零重力模拟气动悬挂系统的开发及关键技术

为了模拟低频空间结构动力学测试时的零重力环境,研制出一种高精度的气动悬挂系统,解决了系统设计中的气动关键技术问题.从系统设计角度分析了试验装置的工作原理和系统参数对垂直悬挂频率的影响,以指导系统的低频设计.基于空气静压润滑的原理,设计了内部供压节流孔支撑的无摩擦气缸以消除系统的摩擦力,建立了活塞和缸筒间隙内气体泄漏流动和径向承载能力的数学模型,并分析了结构参数对其性能的影响,指出影响气缸性能的关键因素是活塞间隙和节流孔尺寸.利用比例阀构建了压力控制系统以实现高精度的重力补偿.试验结果表明,该气动悬挂系统可以满足低频、高精度和无摩擦的设计要求,验证了方案的可行性和有效性.     

微低重力试验多孔青铜气浮转台研制

在微低重力环境模拟中,为降低涡流干扰力矩,设计了基于多孔青铜节流器的气浮转台系统。首先,在止推轴承选型中,对局部多孔质节流器和全多孔质节流器进行了对比分析,发现在气膜厚度20μm条件下,全多孔质节流器承载能力比局部多孔质节流器高40%,因此设计选择全多孔节流器形式;然后,分析了在不同供气压力、不同材料渗透率下,气浮转台止推轴承及径向轴承的承载能力和刚度特性,发现选择较小的材料渗透率能够获得更高的气膜刚度,为气浮转台的结构设计提供了依据。最终研制的气浮转台采用开式止推轴承形式,节流器使用自研的多孔青铜材料,通过精密加工技术,使得加工前后的渗透率保持近似不变。试制成功的气浮转台回转精度小于0.8μm, 150 kg负载下,未出现气锤自激振动现象。气浮转台系统的最大干扰力矩为9×10^-4 N·m。该气浮转台系统不仅可用于微低重力试验,还可应用于超精密加工等领域。     

微孔节流气体静压止推轴承的静态特性研究

针对微孔节流气体静压止推轴承的静态特性,利用CFX、Solidworks等软件分别对微孔节流、小孔节流、环面节流气体静压止推轴承进行模型建立、网格划分及迭代求解。通过对比分析气膜厚度、节流孔深度等对3种节流类型轴承的承载力、刚度的影响,以及3种轴承的流场流线图,得到如下结论:微孔节流气体静压止推轴承与小孔节流、环面节流气体静压止推轴承相比,具有较好的刚度;微孔节流气体静压止推轴承的气膜厚度为8～11μm、节流孔深度为3～5mm时,轴承静态特性较好;气体从微孔节流器流出后的压力值小于气体从小孔节流器以及环面节流器流出后的压力值,但微孔节流器的耗散效应小于小孔节流器以及环面节流器的耗散效应。     

基于电容测微原理的气缸活塞泄漏研究

针对气浮无摩擦气缸的活塞泄漏流量大且难以直接建模的特点,提出基于电容测微原理的活塞耗气量建模方法.以活塞外圆柱面与缸筒内壁构成的偏心圆柱电容器的电容为研究对象,以高精度的流量测试系统为基础,设计一套测量装置,研究气体轴承在单侧供气的情况下电容与供气压力及耗气量之间的关系.结果表明,活塞在缸筒内的偏心与电容呈现出显著的函数变化规律,可以作为研究活塞偏心的间接手段,提出活塞工作状态的指示变量及实现方法;以电容作为衡量活塞偏心的手段,以实验数据为基础建立供气压力与耗气量的离线数学模型,在保证精度的基础上避免了对活塞偏心直接测量,简化了建模工作.     

