论文题目: 水下液压冲击铲虚拟样机设计及关键技术实验研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 控制理论与控制工程
作者: 刘贺平
导师: 孟庆鑫
关键词: 水下液压冲击铲,高速开关阀,冲击活塞杆,实验研究
文献来源: 哈尔滨工程大学
发表年度: 2005
论文摘要: “水下液压冲击铲虚拟样机设计及关键技术实验研究”是“863”计划水下干式管道维修系统课题水下专用作业机具设备子课题开展研究的。主要研究一种能够方便、可靠地完成海底油气管道维修时管道表面混凝土配重层去除工作的水下液压冲击铲，研究的主要内容为：水下液压冲击铲的机械本体、冲击原理、驱动系统、虚拟样机等关键技术，并进行实验研究，验证理论。 论文介绍了水下液压冲击铲的研究背景及其研究意义，叙述了海底管道维修设备的发展概况，总结了国内外水下作业机具的研究和发展现状，分析了目前较为完善的液压冲击理论。 根据国外的液压冲击产品的实验测试和液压冲击器的一般设计理论，初步确定了此液压冲击铲的结构参数。建立冲击活塞杆的冲、回程的动力学方程，利用变步长的四阶龙格库塔法和线性回归法，得到冲、回程的时间与行程的关系表达式，从而得到冲击活塞系统压力的变化规律，验证了系统压力作为反馈信号的正确性。 分析了活塞杆与铲头碰撞点的选择方法和氮气室的初始压力和初始容积的确定方法。对调节冲击能的方法进行了一些研究，设计了蓄能器。对三种液压冲击器方案进行分析，利用模糊分析方法，确定了高速开关阀控制的液压冲击铲方案。 对水下液压冲击铲的机械本体、密封结构、铲头形状、工具腔长度等进行了设计、分析。在Pro／e环境中对水下液压冲击铲进行三维立体造型，并利用虚拟装配对此设计进行检验和校正。利用有限元对关键零件进行强度校验。对水下液压冲击铲的配油阀、冲击活塞等进行动力学分析，再利用Pro／e与Adams进行冲击铲的建模，进行仿真分析，对前面的理论分析和结构设计进行检验。 建立水下液压冲击铲的液压系统，通过对水下液压冲击铲的各部分控制模型的分析，建立整体控制模型。对水下液压冲击铲的控制模型进行分析、校正。对购买的美国stanley公司生产的水下液压镐进行试验，得到冲击能、冲击频率等参数，通过对测试结构的分析，来得出液压冲击器设计所需的参数和对设计分析进行了一定的验证。
论文目录:
第1章 绪论
1.1 课题的来源、目的和意义
1.2 国内外水下作业工具的发展
1.2.1 国外水下作业机具的发展
1.2.2 国内水下作业工具的发展
1.3 水下维修技术的发展现状
1.4 液压冲击器的研究现状
1.4.1 液压冲击器的线性模型研究
1.4.2 液压冲击器的非线性模型研究
1.4.3 蓄能器
1.4.4 配流阀的研究
1.4.5 液压冲击器调频调能的研究概况
1.5 液压冲击工具的发展状况
1.5.1 国外液压冲击工具的发展状况
1.5.2 国内液压冲击工具的发展状况
1.6 论文的研究内容
第2章 水下液压冲击铲的设计理论
2.1 液压冲击器的工作原理
2.2 水下液压冲击铲的各参数初步确定
2.3 活塞的动力学分析
2.3.1 活塞杆冲程的动力学方程建立及分析
2.3.2 活塞杆回程的动力学方程建立及分析
2.4 冲、回程时活塞杆的位移表达式的建立
2.4.1 微分方程解法分析
2.4.2 活塞杆冲、回程动力学方程的分析
2.4.3 曲线拟合方法的分析
2.4.4 冲、回程时活塞杆的时间与行程的关系表达式求解
2.5 水下液压冲击铲运动过程中系统压力变化分析
2.5.1 液压缸与蓄能器组成系统的压力变化
