磁悬浮斜翼节静动态特性

作为直动式电-机械转换器和二维阀本体之间的连接桥梁，反馈放大机构起着位置反馈、运动转换和推力放大的重要作用。但现有二维伺服比例阀的机械式反馈放大机构都存在摩擦磨损等非线性环节，对阀的静态特性影响明显。基于永磁悬浮技术提出一种新型的无接触式磁悬浮斜翼节，其依靠磁斥力将斜翼动子和阀芯悬浮在中位，同时实现位置反馈和运动转换功能，以彻底去除传统机械式反馈放大机构由于接触带来的摩擦磨损等因素对阀控制特性的不利影响。首先基于电磁场理论建立了磁悬浮斜翼节的数学解析模型，讨论了关键结构参数对磁力矩的影响；随后在Maxwell和Adams平台上分别对其静动态特性进行了基于有限元模拟和多体运动学分析的参数优化，在此基础上制作了实验样机，搭建实验台架研究了斜翼节的静动态特性，从而验证了其工程实用性。仿真和实验结果基本相符，3种验证的斜翼节样机中，当外接比例电磁铁推动外动子移动3 mm时，最大磁力矩可达到0.252 N·m，阶跃响应时间约120 ms。参数化设计表明减小工作气隙和增加斜翼节倾角均能提升斜翼节的磁力矩和动态响应，而在气隙中添加磁流体可提升磁力矩，但同时影响阶跃响应。研究工作对于后续磁悬浮斜翼节在二维伺服比例阀上的实际应用具有重要的参考价值。     

基于控制分配的恒压腔压力精准控制

针对采用双阀调节的恒压腔系统压力在空气流量大范围变化时的精确控制问题,提出了一种基于控制分配的恒压腔压力精准控制方法。首先,建立了虚拟放气流量的双阀控制分配算法,包括：建立满足虚拟放气流量要求且调节阀能耗最小的优化问题;通过线性矩阵不等式(Linear Matrix Inequality, LMI)求解该优化问题得到双阀实际流通面积值;考虑调节阀动态并计算调节阀控制信号指令值。其次,建立以虚拟放气流量为恒压腔控制输入的闭环负反馈回路,基于此,设计满足伺服性能和抗干扰性能要求的PI控制器,引入上述双阀控制分配算法,进而构建完整的基于控制分配的恒压腔压力控制系统。仿真结果表明,采用该方法的控制系统性能明显优于传统单阀PI控制系统性能,恒压腔压力动态相对误差小于0.07%;干扰流量最大变化率为77kg/s2时,压力最大偏差低于500Pa;此外,调节阀动态时间常数和流量系数的拉偏仿真结果进一步验证了该控制器的鲁棒性。     

High-efficiency aircraft antiskid brake control algorithm via runway condition identification based on an on-off valve array

The aircraft antiskid braking system is an important hydraulic system for preventing tire bursts and ensuring safe take-off and landing. The brake system adjusts the force applied on the brake discs by controlling the brake pressure. Traditional aircraft antiskid braking systems achieve antiskid performance by controlling the braking pressure with an electrohydraulic servo valve. Because the pilot stage of an electrohydraulic servo valve is easily blocked by carbonized hydraulic oil, the servo valve would become a dangerous weak point for aircraft safety. This paper proposes a new approach that uses an on-off valve array to replace the servo valve for pressure control. Based on this new pressure control component, an efficient antiskid control algorithm that can utilize this discontinuous feature is proposed. Furthermore, the algorithm has the ability to identify the runway circumstances. To overcome the discontinuity in the process of using an on-off valve array, the Filippov framework is introduced. The conditions of convergence of the system are also discussed. The results of the digital simulations and the hardware-in-the-loop (HIL) braking experiments are used to verify the efficiency and stability of the proposed control algorithm. The method also proves that the on-off valve array can replace the servo valve perfectly as a new type of antiskid braking pressure control component.     

考虑电涡流效应的射流管伺服阀建模及频率特性

针对射流管伺服阀在电-磁-力-位移转换过程中的响应滞后问题,建立了考虑电涡流效应的力矩电动机数学模型,获取了力矩电动机的频率特性。以某型射流管伺服阀为例,建立了考虑电涡流效应的射流管伺服阀数学模型,得到了主要性能参数对伺服阀频率特性的影响规律。结果表明:气隙长度、气隙磁导率的增加以及气隙有效面积的减小会导致伺服阀响应变慢,控制线圈匝数不影响伺服阀的频率特性,导磁材料电导率的减小能提高伺服阀的响应速度。对伺服阀进行试验研究,理论值和试验值之间的差值约为5%,验证了所建模型的正确性和有效性。     

滑阀先导式高压气动减压阀结冰特性

针对自主研制的高压气动比例减压阀出现的结冰问题,结合数学仿真和流场计算进行了深入分析。结冰出现在先导阀中间腔而非温度最低的主阀排气腔说明温度并非导致结冰的唯一因素。建立了减压阀的数学模型,计算得出先导阀节流口面积比与先导阀中间腔压力以及温度的关系曲线,并得出使用2级和3级气源时先导阀中间腔结露的临界面积比分别为1.70和1.22。仿真结果表明,通过减小先导阀节流口面积比可以提高先导阀中间腔温度从而减少结冰的可能性。建立了先导阀的网格模型,用Fluent计算出阀内的流场分布,压力流场分布与理论计算符合得较好;速度流场及气流流线图表明出现结冰与气流受阀内结构阻挡有关,通过合理设计流道可有效避免结冰。     

