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機電液系統動能剛度原理與方法 版權信息
- ISBN：9787030628350
- 條形碼：9787030628350 ; 978-7-03-062835-0
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
機電液系統動能剛度原理與方法 內容簡介
本書從多能量域耦合與多源信息融合的角度系統論述了機電液系統動力學正反問題協同分析的動能剛度設計理論和方法。全書共有8章，闡述了機電液系統動力學建模、分析、設計和控制的相關概念、發展趨勢、特點和基本內容（第1章），論證了機電液系統功率流及多域能量轉換機制（第2章）、詳細介紹了適合多能量域系統全局耦合動力學分析的動能剛度原理及其圖示化識別方法（第3章）、變轉速泵控馬達系統動能剛度分析與實驗（第4章）、機電液系統動力學建模與參數識別方法（第5章）、機電液系統運行狀態檢測、評價及控制方法（第6章）、機電液系統動力學正反問題協同設計（第7章）、機電液系統動能剛度設計與應用試驗平臺（第8章）。
機電液系統動能剛度原理與方法 目錄
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 概述 1
1.2 機電液系統的構成及特點 2
1.2.1 機電液系統的產生及研究背景 2
1.2.2 機電液系統的功能結構 3
1.3 機電液系統的基本要素及技術特征 6
1.3.1 機電液系統的基本要素 6
1.3.2 機電液系統一體化的技術特征 8
1.4 機電液系統的發展趨勢 8
1.5 機電液系統設計中面臨的挑戰 10
1.6 機電液系統動能剛度的研究背景 13
第2章 軸向柱塞泵/馬達全耦合動力學建模 17
2.1 概述 17
2.2 柱塞泵數組功率鍵合圖建模方法 18
2.3 柱塞泵/馬達全耦合動力學模型 21
2.3.1 柱塞-滑靴子系統摩擦學與動力學解耦分析 21
2.3.2 主軸-缸體子系統動力學建模 24
2.3.3 油腔-配流子系統建模 27
2.3.4 全耦合動力學模型 29
2.4 全耦合動力學模型計算機仿真分析 31
2.4.1 全耦合動力學模型無量綱化 32
2.4.2 全耦合動力學計算機仿真模型 33
2.4.3 全耦合動力學分析 40
2.5 本章小結 47
第3章 機電液系統全局建模及仿真分析 49
3.1 概述 49
3.2 機電液系統多剛度非線性數學模型 50
3.2.1 系統全局簡化模型 50
3.2.2 子系統數學模型 51
3.2.3 系統非線性參數數學模型 67
3.3 變環境工況下機電液系統仿真分析 70
3.3.1 仿真模型及參變數設置 70
3.3.2 變轉速工況 71
3.3.3 變負載工況 72
3.3.4 變參量工況 74
3.4 本章小結 77
第4章 機電液系統實驗平臺設計及應用 79
4.1 概述 79
4.2 實驗平臺設計 80
4.2.1 總體方案設計 80
4.2.2 結構原理設計 82
4.3 實驗平臺工作原理及功能 85
4.3.1 實驗平臺工作原理 85
4.3.2 工況載荷譜數字化模擬原理 87
4.3.3 檢測與控制系統原理 87
4.4 實驗內容設計及應用 89
4.4.1 科學實驗的重要意義 89
4.4.2 實驗教學體系及內容設計 90
4.4.3 變轉速液壓動力系統恒流量控制——專業基礎性實驗案例 92
4.4.4 永磁同步電機與齒輪泵匹配性能——綜合設計性實驗案例 96
4.4.5 機電液系統電功率狀態圖示化在線監測——創新研究性實驗案例 100
4.4.6 變轉速液壓系統輸出流量主動控制——專題研討性實驗案例 114
4.5 本章小結 125
第5章 機電液系統動能剛度及識別方法 128
5.1 概述 128
5.2 系統多參量耦合及功率平衡方程 128
5.2.1 多參量耦合過程 128
5.2.2 機電液系統全局功率分布 131
5.3 系統全局功率動、靜態匹配方程 136
5.3.1 功率靜態匹配方程 136
5.3.2 功率動態匹配方程 137
5.4 系統動能剛度原理 138
5.4.1 變剛度物理模型 138
