMVSS 213a标准碰撞波形曲线要求。优化设计的液压缓冲器可重复使用,相比蜂窝铝可降低试验成本95%以上,具有良好的工程应用价值。

针对电液执行器非线性强且内部状态难以观测导致的建模精度低、泛化能力弱等问题,提出一种改进的物理信息神经网络建模方法。该方法采用一维卷积神经网络模块提取时序特征,并将电液执行器动力学中的力平衡方程作为物理约束嵌入损失函数,以弥补纯数据驱动模型可解释性差的不足,提高模型的收敛速度。此外,针对传感器噪声干扰物理约束计算的问题,设计了基于局部线性拟合的信号平滑策略。多工况试验结果表明,该方法在有限数据下能有效平衡数据拟合与物理一致性,相比传统模型显著提升了预测精度与鲁棒性。

为解决气动控制阀阀芯不平衡力计算效率低且难以精准预测动态特性的问题,提出将物理信息神经网络应用于阀芯不平衡力计算。通过分析气动控制阀工作原理和阀芯不平衡力产生机理,构建了融合流体力学基本方程与仿真数据的神经网络模型,实现了对阀芯不平衡力的高效预测,最后利用CFD模拟验证了该方法的有效性。研究结果表明,物理信息神经网络预测结果与CFD模拟高度吻合,计算时间缩短至10 s内,最大误差(小于8%)出现在阀门关闭临界点。该方法突破了传统计算的高成本限制,能够实时精准预测动态不平衡力,为气动控制阀的智能设计及动态特性优化提供了新的技术路径。

煤矿井下防爆车辆在长距离、大坡度工况下的能效与热稳定性问题,严重制约了其无人化发展。基于线控底盘架构,深入探索了无人驾驶防爆车辆的热管理策略,提出一种多物理场耦合的瞬态热力学建模方法,并构建了基于闭式回路的串联式液压混合动力系统架构。该架构集成蓄能器协同控制与双向能量转化机制,以提升制动能量回收效率与峰值功率输出能力。同时,建立基于油液流向识别的动态温度边界模型,有效克服传统模型在瞬态响应中的时间滞后问题。通过硬件在环试验验证,揭示了液压油温升过程与系统效率之间的非线性关系。最终测试结果显示,液压泵、马达及蓄能器等所有关键部件的温度预测误差均未超过±3.5 ℃,模型在系统温度水平与变化趋势预测上有较高精度,为井下无轨辅助运输装备的热管理优化提供了理论模型与解决方案。

针对襟翼系统快速响应时速度环易超调,导致系统稳定性、寿命降低等问题,提出了一种“速度环自适应控制,位置环平滑规划”的复合控制方法。首先,在深入分析襟翼系统各组件工作原理的基础上,构建了系统动力学模型;其次,为了精确表征实际运行环境下的系统动态特性,推导并建立了系统加载环境的理论数学模型;最后,以保证系统稳定性和减小启动超调为目标,在速度环内对比分析了传统PID控制与复合控制方法的动态性能,并基于系统性能指标要求,在空载和加载工况下对复合控制方法的位置环性能进行了全面验证。仿真结果表明,相较于传统PID控制,所提方法能有效减小启动超调、抑制振荡,在满足系统快速性的基础上,提高了系统稳定性。

变排量液压马达能够根据负载变化实现流量自适应控制,具有效率高、响应快、低功耗等特点,但同时也存在起动死区大、低速振荡、高压内漏量大等关键技术问题。为提高变排量PDU控制精度和鲁棒性,提出了PID与前馈抗干扰相结合的控制律设计方法。通过Simulink建模仿真与试验验证,所提出的控制律算法能够明显改善PDU动态速度响应特性。试验结果表明,在35 MPa液压条件及240 N·m气动载荷下,变排量PDU所消耗流量比相同定排量PDU降低60.1%,驱动效率提高100.8%,总功耗减少17.34 kW。

