机电液系统动能变化率作用机理及内外部特征关联分析

摘要

机电液系统集机、电、液等多能量域特点于一体，被广泛应用于工程机械、航空航天、航海船舶等诸多领域，其运行安全保障至关重要，而系统运行状态监测与性能评价更是保证安全运行的重要手段。但机电液系统的运行过程伴随着多能域功率的相互转换，其运行过程复杂，尤其在变环境工况下呈现出效率低下、非平稳性及非线性等特征，为系统的运行状态监测与性能评价带来难度。而机电液系统在运行过程中，其多能域源信号中蕴含着丰富的表征系统运行状态的信息，因此，在获取系统多物理源信号的基础上，揭示运行状态信息（特征）与系统运行性能变化之间的本质联系，是机电液系统运行状态监测与性能评价的关键。鉴于机电液系统在服役过程中对运行状态监测与性能评价的迫切需求，本文通过建立环境工况作用于系统内部参数，对内影响动能刚度，对外改变瞬时转速波动的效应传递链，研究基于机电液系统动力学内外部特征关联分析方法。提出以动能刚度作为系统内部参量与外部特性之间的桥梁，研究多能域系统动能变化率作用机理，由内及表，探索机电液系统运行状态随环境工况的变化规律，为系统的运行状态评估提供新思路与新方法。
　　本研究主要内容包括：⑴探索动能变化率表征机电液系统实时运行状态的重要作用。结合机电液系统的动力学模型，研究系统的功率分布与多域能量转换过程，结果表明动能变化率是多域能量转化过程的重要指标，其变化机理与系统节能效果、运行平稳性密切相关。基于此，提出机电液系统的功率匹配原则，以动能变化率作为衡量系统运行性能变化的重要参量，将系统运行状态监测与性能评价转换为动能变化率的软测量问题，驱动系统动力学内部特征及外部特性关联分析的研究。⑵提出衡量动能变化率的内部特征-动能刚度及其检测方法。阐明了动能刚度是系统动能抵抗外部激扰源变化的能力，在机电液系统运行状态评估中具有重要意义；揭示了多物理参量对动能刚度的作用机制，分析结果表明动能刚度受多能域参数共同影响；结合信号调制与信息融合技术，将多物理源信号融合成李萨如图形，以图形特征-倾角衡量动能刚度大小，以动能刚度圆的包容关系衡量系统的刚度损失，为抽象的动能刚度赋予直观的图形表示与实际物理意义。⑶研究机电液系统外部特征-瞬时转速的测量及波动特征提取方法。提出基于采样点计数的瞬时转速测量方法，分析其主要误差源-量化误差的产生机理与消除方法，结果表明：提高采样频率能够有效降低量化误差。在瞬时转速精准测量的基础上，利用测速齿盘等角度域划分的特点，将瞬时转速波动的时域信号转换至角度域，并结合短时傅里叶变换与阶比分量追踪，提取转速波动特征，为系统动力学外部特征的获取提供方法支持，拓展了动能刚度原理的实际应用价值。⑷通过机电液系统运行实验验证动力学内外部特征关联分析的有效性。以机电液系统动力学内外部特征获取方法为技术基础，联合内部特征-动能刚度与外部特征-瞬时转速波动的变化规律，在典型变环境工况（变转速、变负载）下，验证内外部特征关联分析方法在系统节能及运行性能评价中的可行性。实验结果表明：系统动力学内外部特征随环境工况变化，动能刚度损失加剧，则瞬时转速波动变大；而两者变化规律的关联性揭示了动能变化率作用机理是“形于系统内部的动能刚度，而表于系统外部的转速波动”这一客观规律，为评价机电液系统的运行性能提供了新方法。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状及发展趋势

1.3 主要研究内容

1.4 章节安排

第二章 机电液系统功率分布及多域能量转换机制

2.1 机电液系统多刚度非线性数学模型

2.2 变环境工况机电液系统仿真分析

2.3 机电液系统多域能量转换机制

2.4 本章小结

第三章 机电液系统动能刚度分析及图示化识别方法

3.1 机电液系统动能刚度原理

3.2 机电液系统动能刚度分析

3.3 机电液系统动能刚度图示化识别方法

3.4 本章小结

第四章 瞬时转速测量及转速波动特征提取

4.1 瞬时转速测量原理及算法

4.2 测速误差分析与处理

4.3 瞬时转速波动特征提取

4.4 本章小结

第五章 变环境工况机电液系统运行性能分析实验

5.1 变转速机电液系统测控平台

5.2 动力学内部-外部特征提取实验方法

5.4 本章小结

总结与展望

【总结】

【展望】

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