5.4.2 變剛度數學模型 139
5.4.3 動能剛度原理 143
5.5 機電液系統動能剛度分析 145
5.5.1 子系統動能剛度 145
5.5.2 全局動能剛度 147
5.5.3 動能剛度傳遞特性 147
5.6 系統動能剛度圖示化識別方法 149
5.6.1 動能剛度李薩如圖 149
5.6.2 動能剛度圓 150
5.7 動能剛度檢測及計算方法 152
5.7.1 動能剛度檢測實驗方法 152
5.7.2 動能剛度角的計算 154
5.7.3 動能剛度線的處理 155
5.8 系統參量對動能剛度影響機理實驗分析 156
5.8.1 油液溫度對動能剛度的影響 157
5.8.2 馬達排量對動能剛度的影響 157
5.8.3 馬達輸出軸上轉動慣量對動能剛度的影響 158
5.9 系統工況對動能剛度影響機理實驗分析 159
5.9.1 變負載工況 159
5.9.2 變轉速工況 160
5.10 本章小結 161
第6章 機電液系統內外部特征協同分析方法 164
6.1 概述 164
6.2 機電液一體化理論與技術研究試驗平臺 164
6.2.1 試驗平臺原理 165
6.2.2 試驗平臺功能 165
6.2.3 測控系統 167
6.3 柱塞馬達流量與壓力脈動機理 169
6.3.1 流量與壓力脈動機理分析 169
6.3.2 柱塞馬達壓力脈動試驗分析 174
6.4 液壓馬達瞬時轉速測量及波動源提取 179
6.4.1 液壓馬達瞬時轉速測量 180
6.4.2 瞬時轉速測量誤差分析 181
6.4.3 液壓馬達轉速波動源提取方法 184
6.5 系統內外部特征協同分析 189
6.5.1 變轉速工況下系統內外部特征協同分析 190
6.5.2 變負載工況下系統內外部特征協同分析 197
6.6 本章小結 204
附錄A 主要公式推導過程 206
附錄B 柱塞泵參數化仿真模型MATLAB代碼 212
附錄C 液壓馬達轉速波動源時域特征提取程序 218
前言
第1章 緒論 1
1.1 概述 1
1.2 機電液系統的構成及特點 2
1.2.1 機電液系統的產生及研究背景 2
1.2.2 機電液系統的功能結構 3
1.3 機電液系統的基本要素及技術特征 6
1.3.1 機電液系統的基本要素 6
1.3.2 機電液系統一體化的技術特征 8
1.4 機電液系統的發展趨勢 8
1.5 機電液系統設計中面臨的挑戰 10
1.6 機電液系統動能剛度的研究背景 13
第2章 軸向柱塞泵/馬達全耦合動力學建模 17
2.1 概述 17
2.2 柱塞泵數組功率鍵合圖建模方法 18
2.3 柱塞泵/馬達全耦合動力學模型 21
2.3.1 柱塞-滑靴子系統摩擦學與動力學解耦分析 21
2.3.2 主軸-缸體子系統動力學建模 24
2.3.3 油腔-配流子系統建模 27
2.3.4 全耦合動力學模型 29
2.4 全耦合動力學模型計算機仿真分析 31
2.4.1 全耦合動力學模型無量綱化 32
2.4.2 全耦合動力學計算機仿真模型 33
2.4.3 全耦合動力學分析 40
2.5 本章小結 47
第3章 機電液系統全局建模及仿真分析 49
3.1 概述 49
3.2 機電液系統多剛度非線性數學模型 50
3.2.1 系統全局簡化模型 50
3.2.2 子系統數學模型 51
3.2.3 系統非線性參數數學模型 67
3.3 變環境工況下機電液系統仿真分析 70
3.3.1 仿真模型及參變數設置 70
3.3.2 變轉速工況 71
3.3.3 變負載工況 72
3.3.4 變參量工況 74
3.4 本章小結 77
第4章 機電液系統實驗平臺設計及應用 79
4.1 概述 79
4.2 實驗平臺設計 80
4.2.1 總體方案設計 80
4.2.2 結構原理設計 82
4.3 實驗平臺工作原理及功能 85
4.3.1 實驗平臺工作原理 85
4.3.2 工況載荷譜數字化模擬原理 87
4.3.3 檢測與控制系統原理 87
4.4 實驗內容設計及應用 89
4.4.1 科學實驗的重要意義 89
4.4.2 實驗教學體系及內容設計 90
4.4.3 變轉速液壓動力系統恒流量控制——專業基礎性實驗案例 92
4.4.4 永磁同步電機與齒輪泵匹配性能——綜合設計性實驗案例 96