气固热耦合对微尺度气膜空气静压轴承承载特性的影响

当空气静压轴承工作气膜处在微米尺度时,气膜内压力分布具有显著的温度敏感性,严重影响轴承系统的承载能力和刚度特性.本文基于气体润滑理论和稀薄气体动力学,结合边界滑移和热耦合分析技术,通过数值分析的方法研究考虑温度影响所引起的空气静压轴承气膜局部变形问题,对系统的承载能力和刚度特性进行理论分析和实验研究.研究结果表明:气固热耦合效应会使微米级气膜内部发生不均匀的膨胀变形,导致空气静压轴承内部流场发生变化.气膜的最大变形量随温度升高呈线性增长,当温度达到250℃后趋于稳定;随着气膜厚度的增加,空气静压轴承气膜内部对温度的敏感性逐渐减小;考虑热耦合效应的轴承压力分布和承载能力低于传统层流假设下理论计算所得结果,因而在高精密、微米级气膜和极端温度条件等场合设计使用空气静压轴承时,必须要考虑环境温度和系统工作温升带来的热耦合效应影响.     

摆角铣头气体静压轴承的工程设计与数值模拟

对转速为1.6×105r/min的精密摆角铣头主轴系统的2种气体静压轴承,即双排孔圆柱轴承和闭式平面止推轴承进行设计研究.对两种气体静压轴承在不同节流方式、不同节流孔直径下的最佳气膜厚度和对应的最大刚度进行设计计算,得到该轴承结构参数对其刚度的影响规律.利用FLUENT软件对所设计轴承的气体流动状况进行数值模拟,得到偏...     

基于圆盘缝隙阻尼器的中心通流静压推力轴承

针对轴向柱塞马达变量阀配流机构的结构特点,提出圆盘缝隙前置阻尼中心通流式流体静压推力轴承的原理和结构.计算承载能力和油膜刚度,分析轴承密封带与圆盘缝隙前置阻尼平面的高度差对静压推力轴承特性的影响,并与细长孔前置阻尼流体静压推力轴承的承载能力和油膜刚度进行对比.结果表明,圆盘缝隙前置阻尼流体静压推力轴承的油膜绝对刚度较大,是油膜厚度的单调递减函数,油膜厚度越小刚度越大,承载能力稳定,负载适应能力较强;细长孔前置阻尼流体静压推力轴承在设计油膜厚度附近刚度最大,当油膜厚度改变时刚度减小.对高度差5和10μm的2种样机进行对比试验,试验结果表明,2种轴承均可在压力0~12 MPa,当转速为0~1 000r/min时正常工作,泄漏和摩擦都很小.当流体压力变化时,高度差为5μm的轴承的泄漏量和摩擦扭矩相对较稳定.     

基于LuGre模型的气缸摩擦力特性研究

为满足高精度电-气比例/伺服控制系统设计时基于模型的摩擦力补偿需要,基于LuGre模型建立气缸的动态摩擦模型.搭建了一个新型的气缸摩擦力测试台,通过测量活塞匀速运动时摩擦力与活塞速度的关系辨识了模型中的静态参数;针对在时域估计模型动态参数存在诸多困难,提出将活塞的运动方程在平衡点附近线性化,通过测量活塞位移和驱动力之间的频率响应函数来间接估计动态参数值.测试了气缸在不同腔内压力下的摩擦力特性,结果表明：库伦摩擦力、最大静摩擦力和黏性摩擦系数与压力近似成线性关系,而Stribeck速度和模型动态参数基本不受气缸两腔压力变化影响.正弦变化力激励下的活塞位移计算曲线和实验结果对比表明,参数估计准确,该模型能很好的描述气缸的摩擦力特性.     