2.5.2 回程过程中常高压腔的压力的变化
2.5.3 冲程过程中系统压力的变化
2.6 水下液压冲击铲的冲击活塞杆和铲头的碰撞情况分析
2.6.1 调定压力为26MPa时运动分析
2.6.2 活塞杆与铲头的碰撞过程分析
2.6.3 铲头反弹的分析
2.6.4 碰撞点的确定
2.7 冲击能的调节
2.7.1 影响冲击能的因素分析
2.7.2 能量调节的方法
2.7.3 结论
2.8 本章小结
第3章 水下液压冲击铲总体方案的分析
3.1 独立无级调节控制的液压冲击器
3.2 自反馈式液压冲击器
3.2.1 冲击器的工作原理
3.2.2 配油阀分析
3.2.3 工具腔的密封原理
3.2.4 氮气室的研究
3.3 高速开关阀控液压冲击铲工作原理
3.3.1 工作原理
3.3.2 蓄能器的设计理论
3.4 三种水下液压冲击铲的比较
3.4.1 三种方案的隶属度的确定
3.4.2 模糊评价方法
3.4.3 综合评价
3.5 本章小结
第4章 水下液压冲击铲的样机设计
4.1 水下液压冲击铲的结构设计
4.2 活塞的密封分析
4.2.1 密封方式的选择
4.2.2 边界层的分析
4.2.3 活塞密封结构的泄漏量
4.3 端部工具的装卡机构
4.4 工具腔的分析
4.4.1 工具腔长度的确定
4.4.2 铲头形状的确定
4.5 液压系统
4.5.1 水下液压冲击铲的液压驱动系统
4.5.2 液压源的流量的确定
4.5.3 油箱的容积的确定
4.6 控制系统设计
4.7 水下液压冲击铲的控制系统分析
4.7.1 配油阀的传递函数
4.7.2 配油阀的传递函数
4.7.3 活塞的传递函数
4.7.4 水下液压冲击铲控制系统
4.7.5 基于BP神经网络整定的PID控制
4.8 本章小结
第5章 水下液压冲击铲的虚拟样机设计
5.1 水下液压冲击铲的虚拟样机模型建立
5.2 水下液压冲击铲结构的强度分析
5.2.1 分析方法
5.2.2 铲头的分析
5.2.3 活塞杆的分析
5.3 虚拟样机的运动学和动力学模型设定
5.3.1 水下液压冲击铲的动力学分析
5.3.2 此系统的运动学和动力学仿真模型建立
5.4 虚拟样机的仿真分析
5.4.1 虚拟样机仿真
5.4.2 调定压力为34MPa时仿真结果
5.4.3 蓄能器对活塞杆运动的影响
5.4.4 阀的响应速度对活塞杆运动的影响
5.4.5 高压氮气室的氮气的初始压力对活塞杆运动的影响
5.4.6 供油压力对活塞杆运动的影响
5.4.7 供油流量对活塞杆运动的影响
5.4.8 增加端部工具后活塞杆运动的变化
5.5 本章小节
第6章 水下液压冲击铲的检测实验
6.1 实验的目的
6.2 测试方法
6.3 实验装置
6.3.1 测试设备
6.3.2 实验传感器
6.3.3 测力电路
6.3.4 实验装置
6.4 测试系统设计
6.4.1 下位单片机软件设计
6.4.2 上位PC机软件设计
6.4.3 测试装置
6.5 实验测试
6.5.1 空载时油路的压力与流量
6.5.2 冲击力的数据采集
6.5.3 系统压力和活塞行程的测试
6.6 实验数据分析
6.6.1 冲击器的结构参数的确定
6.6.2 冲击活塞系统压力变化分析
6.6.3 供油压力和供油流量对冲击力的影响
6.6.4 流量、压力和冲击力的关系式推导
6.7 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文和科研成果
致谢
发布时间: 2006-10-13
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