4.4.5 機電液系統電功率狀態圖示化在線監測——創新研究性實驗案例 100
4.4.6 變轉速液壓系統輸出流量主動控制——專題研討性實驗案例 114
4.5 本章小結 125
第5章 機電液系統動能剛度及識別方法 128
5.1 概述 128
5.2 系統多參量耦合及功率平衡方程 128
5.2.1 多參量耦合過程 128
5.2.2 機電液系統全局功率分布 131
5.3 系統全局功率動、靜態匹配方程 136
5.3.1 功率靜態匹配方程 136
5.3.2 功率動態匹配方程 137
5.4 系統動能剛度原理 138
5.4.1 變剛度物理模型 138
5.4.2 變剛度數學模型 139
5.4.3 動能剛度原理 143
5.5 機電液系統動能剛度分析 145
5.5.1 子系統動能剛度 145
5.5.2 全局動能剛度 147
5.5.3 動能剛度傳遞特性 147
5.6 系統動能剛度圖示化識別方法 149
5.6.1 動能剛度李薩如圖 149
5.6.2 動能剛度圓 150
5.7 動能剛度檢測及計算方法 152
5.7.1 動能剛度檢測實驗方法 152
5.7.2 動能剛度角的計算 154
5.7.3 動能剛度線的處理 155
5.8 系統參量對動能剛度影響機理實驗分析 156
5.8.1 油液溫度對動能剛度的影響 157
5.8.2 馬達排量對動能剛度的影響 157
5.8.3 馬達輸出軸上轉動慣量對動能剛度的影響 158
5.9 系統工況對動能剛度影響機理實驗分析 159
5.9.1 變負載工況 159
5.9.2 變轉速工況 160
5.10 本章小結 161
第6章 機電液系統內外部特征協同分析方法 164
6.1 概述 164
6.2 機電液一體化理論與技術研究試驗平臺 164
6.2.1 試驗平臺原理 165
6.2.2 試驗平臺功能 165
6.2.3 測控系統 167
6.3 柱塞馬達流量與壓力脈動機理 169
6.3.1 流量與壓力脈動機理分析 169
6.3.2 柱塞馬達壓力脈動試驗分析 174
6.4 液壓馬達瞬時轉速測量及波動源提取 179
6.4.1 液壓馬達瞬時轉速測量 180
6.4.2 瞬時轉速測量誤差分析 181
6.4.3 液壓馬達轉速波動源提取方法 184
6.5 系統內外部特征協同分析 189
6.5.1 變轉速工況下系統內外部特征協同分析 190
6.5.2 變負載工況下系統內外部特征協同分析 197
6.6 本章小結 204
附錄A 主要公式推導過程 206
附錄B 柱塞泵參數化仿真模型MATLAB代碼 212
附錄C 液壓馬達轉速波動源時域特征提取程序 218
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機電液系統動能剛度原理與方法 節選
第1章 緒論 1.1 概述 機械工程學科是連接自然科學與工程行為的橋梁，它與相關自然科學、工程科學交叉融合，并朝著復雜機電系統設計制造集成科學的方向發展，成為當今機械設計與制造科學研究的重要特點[1]。現代復雜機電系統是將多種單元技術集成于機電載體，形成特定功能的復雜裝備。工程建設﹑冶金﹑礦山﹑國防﹑材料等領域裝備的大型復雜機電系統一般采用液壓傳動與控制技術，如連軋機、連鑄機、大型盾構掘進機、采煤機、重型操作裝備、壓力機、柔性制造系統、火炮與車輛、大型船舶、工程機械等無不是集機、電、液和控制技術于一體的多能量域耦合系統，為突出液壓和液力傳動的技術特點，故又稱之為機電液（一體化）系統，但技術范疇仍然屬于復雜機電系統。機電液系統的發展趨勢可以概括為三個方面：①性能上向高精度、高效率、高性能、智能化的方向發展；②功能上向小型化、大型化、多功能方向發展；③層次上向系統、綜合集成化的方向發展。隨著智能化程度的不斷提高，大型裝備的結構和信息傳遞過程越來越復雜，已經成為機電液一體化的綜合體。 機電液一體化系統（electromechanical hydraulic integration system，EMHIS）通常包括機械、電氣、液壓、控制、潤滑等物理子系統，裝備運行時，各子系統間進行著能量、物質與信息流的多種傳遞、轉換和演變，由它們所組成的復雜系統在極端工況下所表現出來的強耦合特性和復雜性更加引起國內外學者的關注，特別在機電耦合、流固耦合、熱彈耦合、摩擦學與動力學耦合等方面的研究已經成為復雜機電系統動力學分析的核心組成部分。