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基于介质变黏–弹特征的深海柱塞泵压力控制特性

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工程科学与技术 2019年第2期51卷 151-159页

作者：曹学鹏周钊强曾致豪卫昌辰长安大学工程机械学院陕西西安710064 公路养护装备国家工程实验室陕西西安710064 北汽福田诸城奥铃汽车厂山东诸城262200

为预测变深环境下柱塞泵压力控制性能变化规律,基于水下动黏度–变刚度介质模型建立深海柱塞泵压力控制系统模型。从稳定性、快速响应性与稳态误差等3个方面对系统控制性能进行了综合分析,得出变深环境下,只考虑黏度影响时,系统稳定性... 详细信息

为预测变深环境下柱塞泵压力控制性能变化规律,基于水下动黏度–变刚度介质模型建立深海柱塞泵压力控制系统模型。从稳定性、快速响应性与稳态误差等3个方面对系统控制性能进行了综合分析,得出变深环境下,只考虑黏度影响时,系统稳定性指标和动态响应参数由初态值,即相位裕度59.4°、幅值裕度8.77 dB、上升时间0.045 s、稳态误差3.4%,分别增加至138.4°、23.4 dB、0.28 s、7.4%;只考虑刚度影响时,各参数由初态值分别减少为42.6°、23.4 dB、0.038 s、1.2%;考虑黏度–刚度复合作用时,各参数由初态值分别增加至137.6°、23.1 dB、0.265 s、7.3%。结果表明:变深环境下只考虑黏度影响与考虑黏度–刚度复合作用时,系统稳定性均随水深的增加而增加,快速响应性与稳态误差均随水深的增加而下降;只考虑刚度影响时,相关特性的变化趋势刚好相反;并得出在0～1 000 m、1 000～7 000 m两海层下泵压力控制系统可分别视作变黏度–动刚度系统、变黏度–定刚度系统。最后,通过模拟变深环境下泵的动静性能试验,验证了上述理论分析结果的合理性和有效性。

关键词：变黏度–动刚度模型控制模型影响机理

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深海环境下轴向柱塞泵柱塞副润滑特性分析

深海环境下轴向柱塞泵柱塞副润滑特性分析

作者：卫昌辰长安大学

学位级别：硕士

斜盘式轴向柱塞泵具有工作压力高,功率密度大等特点,是一类目前较为广泛运用的深海油压动力源。柱塞与缸孔间良好的摩擦与配合及可靠的往复运动是柱塞泵输出高压油液的关键。柱塞副作为其对应的主要摩擦副,其优良的润滑性能是柱塞泵正... 详细信息

斜盘式轴向柱塞泵具有工作压力高,功率密度大等特点,是一类目前较为广泛运用的深海油压动力源。柱塞与缸孔间良好的摩擦与配合及可靠的往复运动是柱塞泵输出高压油液的关键。柱塞副作为其对应的主要摩擦副,其优良的润滑性能是柱塞泵正常运转的基础。本文以深海环境油源柱塞副为研究对象,从环境参数对油液介质属性的改变出发,研究水下环境柱塞副的油膜润滑特性,而后分析了柱塞结构改变对柱塞副油膜润滑性能的影响,相关研究可为用于深水环境工作柱塞泵柱塞副的设计和开发提供参考。主要工作包括:(1)分析了水下压力补偿型柱塞泵的工作原理,指出深海环境主要通过改变油液介质物理属性对柱塞副油膜润滑产生影响。深入分析垂直海深下环境压力、海水温度的变化特征,建立变水深下的环境模型。考虑实际水深变化,综合水深模型和介质属性,建立以环境压力和海水温度为参数的变水深油液介质动态变化模型,获得液压油粘度、密度、体积模量等介质参数在变水深工况下的变化规律。(2)深水环境下柱塞副流体动力润滑模型建立与求解。描述柱塞在缸孔中的倾斜姿态,推导油膜厚度方程,结合介质变粘度模型,变密度模型和雷诺压力模型,确立了深水环境下柱塞副流体动力润滑模型,采用有限差分法离散求解压力控制方程,获得油膜压力分布,承载力和油液泄漏量。基于稳态条件下的柱塞副润滑模型,给定柱塞偏心位置,得到柱塞自身运动参数对摩擦副润滑性能的作用规律。(3)深海环境柱塞副的全周期动态润滑特性研究。考虑一个周期内外负载和柱塞位置的时变性,对柱塞进行受力分析,建立动力学平衡方程组,借助MATLAB编程工具,采用一维方向黄金分割法与多维方向上坐标轮换法对柱塞外力/力矩和油膜支撑力/力矩的耦合关系进行求解,揭示出一个完整周期内柱塞副的油膜厚度分布、压力分布、轴向摩擦力及油液泄漏量的变化规律。继而设定多种仿真工况,分别考察变负载压力、变主轴转速、变斜盘倾角下柱塞副主要性能指标的变动趋势。(4)研究柱塞表面织构对润滑性能的影响。为避免深海环境柱塞副的油膜压力分布不均匀而导致油膜润滑发生不稳定的现象,根据工程经验选取单一环形沟槽结构参数进行仿真分析,对比发现表面织构对柱塞副油膜润滑性能具有改善效果。