表面节流空气静压润滑轴承性能研究

从雷诺方程出发，将静压止推轴承按气膜厚度不同划分计算区域，推导出控制方程的有限差分形式，采用超松弛迭代法对轴承静态特性进行数值求解，分析了不同参数对轴承性能的影响，研究了表面节流止推轴承内部气膜压力分布的规律，并通过实测值对计算结果进行了验证。     

基于有限元法的气浮支承系统的数值模拟与实验研究

气浮支承系统以气体作为工作介质,根据气体润滑理论对气膜中气体的流动作了理论分析,采用有限元法对气膜流场进行了数值模拟,计算出了一定载荷下的速度分布、压力分布和耗气量、承载能力,通过与实验测试结果的对比。说明该方法是可行的。     

基于进口节流调速气缸爬行特性

为了避免气缸运动过程中出现爬行现象, 应用试验分析供气压力、节流口声速流导、外作用力、以及进气腔初始体积在实际应用中对气缸爬行的影响. 通过对爬行现象的分析及现有的研究提出爬行判据, 以此判据为依据设计不同工况下的临界爬行试验. 对试验曲线进行观察发现,气缸最终趋于匀速运动. 通过对临界爬行试验数据进行多项式曲面拟合, 得到以供气压力、节流口声速流导以及外作用力为参数的气缸爬行经验判别函数式. 为了验证该判别函数式的有效性和可行性, 对另一个同型号的气缸进行多次试验.结果表明,采用该经验判别函数式能够有效地预测不同供气压力、节流口声速流导及外作用力下同型号气缸是否产生爬行现象.     

静压空气平面轴承特性与节流器间距关系的仿真研究

基于FLUENT仿真了同孔径等间距孔式静压平面空气轴承节流器2×2阵列,得到了4种间距下阵列的质量流量、气膜压力分布、速度分布等,为优化节流器间距提供了依据。采用Pave和Hex/Wedge Cooper方法划分阵列的几何模型得到非均匀体网格,然后基于三维双精度标准k-ε黏性湍流两方程模型实现了计算流体力学仿真。仿真结果表明：在一定范围内增大节流器间距,气膜静压力平均值减小但气膜承载力增大,增速逐步减缓;节流器间距的调整不影响阵列的质量流量;随着节流器间距的增加,气膜压力从最大值向环境大气压递减的速度变小,气体平均出口速度按比例减小,气体速度死区的面积增大。     

Numerical analysis of bump foil bearings without nominal radial clearance

Bump foil bearings without nominal radial clearance were analyzed. An air film thickness model and a bearing theoretical analytical model were developed accounting for air compressibility and foil deformation. To analyze hydrodynamic characteristics of bump foil bearings with different operating eccentricities, the air film thickness equation and Reynolds equation were coupled through pressure and solved by Newton-Raphson Method （NRM） and Finite Difference Method （FDM）. The characteristics of an bump foil bearing model were discussed including load carrying capacity, film thickness and pressure distributions. The results of simulation show that bump foil bearing without nominal radial clearance can provide better stability and greater load capaci- ty. This numerical analytical method also reveals a good convergence in numerical calculation.     

Cross-coupling integral adaptive robust posture control of a pneumatic parallel platform

A pneumatic parallel platform driven by an air cylinder and three circumambient pneumatic muscles was considered. Firstly, a mathematical model of the pneumatic servo system was developed for the MIMO nonlinear model-based controller designed. The pneumatic muscles were controlled by three proportional position valves, and the air cylinder was controlled by a proportional pressure valve. As the forward kinematics of this structure had no analytical solution, the control strategy should be designed in joint space. A cross-coupling integral adaptive robust controller(CCIARC) which combined cross-coupling control strategy and traditional adaptive robust control(ARC) theory was developed by back-stepping method to accomplish trajectory tracking control of the parallel platform. The cross-coupling part of the controller stabilized the length error in joint space as well as the synchronization error, and the adaptive robust control part attenuated the adverse effects of modelling error and disturbance. The force character of the pneumatic muscles was difficult to model precisely, so the on-line recursive least square estimation(RLSE) method was employed to modify the model compensation. The projector mapping method was used to condition the RLSE algorithm to bound the parameters estimated. An integral feedback part was added to the traditional robust function to reduce the negative influence of the slow time-varying characteristic of pneumatic muscles and enhance the ability of trajectory tracking. The stability of the controller designed was proved through Laypunov's theory. Various contrast controllers were designed to testify the newly designed components of the CCIARC. Extensive experiments were conducted to illustrate the performance of the controller.     