《機械工程學科發展戰略報告（2011～2020）》明確提出[1]：在未來5～10年，應加強對復雜機電系統共性基礎科學問題的研究。組織跨學科優勢研究團隊進行聯合攻關，力爭在復雜機電裝備的系統研究方法、物質流-能量流-信息流協同設計、復雜機電系統多領域建模與多學科優化等共性科學問題上取得重要的理論突破，解決復雜機電系統運行安全性、可靠性、故障診斷與運營維護等關鍵基礎技術的問題，逐步形成復雜機電系統集成科學的綜合理論體系與關鍵基礎技術，使我國復雜機電系統的整體科研水平位于國際前列。 1.2 機電液系統的構成及特點 1.2.1 機電液系統的產生及研究背景 1.機電液一體化的產生及特點 自20世紀80年代起，液壓與液力傳動技術在大功率機械構成中所占的比例越來越大，為突出這一特點，人們將大功率機械系統的機電一體化稱為機電液一體化。在這一領域內，緊緊圍繞兩個方面進行研究：一是以提高設備的工作和操控性能、節省能源等為目的的機械、電子、液壓融合技術；二是以提高作業（產品）質量為目的的機電液一體化控制技術。基于用產品設計思想豐富理論研究的理念，逐漸形成了該領域特有的技術優勢。 2.研究目標和內容 機電液一體化是從系統的觀點出發，將機械技術、電子技術、液壓技術、計算機信息技術、自動控制技術等在系統工程的基礎上加以綜合，為實現整個系統性能*優化而提出的。機電液一體化研究內容主要包括：①機電液一體化技術；②機電液系統虛擬設計；③運行狀態智能化監測及可靠性分析；④機電液系統動力學等。 3.大型機電液系統應用現狀 采礦、冶金、制造、工程建設、船舶運輸等國家經濟建設重點領域中的大功率高耗能重型設備在國民經濟發展中處于舉足輕重的地位（圖1.1），起到至關重要的市場經濟帶動作用，然而高耗能以及低效率使其占有較大的能源消耗份額，加大了能源供給負擔，如大型盾構掘進機功率數千千瓦，效率卻不高于70%[2]。以上重型設備大都采用了液壓傳動與控制技術，然而液壓傳動系統雖功率密度大、適應性強，但效率低下、可靠性低，尤其是極端工況下表現出的效率下降、性能退化、非線性動力學特征明顯等問題[3]，制約了系統向大型、集成、高壓、高速等方向發展。極端工況下的節能環保、性能可靠等問題是國內外大力發展大功率、低能耗、高性能機電液裝備所面臨的共同挑戰。 機電液系統全局結構的復雜性、子系統的耦合性，尤其是其工作環境極端惡劣、工況復雜多變，使設備在運行過程中對運行性能以及可靠性方面的需求日益增強。盡管機電液裝備失事的致命性較大型旋轉機械低，但對環境、工程以及產品質量的影響不可低估。圖1.2為某軋鋼企業2014年一季度的設備故障分析報告圖，由圖可知：大型機電液系統中液壓傳動設備的故障頻發，且故障類型多樣、不易準確定位，為設備的運行安全保障帶來了難度，嚴重制約了企業生產和管理水平的提升。 圖1.1 典型機電液一體化設備 圖1.2 某軋鋼企業2014年一季度設備故障分析報告 我國企業對大型機電液裝備運行可靠性及安全保障技術方面的需求遠比故障診斷技術迫切，在大型液壓設備中不惜重金選擇可靠性高的進口元件。設備的可靠性不僅與元件有關，還與系統的匹配設計、工作介質以及運行安全保障技術水平密切相關。目前，液壓設備的故障診斷以及可靠性安全保障研究無論在理論上還是技術上都落后于旋轉機械，主要原因是在多能量域、多物理場耦合作用下其功能界面上能量轉化機理以及系統功能和性能演化過程信息尚不清楚，導致設備運行狀態監測參數缺乏領域背景和含義。 1.2.2 機電液系統的功能結構 1.系統的功能 對現代工業來說，任何生產過程或工程裝備都可以看作是對物資質流、能量流和信息流進行變換、傳輸和存儲的物理系統，如圖1.3所示。其中信息流是控制和管理物質流和能量流的依據，而系統中的各種信息，如設備的運行狀態信息、物料的幾何與物理性能信息、能耗信息等都必須通過各種檢測方法利用在線、離線或遙測的各種檢測設備獲取，檢測到的狀態信息經過分析、判斷和決策，得到相應的控制信息，并驅動執行機構實現過程控制。目前，普遍認為：物質、能量和信息是人類社會和自然界的三大支柱，是科學歷史上三個*重要的概念。當前人類進入信息社會，獲取、傳輸、交換和利用信息已經成為人類的基本活動。