关键词：深水环境轴向柱塞泵柱塞副油液属性润滑特性

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深海环境下油液密度特性变化规律研究

润滑与密封 2020年第8期45卷 41-46页

作者：曹学鹏卫昌辰赵帅贵曹皓清长安大学机电液一体化研究所陕西西安710064 公路养护装备国家工程实验室陕西西安710064

针对深海环境下油液密度随下潜深度变化的问题,建立深海环境压力和温度模型,考虑含气率的影响分别建立纯油液密度模型和气-液两相等效密度模型,以VG32和VG64液压油实验数据对模型进行误差分析,得到其最大误差分别为0.32%、0.11%,验证了... 详细信息

针对深海环境下油液密度随下潜深度变化的问题,建立深海环境压力和温度模型,考虑含气率的影响分别建立纯油液密度模型和气-液两相等效密度模型,以VG32和VG64液压油实验数据对模型进行误差分析,得到其最大误差分别为0.32%、0.11%,验证了模型的可行性。综合上述模型,建立以水深为变量的等效密度模型,研究深海环境下液压介质密度的变化规律。结果表明:随水深的增加,气-液两相油液模型的等效密度较纯液压油模型的变化相对滞后,但进入深海3000 m以下后,两者相差很小,可以用纯液压油密度近似替代两相介质的密度;深海环境下随水深增加,油液等效密度呈现迅速增加、缓慢过渡、平稳增长的变化规律。具体表现为:在浅海层(1300 m),海水压力取代温度成为影响密度的主要因素,密度增长趋于平稳。

关键词：深海环境液压介质等效密度含气量

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基于CFD的深海柱塞泵配流副流场特性分析

液压与气动 2018年第12期42卷 37-42页

作者：王凯丽曹学鹏曹皓清付耀卫昌辰长安大学工程机械学院陕西西安710064 公路养护装备国家工程实验室陕西西安710064

为预测深水环境下压力、温度及油膜分布等变参数对柱塞泵使用性能及工作寿命的影响规律,建立深水环境工况模型,基于雷诺(Reynolds)方程求解配流副稳态油膜控制方程,采用CFD方法仿真分析工作参数、水深环境参数等变化时油膜压力场、温度... 详细信息

为预测深水环境下压力、温度及油膜分布等变参数对柱塞泵使用性能及工作寿命的影响规律,建立深水环境工况模型,基于雷诺(Reynolds)方程求解配流副稳态油膜控制方程,采用CFD方法仿真分析工作参数、水深环境参数等变化时油膜压力场、温度场变化规律。结果表明:当工作水深从海平面增加至7000 m时,排油腔高压油块A、上死点B及吸油腔低压油块C 3点处的轴向压力不断增大,油膜呈现楔形分布,而温度场分布在海平面至1000 m处温度急剧下降,之后降幅减小。随着水深的增加油膜受到的压力增大,温度减小,进而导致稳定性下降。指出变深环境对配流副油膜压力场、温度场影响显著,为深水环境下柱塞泵配流副的流场特性分析及性能优化打下基础。

关键词：变深环境柱塞泵配流副流场仿真油膜分布

基于Lyapunov-MRAC的深海泵压力控制系统动态性能优化

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液压与气动 2020年第4期44卷 53-60页

作者：曹学鹏曹皓清曾致豪包翔宇卫昌辰丁凯长安大学工程机械学院陕西西安710064 长安大学公路养护装备国家工程实验室陕西西安710064

针对深海环境下柱塞泵的快速响应性能变差的问题,提出将Lyapunov-MRAC策略用于深海泵压力控制系统中的方法。将海平面下的深海泵数学模型视为参考模型,以不同水深下的泵模型为实际被控模型,并由此设计深海泵压力控制系统的Lyapunov-MRA... 详细信息

针对深海环境下柱塞泵的快速响应性能变差的问题,提出将Lyapunov-MRAC策略用于深海泵压力控制系统中的方法。将海平面下的深海泵数学模型视为参考模型,以不同水深下的泵模型为实际被控模型,并由此设计深海泵压力控制系统的Lyapunov-MRAC控制器,并计算控制律。对搭建的控制系统给定不同的输入信号进行仿真实验分析。仿真结果表明,系统输出偏差随时间增加而不断降低,被控模型具备良好的跟随参考模型变化的能力;控制器参数对系统控制性能具有一定影响,当增大输入信号幅值,被控系统的最大输出偏差由1.2升至1.5,表明控制系统初期控制精度降低;稳定时间由0.8 s缩短至0.5 s,提高了稳定速度;而增大控制系统的增益值,则能同时提高系统的初期控制精度及稳定速度。阶跃响应结果表明,系统控制误差随时间增大由13.5%而不断减小为0,即控制精度不断增大;被控系统的上升时间由控制前0.923 s降至控制后0.426 s,提高了其动态响应性能。该研究为深海液压源的性能优化提供理论参考。