针对传统蚁群算法优化出的路径“距离最短但能耗并不是最低”的问题,通过对水下航行器的浮力调节系统、俯仰调节系统和定深推进系统工作过程消耗的能量进行分析,并对蚁群算法增加能耗约束,使得水下航行器在复杂海洋环境中的搜索路径满足能耗水平最低、路径最短的需求。通过建立栅格环境地图,模拟并分析了路径最短和能耗最低两种优化方法下的结果差异。仿真结果表明:尽管能耗约束下的路径长度和拐点个数都略高于最短路径约束,但能耗水平降低了22%~24%,更利于水下航行器航行。其中,浮力调节系统在能量消耗过程中占比较大,因此优化浮力调节系统为水面回路和水下回路双回路系统,避免初始单泵设计方案在不同深度下的打油效率点不匹配问题。试验表明:水面、水下双回路的浮力调节系统能耗水平和最大电流得到了显著降低,优化后的浮力调节系统能耗降幅63%~65.2%,降低水下航行器内部电路组件损坏的风险。

设置内埋式武器舱是现代隐身战机避免雷达探测的有效手段。在允许时间及流量范围内,为保证武器舱门运转到位,在AMESim中建立了系统模型,通过三环控制策略实现了对系统的闭环控制,同时分析了排量容差、低转速区间等设计参量对系统动态特性的影响。经分析,在保证系统到位时间的前提下,若排量容差过大,会引起系统抖动;若排量容差过小或低转速区间过长,会导致系统流量消耗超大。若低转速区间过短,会使得系统末端速度超大。最后通过武器舱门驱动系统实物,对控制策略及排量容差、低转速区间等设计参量进行了试验验证。结果表明:三环控制策略设计合理,选取合适的设计参量,能够使得系统稳定运转。同时,涉及的理论和方法还可推广至液压作动筒及液压泵等领域,具有重要的实际意义。

随着传感器技术与低功耗电子设备的快速发展,环境能量俘获已成为替代传统化学电池供电的主要研究方向。提出了一种对称堆叠式压电俘能器,通过结构创新,为高效捕获管道中的能量提供了新思路。对俘能器和压电片结构进行了仿真分析,探讨了俘能器内流速分布、压力变化及其静态结构的力学响应,以及静压、频率、幅值及电阻对俘能性能的影响。研究了不同压电片的串联、并联和混合连接方式的性能表现,并对其输出电压、功率和功率密度进行了比较。结果表明,两通道之间的发电量差异较小,基本一致。证明了压电片数量的增加会导致输出电压和功率的提升,但功率密度可能会有所下降。

公开报道的航天用机电一体式安全阀研究中电磁阀故障将导致安全阀丧失功能。针对该现状提出了一种采用阀岛控制的、具备一度故障冗余功能的机电一体式安全阀及其控制策略,并开展了原理验证试验研究。结果表明,采用三个常开式二位三口电磁阀组成的控制阀岛对主阀背压腔与压力容器或大气环境之间通路的切换进行控制,结合提出的控制策略,可实现正常工作模式、主动电磁阀DCF1或DCF2任一电磁阀发生通电不动作或断电不动作故障等模式下安全阀的主阀正常动作。原理验证试验中,控制器对电磁阀的控制功能、电磁阀的动作性能、安全阀的开启压力均满足设计需求。研究结果为该机电一体式安全阀在运载火箭增压输送系统中的应用提供了理论指导和工程应用基础。

针对气动打磨系统中存在的非线性强、扰动敏感与建模困难等问题,提出一种基于强化学习双延迟深度确定性策略梯度的无模型自适应控制策略:双延迟深度确定性策略梯度无模型自适应控制,在MATLAB/Simulink中构建了气动加载系统模型,设计所提出的控制策略控制架构,并定义其状态-动作与复合奖励函数,开展四种工况的仿真研究。仿真结果表明,所提出的控制策略控制效果最优。在恒力加载下,该控制策略无明显超调、调整时间为0.94 s;在干扰加载中,两次扰动的最大偏差分别为3.0 N和3.2 N;在正弦力加载中,该控制策略输出更贴近目标曲线,误差为0.16 N;在变角度加载中,该控制策略误差减小0.4 N。综上,所提出的控制策略在复杂非线性气动系统中表现出更高的控制精度、响应速度与鲁棒性,具有良好的工程应用价值。

为降低斜轴式柱塞马达在高低压切换过程中产生的液压冲击与噪声,以球面配流盘遮盖度为关键优化参数展开研究。基于CFD仿真,系统分析了遮盖度从-0.5°~4°(涵盖负遮盖、零遮盖与正遮盖)对压力和流量脉动及容积效率的影响规律。结果表明:负遮盖度增大会提高过渡过程的平顺性,但会显著降低马达配流容积效率;而正遮盖度增大会在提升配流容积效率的同时加剧柱塞腔压力脉动。通过细化分析2°~3°区间并结合噪声试验验证,确定了马达配流盘最优遮盖度为2.8°。在此遮盖度下,马达柱塞腔压力与流量脉动率显著降低,噪声测试值较优化前降低0.7 dB,实现了低噪声与高效率之间的良好平衡。