如圖1.3所示，生產過程中的主要特征和功能都是從能量流、物質流的信息流中體現出來的，系統中能量流、物質流和信息流都有它們特殊的形態和變化規律。物質流是能量流的載體，同時又在能量驅動下運動著，二者驅動都是在信息流控制與協同下進行，即根據系統運行狀態與目標功能/狀態的差異，信息流通過控制執行單元調整系統的能量與物質流狀態，實現系統預期目標功能或運行狀態。 圖1.3 生產過程和裝備中物質流、能量流和信息流的關系 機電液一體化系統設計理論中首先強調結構，并從結構角度來分析系統的功能和動力學行為（運行性能及狀態），即認為系統的結構決定了它的功能以及動力學行為。機電液系統由控制單元、檢測單元、執行單元、機械單元和動力源五大結構組成，各結構之間的關系如圖1.4所示。由于智能控制的日益發展，機電液系統不僅是由動力源驅動的機電設備，并且已發展成為實現高精度、高穩定性、高可靠性的由信息流驅動的復雜機電系統。基于系統能量流、物質流的信息流的協同設計，從系統所要實現目標功能的物理本征原理出發，在系統層面上研究復雜機電系統的科學集成與創新設計理論，以及集成設計后實際功能生成中多能量域耦合以及協調狀態的智能控制。 2.系統的外部功能 機電液系統（或裝備）是由若干具有特定功能的子系統組成的有機整體，具有滿足人們使用要求的外部功能（目的功能），根據不同的使用目的，要求系統能對輸入的物質、能量和信息（即工業三大要素）進行某種處理，輸出所需要的物質、能量和信息，如圖1.5（a）所示。因此，系統必須具有三大目的功能：①變換（加工、處理）；②傳遞（移動、輸送）；③存儲（保存、記錄）。系統或以物料加工為主，如各種機床、加工及運輸機械；或以能量轉換為主，如電機、內燃機、水輪機、液壓泵等；或以信息處理為主，如各種儀器、儀表、計算機和辦公設備等。 圖1.4 機電液系統五大結構之間的關系 圖1.5 機電液系統的內外部功能 3.系統的內部功能 機電液裝備具備5種內部功能：①主功能；②動力功能；③控制功能；④耦合功能；⑤跟蹤功能，如圖1.5（b）所示。 其中，主功能是實現外部功能直接必需的功能，即對系統輸入的物質流、能量流和信息流的變換、傳遞和存儲；動力功能向系統提供能量；控制功能包括信息檢測、處理及控制，實現系統正常運轉；耦合功能是使各子系統及部件維持特定的能量轉換以及時間和空間上的相互關系，是保證系統工作中的強度和剛度所必需的功能；跟蹤功能是系統的動力機構在效益*大化目標下對負載工況的自適應匹配。 4.機電液系統內外部功能關系 系統的外部功能是通過其內部功能實現的。金屬材料加工領域的重要裝備大多采用機電液系統，以自動軋鋼機系統軋制鋼錠為例，其原理如圖1.6所示。該系統由計算中心、控制系統、通信系統、測力計、測厚儀和軋輥組成，如圖1.6（a）所示。其中，計算中心負責信息的處理、運算和控制，控制系統負責控制軋輥，通信系統負責信號的檢測與傳輸，測厚儀用于測量鋼板厚度尺寸，測力計用于測量軋制力，軋輥用于完成鋼板的軋制。 圖1.6 自動軋鋼機系統原理圖 自動軋鋼機系統內部功能的實現如圖1.6（b）所示：被軋制的鋼錠在高溫狀態下進入軋機（機電液系統），計算中心根據測量的厚度和力的信息，結合所軋制鋼材的材料特性、軋制速度等多種因素進行分析、計算，從而獲得工藝調節參數，再由控制系統根據調節參數調整軋輥的位置，以確保在各種干擾條件下軋制的鋼板厚度均勻，動力單元則根據金屬型材和材料特性要求，自適應地改變輸入給系統的轉速和扭矩，在系統內部功能的作用下將毛坯鋼錠轉換成某種尺寸規格的金屬型材（外部功能）。對于柔性制造系統、采煤機、盾構機、工程機械等常見的機電液一體化產品，也可按此分析其內外部功能構成。 1.3 機電液系統的基本要素及技術特征 1.3.1 機電液系統的基本要素 機電液系統由諸多要素或子系統構成，各子系統之間必須能順利進行物質、能量和信息的傳遞與交換，通過控制器和接口使各要素或子系統連接成為一個有機整體，使各個功能環節有目的地協調一致運動，達到通用性、耐環境性、可靠性、經濟性的設計目標。機電液一體化系統可以看作是模仿人體的結構，若與人體結構相類比，可以形象地概括出系統的功能結構，見圖1.7。 圖1.7 機電液系統的要素及與人體結構的類比
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