缸套振动求解及其对活塞裙润滑性能影响分析

摘 要：建立了考虑缸套振动的活塞动力学和混合润滑耦合模型,并使用Broyden算法对缸套振动特性进行了求解。在综合考虑活塞裙部及缸套的表面粗糙度、弹性变形、接触等因素对活塞裙部润滑性能影响的基础上,使用Broyden算法求解缸套振动特性,并研究了缸套振动对活塞二阶运动、活塞裙部润滑性能的影响。结果表明：做功冲程缸套的振动位移以及加速度最大,且随着转速的增加,位移响应幅值增大;与不计缸套振动相比,计入缸套振动的活塞二阶运动速度出现剧烈振荡,局部油膜压力幅值以及最小油膜厚度会明显波动,平均摩擦功耗增加。     

比例方向阀控气动缸动力机构建模

讨论了比例方向阀气动缸动力机械建模问题,采用工作点线性方法建立了动力机构和四阶模型,对位置系统和力系统推导了它的状态空间和传递函数形式,气缸两腔的压力动态存在差异,并且这个差异导致无法使用负载压降这个中间变量,基气动系统的这个特点,本文没有导出伺服系统的特性,并研究了平衡点附近系统模型参数的获取问题,为定量分析打下基础。     

零重力模拟气动悬挂系统的建模及恒压控制

为模拟空间结构地面动力学测试时的零重力环境,针对研制的气动悬挂装置(PSD)采用比例流量阀开发了高精度的恒定气压控制系统.在分析了系统原理的基础上,建立压力控制系统的非线性数学模型.模型包含了比例阀的动力学特性、阀口流动的非线性、气缸容腔的压力动态和由实验结果拟合的气体泄漏.针对实现恒压控制的目标,采用输入输出线性化方法得到相对阶为2的等价系统,由于模型具有参数不确定和未建模动态特性,设计了基于观测器和等效控制的模糊滑模变结构控制器(FSMC).实验结果表明,设计的控制器对负载变化、气源压力变化、活塞运动和外部干扰均具有较强的鲁棒性,稳态压力波动小于26 Pa,实现了高精度的恒压控制.     

气动发动机活塞运动轨迹的优化设计

为解决高转速下动力与经济性能的下降，提出一种新的气动发动机曲轴连杆机构.通过建立气动发动机的进气模型和缸内工作过程模型，以压缩空气的比输出功最大为目标函数，给出优化的活塞运动轨迹曲线.分析了进气阀与活塞运动之间新的匹配关系.设计了复曲轴连杆结构，并得到调节进排气门的开关时刻与持续时间的方法.结果表明，在该机构实现的优化轨迹曲线中，在缸内压力达到进气压力之前，活塞的运动速度应该保持静止；缸内高压建立后，活塞的运动速度应与进气门的截面积保持线性关系；进气门关闭后，活塞速度应保持匀速运动.采用新机构后的压缩空气比输出功比原系统提高了一倍.     

汽油混氢内燃机稀燃性能的仿真研究

在进气混氢体积分数为0、1%、3%和6%的条件下进行了汽油混氢发动机在低速、低负荷以及稀燃时的内燃机台架试验.根据试验得到的不同工况下发动机的缸压、进气流量及平均有效压力等数据对基于AVL Boost软件所建立的汽油混氢内燃机仿真模型进行了标定.利用该模型对相同进气压力、不同混氢体积分数和不同过量空气系数的条件下汽油混氢内燃机的稀燃性能进行了仿真.结果表明,混氢对稀燃时发动机低速、低负荷工况的燃烧过程改善效果较为明显,随着混氢体积分数的增加,稀燃时发动机指示热效率和做功能力均有所提高.相同混氢体积分数下,随着过量空气系数的增大,缸压峰值降低,缸压峰值所对应曲轴转角位置推迟.稀燃时,混氢后发动机火焰发展期和传播期明显缩短,缸压峰值升高且缸压峰值所对应的曲轴转角也有所提前.