为改善轴向柱塞泵配流副在高速高压工况下的摩擦性能,通过在配流盘表面构建三角形、正方形与圆柱形表面织构,利用ANSYS软件建立柱塞泵单向流固耦合仿真模型,对比分析配流盘在有、无织构情况下,不同转速和压力对配流副在全油膜润滑下流体域油膜承载力、摩擦系数及固体域变形的影响。结果表明,与无织构配流副相比,带有织构配流副的油膜承载力随转速和压力的升高而增大,并降低摩擦系数,但会增大固体域变形。高速、高压工况下,三角形织构所表现出的配流副综合性能均优于正方形、圆柱形与无织构。在高速高压下限工况时,三角形织构配流副油膜承载力,较无织构提升22.51%;摩擦系数较无织构降低18.24%;缸体与配流盘的最大变形较无织构仅分别增加10.9%和1.6%,性能优势明显。

在航空发动机全权限数字控制系统中,液压伺服作动器作为推力矢量控制的核心执行机构,用于调节推力方向、大小及动态特性。为提高发动机任务可靠性,创新性采用集成式高速电磁阀构建脉宽调制平衡占空比控制架构,提升系统兼容性与抗污染能力,同时实现了低成本设计目标。然而,由于高速电磁阀控制为非线性输出,导致系统稳定性欠佳。针对这一问题,深入探究高速电磁阀脉宽调制平衡占空比控制策略,旨在增强系统兼容性,降低系统液压特性变化对系统的影响。运用AMESim 建模仿真平台,构建了基于高速电磁阀控制的双闭环液压作动系统模型;基于该系统模型,对50%±5%的脉宽调制平衡占空比信号工况下的系统稳定开展仿真分析。仿真结果表明,增加液压阻尼可有效降低非线性输出引起的系统波动;合理设置节流可减小流量调节增益,从而降低了外部因素变化对系统的影响,这些研究成果为产品研制及样机开发提供了重要理论依据和技术支撑。

为了降低航空液压滑阀卡滞故障对飞行安全的影响,在传统流场分析结果难以满足液压滑阀卡滞分析仿真要求的情况下,首先基于EDEM-Fluent耦合技术(Fluent模拟流体流动特性,EDEM耦合随机污染物杂质颗粒运动及相互作用状态),通过改变液压滑阀开度等边界参数,研究污染物对滑阀压力输出特性及污染物卡滞演变规律,实现流固离散元分析域双向耦合仿真;分析颗粒在滑阀内部的分布情况,进一步研究颗粒堆积导致过流面积的瞬态变化对压力出口压力及质量流率的影响;区域污染物累积结果受污染物粒径分布、流场射流、涡流、壁面摩擦系数等因素影响。耦合仿真分析了污染物环境液压滑阀压力分布状态及卡滞形成过程,其结果可为揭示滑阀卡滞演变规律提供理论基础,为设计基于健康寿命的液压滑阀绿色提供技术支持。

针对传统电磁阀在持续通电工况下易发热、效率低的问题,提出了一种新型限位电磁阀结构,并构建了考虑磁饱和效应的精确磁路模型。通过分析并计入定子尖端与中心孔洞处的铁芯饱和,提升了理论数学模型的准确性。结合有限元仿真与试验平台测试,对结构性能与磁力输出进行了系统验证。结果显示,考虑饱和效应的电磁阀模型在0~10 mm行程内与仿真曲线高度拟合,最大相对误差仅为5.86%,相较于传统计算模型提升了计算精度。与此同时,设计在保持吸力性能的同时显著降低了铜耗功率,仅为19.9 W,相较现有电磁阀结构下降约75%,具备良好的热稳定性与持续通电能力。该研究为面向低速、长时间运行场景的电磁阀结构设计提供了理论支撑与工程设计参考。