关键词：动态性能深海液压泵 Lyapunov-MRAC 控制精度稳定速度

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变深下环境适应性液压源的性能研究

液压与气动 2018年第11期42卷 18-23页

作者：曹学鹏王凯丽曹皓清曾致豪卫昌辰长安大学工程机械学院陕西西安710064 公路养护装备国家工程实验室陕西西安710064

因变量泵具有良好的节能和高精度控制特性,成为深海探测中重要的液压动力源。现有深海液压源多借助高压模拟舱内反复试验来定型,存在耗时多、研制成本高等问题。提出一种深水环境适应性变量泵,采用环境自适应性检测方法和控制原理以满... 详细信息

因变量泵具有良好的节能和高精度控制特性,成为深海探测中重要的液压动力源。现有深海液压源多借助高压模拟舱内反复试验来定型,存在耗时多、研制成本高等问题。提出一种深水环境适应性变量泵,采用环境自适应性检测方法和控制原理以满足深海工况要求。基于变深环境和油液介质模型,分析了该泵的控制特性及稳定性。结果表明,泵的相对出油压力和输出流量与各自的输入控制信号成比例关系,并不受水深环境的影响,同时指出控制系统的幅值裕度和相位裕度随水深增加而增加,且浅深下0～1000 m更为显著。高压模拟舱下的测试结果与前述理论分析结果相吻合。

关键词：深海环境变量泵自适应检测控制特性稳定性

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轴向柱塞泵配流副润滑特性分析

现代机械 2019年第6期 25-27页

作者：卫昌辰王凯丽赵帅贵长安大学工程机械学院

配流副润滑特性直接影响柱塞泵的使用性能及工作特性,而油膜承载力是衡量润滑特性的重要指标,为此开展轴向柱塞泵配流副油膜承载力的研究。首先根据柱坐标下雷诺方程(Reynolds)推导配流副楔形油膜压力场模型,其次建立配流副稳态计算模型... 详细信息

配流副润滑特性直接影响柱塞泵的使用性能及工作特性,而油膜承载力是衡量润滑特性的重要指标,为此开展轴向柱塞泵配流副油膜承载力的研究。首先根据柱坐标下雷诺方程(Reynolds)推导配流副楔形油膜压力场模型,其次建立配流副稳态计算模型,借助CFD流场仿真软件分析油膜承载力对配流副润滑特性的重要影响。对比理论模型与仿真结果,验证理论模型的正确性,为轴向柱塞泵的性能优化奠定基础。

关键词：轴向柱塞泵配流副油膜承载力流场仿真

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自动举升变幅机构运动学分析与仿真

现代机械 2020年第1期 72-75页

作者：曹皓清卫昌辰包翔宇赵帅贵长安大学陕西西安710064

为了实现设备的自动化举升,以折叠臂型高空作业车为研究对象,开发自动化举升平台。对变幅机构建模,研究臂架间的联动关系,进行运动学正解与逆解求解;使用MATLAB软件对变幅系统进行数值求解,验证正逆解求解的正确性;规划末端路径为直线,... 详细信息

为了实现设备的自动化举升,以折叠臂型高空作业车为研究对象,开发自动化举升平台。对变幅机构建模,研究臂架间的联动关系,进行运动学正解与逆解求解;使用MATLAB软件对变幅系统进行数值求解,验证正逆解求解的正确性;规划末端路径为直线,使用机器人工具箱对模型进行轨迹规划,分析机构变幅的平稳性。为高空作业车的变幅自动化提供了理论依据。

关键词：高空作业车变幅机构运动学求解轨迹规划

协同搬运工业机器人系统运动学分析与工况仿真

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现代机械 2020年第1期 1-4页

作者：包翔宇曹皓清卫昌辰赵帅贵长安大学陕西西安710064

为实现协同搬运重型物体,以双机器人系统作为研究对象,开发双工业机器人提升平台。对双工业机器人系统进行建模,建立机器人之间的相对位置关系,进行正运动学求解;使用MATLAB Robot Toolbox对机器人系统进行D-H建模,验证正逆解求解的正确... 详细信息

为实现协同搬运重型物体,以双机器人系统作为研究对象,开发双工业机器人提升平台。对双工业机器人系统进行建模,建立机器人之间的相对位置关系,进行正运动学求解;使用MATLAB Robot Toolbox对机器人系统进行D-H建模,验证正逆解求解的正确性;参考机器人协同搬运时的平移工况,在VREP仿真软件中对两个机器人进行直线轨迹规划,验证平移物体时的工况平稳性,为机器人协同搬运提供了理论依据。

关键词：协同搬运工业机器人运动学求解轨迹规划