磨损是引发密封失效的主要因素之一。针对复合运动的冲击活塞杆斯特封进行磨损寿命预测研究,活塞杆复杂的运动方式导致传统实验方法操作复杂、成本高。基于实际工况建立往复回转密封磨损寿命预测模型,对斯特封密封结构进行有限元分析,得到滑环唇口节点坐标值以及接触压力分布,综合考虑复合运动,模拟唇口轮廓、接触压力和接触长度随磨损时间累加的演化过程,并以密封面接触压力小于最大工作油压作为判断密封圈失效依据,实现斯特封的磨损寿命预测;最后通过实验证明寿命预测的准确性。结果表明随着磨损时间的累积,磨损速率逐渐减小,最大接触压力表现出先快速降低后缓慢降低的趋势,在该工况下的磨损寿命为64.8~70.2 h。

针对双向液压机电液伺服系统中位移-力双变量高精度耦合控制需求,基于负载口独立控制结构设计了一种双向液压机位移-力耦合控制电液伺服系统,并建立了相应的数学模型,揭示了基于线性负载的位移-力耦合控制系统的物理规律,提出一种双向液压机位移-力耦合控制解耦方法,并通过仿真和试验平台对该方法有效性进行验证。结果表明,当系统运行稳定后,力的最大超调量为1.42%,位移的最大超调量为0.8%,力闭环跟踪误差的标准差为447.5 N,位移闭环跟踪误差的标准差为0.037 mm。该方法实现了双向液压机位移与力的高精度耦合控制,增加了系统的自由度,为位移-力双变量耦合控制解耦方法的研究提供了新思路。

针对微流控芯片内部流体状态实时预测和工作流程调控的需求,提出了一种基于“驱动器即传感器”理念的智能泵。对所提出智能泵系统工作原理和工作流程进行介绍,并对测试微流控芯片及工作状态预测需求进行分析。建立压力信号处理流程,气压信号经预处理后,提取有效时域特征,进行状态预测训练。进行微流控芯片工作状态验证,实验表明智能泵预测磁珠球复溶结果和冻干球复溶结果与实际测量和生物实验结果相一致,验证了智能泵系统的有效性。

空化现象是影响离心泵性能的关键因素,为研究仿生微结构对离心泵空化性能的影响,以比转速为112.4的离心泵为研究对象,基于海滑虫的仿生气包微纹理表面,提出一种类蘑菇状凹坑微结构叶片。利用CFD仿真软件对模型进行非定常空化数值模拟,研究微结构不同凹坑深度比对离心泵空化性能的影响。结果表明仿生微结构对离心泵水力性能影响较小,扬程变化为-1.42%~1.38%;不同深度比对离心泵空化性能影响较大,当深度比为2.5时,抑制空化效果最佳,在空化初生阶段空泡体积减少54.75%,断裂扬程提高17.07 m;在吸力面进口1/3处布置仿生类蘑菇状凹坑后,减少了叶轮进口处低压区分布,减小了流道内空泡横截面积,抑制流道内空化的初生和发展。

针对压力流体驱动的柔性机械手操作空间有限、支撑刚度不足等问题,提出一种由水液压驱动的新型扭转关节。通过有限元分析方法,对不同结构参数以及不同系统压力下关节的扭转变形特性进行了分析。基于Kriging代理模型混合优化算法获得扭转关节最大扭转角度对应的最佳结构参数组合,并对水液压扭转关节进行了试验研究。结果表明试验与仿真的关节扭转角随系统压力变化的趋势基本一致,当系统压力为0.6 MPa时,扭转关节达到最大扭转角度,约为40°,且试验与仿真结果误差低于2%。为扭转关节设计和驱动方式提供了新思路、新方法。

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。

飞机燃油管路内部流体流动特性复杂,油液与管壁相互作用产生的流固耦合作用严重影响管路安全,深入研究流固耦合特性对减少管路振动和磨损具有重要意义。通过金相检测和微拉伸试验获得焊接接头区域具体尺寸和力学性能参数,建立带有90°弯管的对焊燃油管路流固耦合模型。采用Realizable k-ε湍流模型开展研究,综合分析在恒速流场下不同入口流速对流体域流动特性及固体域应力响应规律的影响和在脉动流场下不同区域等效应力的响应结果。结果表明恒速流场下,出口弯管段最大等效应力受流速影响显著;脉动流场下,焊接接头处的最大等效应力出现在焊缝区且应力水平较为集中。可为改善飞机燃油管路的构型设计和系统性能提供重要参考。

针对矩形油腔的静压转台,利用多松弛时间参数的格子玻尔兹曼方法对油液在油腔内的流动进行了分析,讨论了进油口位置、沉淀物位置及沉淀物大小对液压油的流动及流速分布的影响。结果表明进油口位置偏离中心将引起较大的速度起伏波动,而由于杂质或氧化物形成的沉淀物,干扰了液压油的正常流动,当沉淀物出现在中心与边缘的中间位置时,对形成的主涡以及速度分布具有显著影响。沉淀物的大小阻碍了液压油的正常流动,当增至一定程度时,左侧的流动被严重削弱,油液的流动主要集中在沉淀物右侧,且沉淀物的出现间接引起了油腔内部的尺寸突变,进一步引起了速度的波动。上述3个参数虽然还影响了承载能力的变化趋势,但是压力分布的差值较小。

集成储能液压缸是一种多腔液压缸,由差动缸和柱塞缸组合形成。其储能腔与蓄能器直接连接,形成储能回路,用于回收再利用动臂势能,具有高效的势能再生利用和广泛适用性,但蓄能器的引入使其难以实现高精度运行。为了解决上述问题,提出了一种主回路和储能回路协同控制的方案,在储能回路中引入比例阀,并与主回路阀协同控制,以改善挖掘机动臂的运动特性。通过在SimulationX软件环境中建立挖掘机的联合仿真模型,分析并对比采用该方案与采用传统控制方案下的动臂运动特性。结果表明,该方案可以降低蓄能器对动臂运动特性的影响,并提升集成储能液压缸的速度和位移控制精度。

为实现深海水液压机械手回转关节的稳定输出,研制了一种新型阀配流低速大扭矩水液压马达。搭建了其数学及物理模型,完成了马达与机械手腕部关节的集成设计,通过马达的AMESim仿真模型分析了深海环境对马达输出性能的影响。研究发现随着海深的增加,马达的输出扭矩显著降低,输出转速也出现一定变化,环境压力从0 MPa增加至120 MPa的过程中,马达的输出扭矩累计降低了34%,最大稳定转速却较陆上工况增加了13%。此研究为马达的结构优化与深海作业控制提供了理论依据。