非圆行星齿轮液压马达因结构紧凑、扭矩大而具应用潜力,但存在齿轮冲击强烈、配流盘磨损严重及容积效率低等不足。基于计算流体力学与动力学理论,构建了非圆行星齿轮马达的三维流场模型,并结合数值仿真与试验测试,对齿轮冲击特性、配流盘端面磨损机理以及结构优化设计进行了系统研究。结果表明,合理放大配流孔径与优化孔型能够有效削弱齿轮冲击峰值,使平稳作用时间提升约55%;适当增大行星轮通孔径可显著降低局部轴向力及冲量值,使端面磨损减幅最高达66.7%。样机试验验证了仿真结果的可靠性,证明所提出的优化方案能够有效改善配流盘耐磨性与马达容积效率,为非圆行星齿轮液压马达的结构优化与工程应用提供了理论支撑与试验依据。

针对空间站环控生保系统对减压阀高密封性、压力稳定性及力学环境适应性的严苛技术要求,设计了一种膜片式减压阀。通过在出入口集成微米级过滤器,提升产品容污能力,从源头阻断多余物引发的密封失效;节流副采用钛合金-氟橡胶刃口密封结构,结合硬限位设计,实现低密封力下的长寿命可靠密封;优化膜片结构与细牙螺纹调节结构,提升出口压力控制精度。基于力学仿真完成结构特性分析,结果表明产品前三阶固有频率均大于2200 Hz,满足空间站力学设计规范;经随机振动、冲击等力学试验及氦质谱检漏、零流量压力爬升等密封性能测试,产品力学环境试验前后性能一致性良好,外漏率不大于8.0×10^-7 Pa·m³/s,0.5 h压力爬升不大于0.63 kPa,各项指标均优于设计要求。该产品已实现在轨成功应用,为航天领域高精度减压阀设计提供参考。

数字进液阀是实现数字式流量调控技术的重要硬件基础,针对数字进液阀设计需求,进行了乳化液泵进液阀稳态液动力分析和计算。首先阐述了数字式流量调控技术原理,确定了数字进液阀执行机构的可行工作区间;其次分析了进液阀阀芯受力,计算了阀芯在可行工作区间内所受稳态液动力;最后通过仿真得到了泵腔内部流场可视化分析结果,求得了液动力仿真值并与理论值进行了对比验证。结果表明:曲轴转角θ处于[60°,240°]区间内,进液阀阀芯需保持常开来实现数字流量调控目标;利用动量定理和可视化分析仿真,计算得到了可行区间内阀芯液动力,在θ为80°时稳态液动力达到了最大理论值6.68 N,仿真值6.19 N;可行区间内理论与仿真间最大误差为0.57 N,为后续乳化液泵数字进液阀设计提供了理论基础。

液压反推作动系统作为反推系统的重要组成部分,用于控制反推装置的展开/收起,在飞机着陆时产生反推力以此来降低飞机滑行速度。为了深入研究系统的运动特性及状态,采用试验测试方法对液压反推作动系统不同工况下的展开/收起运动特性以及承受不同外力和不同环境温度下的性能变化进行研究。基于试验边界条件,对液压反推作动系统开展数值仿真研究,包括仿真工具选择、模型建立、参数设置等。研究结果表明,在设计工况下,液压反推作动系统均可在2 s内展开、3 s内收起;系统在展开运动末尾处,可削弱作动器的激烈撞击效应,速度降至150 mm/s以下;不同步外力严重影响系统展开和收起的同步运动精度,外力越大,同步运动精度越差;当改变液压油压力和温度时,系统运动性能偏离设计状态,升高压力和温度,有效缩短展开运行时间;除不同外力(大于1500 N)工况,该系统仿真模型与试验测试结果一致性较好,可作为系统运行评估的有效工具。

针对轴向柱塞泵法兰与壳体之间的螺栓连接结构研究,建立了柱塞泵有限元模型并通过模态试验与振动响应试验对模型进行验证。在此基础上,围绕螺栓的安装位置、安装半径、数量及尺寸四个设计参数,系统分析不同连接配置对模态频率与振动响应的影响规律。同时,采用正交试验设计方法,评估各参数对振动特性的影响显著性。研究结果表明:螺栓的对称布置有助于提高部分阶次的模态频率并抑制结构振动,模态频率最大提升12.7%,振动速度最大降低21.5%;螺栓安装半径对振动特性的影响较小;螺栓尺寸增大会提高模态频率,但对振动抑制效果有限;增加螺栓数量可显著提升模态频率并降低振动速度,模态频率最大提升10.7%,振动速度最大降低36.1%。正交分析结果进一步表明,螺栓安装位置与数量对柱塞泵模态特性和振动响应的影响最为显著,其次为螺栓尺寸,安装半径的影响最小。