基于LMI极点配置的高空台飞行环境模拟系统PI增益调度控制研究

针对高空台飞行环境模拟系统的温度和压力在整个工作包线内的鲁棒性能控制问题,提出了一种基于LMI极点配置的PI增益调度控制设计方法。在考虑变比热容腔微分方程、管道热传导、调节阀流量特性、液压伺服动态、传感器增益对飞行环境模拟系统造成的建模不确定性的基础上,建立了完整、准确的飞行环境模拟系统非线性模型;对非线性模型进行了线性化,并根据线性模型推导了基于LMI极点配置的PI控制器设计算法;在飞行环境模拟系统的工作包线内选取了36个稳态点设计了基于LMI极点配置的PI增益调度控制器;设计了两种飞行环境模拟试验来验证设计的PI增益调度控制器的鲁棒性能。仿真结果表明,飞行环境模拟系统温度的稳态误差和动态误差均小于0.1%,压力的稳态误差小于0.5%,动态误差小于0.7%。     

射流管式伺服阀冲蚀磨损特性

射流管式伺服阀是一种典型的两级流量控制电液伺服阀,其喷嘴至接收器部位的流场最复杂,会因液压介质的污染而产生冲蚀磨损。以射流管式伺服阀为研究对象,将计算流体力学(CFD)理论与冲蚀磨损理论相结合,应用雷诺平均Navier-Stokes方程、标准k-ε两方程模型(液相)、离散相模型(DPM)(固相)和塑性材料冲蚀磨损模型,通过流体动力学软件FLUENT建立射流管式伺服阀喷嘴至接收器部位的可视化仿真模型,并进行了冲蚀磨损率的数值模拟和理论寿命的计算。研究结果表明:液压介质中的固体颗粒对射流管式伺服阀的冲蚀磨损主要集中于左右接收孔所夹中间内壁区域,磨损率最大值随喷嘴偏移量的增加而减小且此趋势左右对称。研究方法和结果对于射流管式伺服阀故障的定性分析、预测和理论寿命的定量计算具有重要参考价值。     

Theoretical and experimental investigation on novel 2D maglev servo proportional valve

This paper presents a novel two-dimensional maglev servo proportional cartridge valve (2D maglev valve), where a contactless maglev coupling is introduced between electro-mechanical converter and valve body to realize functions of force transmission, spool position feedback and linear-rotary motion conversion. Such configuration can effectively reduce cost of both valve manufacturing and electro-mechanical converter, while still maintain features of 2D valve such as null pilot leakage, high power-to- weight ratio and excellent anti-pollution capacity. Firstly, the characteristic equation of the valve is derived using linear theory, and the stability criterion is established for parameter determination. The influences of crucial structural parameters such as initial height of overlapping area, width of high-pressure and low-pressure holes, acting radius of magnetic force, pitch angle of maglev coupling, length of sensitive chamber and system pressure on the dynamic response are investigated based on AMESim numerical simulation. The prototype valve is then designed and manufactured and a special test rig is built. The no-load flow characteristic, load flow characteristic, leakage characteristic, amplitude and phase frequency characteristics and step response under different system pressures are measured. The experimental results are in a good agreement with the simulated analysis. As an over-damped system, the prototype valve has excellent working stability, which can reach a no-load flow rate of 105.9 L/min with hysteresis of 3.51%, amplitude bandwidth of 28.7 Hz and phase bandwidth of 42.8 Hz under 21 MPa. The research indicates that the 2D maglev valve can be a potential solution of flow rate control valve for flight control surface system of civil aircraft with high pressure and large flow rate application.     

基于速度同步控制的电液负载模拟器

通过理论与试验相结合的方法建立了电液力伺服控制系统的精确非线性数学模型 ,从理论上对采用传统的结构不变性原理来消除多余力的方案进行了分析 ,找出了其效果有一定局限性的机理 ,说明电液力伺服系统的非线性和频率特性对电液负载模拟器的性能有较大的影响 ,进而提出了利用舵机伺服阀的控制信号进行速度同步控制、抑制多余力矩的新方案 ,消除了系统滞后的影响 ,另外 ,由于舵机与加载马达数学模型的相似性 ,对非线性起到了一定的补偿作用。仿真和试验结果证明该方案在系统的动态品质、鲁棒性和消扰能力等方面具有相当好的效果。     

高速开关阀控电液位置伺服系统自适应鲁棒控制

为研究高精度的液压缸位置跟踪控制问题,设计了高速开关阀和换向阀组合控制液压缸的结构方案,并通过实验分析了高速开关阀的静态流量特性。建立了液压缸的连续可微摩擦模型,利用粒子群优化算法对其参数进行辨识。建立了系统的非线性数学模型,基于非连续参数映射和反步法设计了直接自适应鲁棒控制器,通过参数在线自适应调节来更新估计值和鲁棒反馈项支配参数不确定性,实验结果表明:在跟踪幅值为5mm,频率为0.4Hz的正弦信号时,最后一个周期的最大跟踪误差、平均跟踪误差及其标准差分别为0.638、0.25mm和0.405mm,与传统PID控制器相比,控制精度显著提升,旨在为实现高精度的数字阀控位置伺服技术提供有价值的参考。      

流量调节器管路系统自激振荡特性研究（液体火箭推进专刊）

流量调节器管路系统在小流量大压降工况下会出现低频自激振荡现象,为了深入认识自激振荡产生机理,结合某型自稳流型流量调节器及管路系统,基于流量调节器弹簧振子动力学模型开展数值仿真研究。数值仿真得出自激振荡频率为94 Hz,与发动机试验结果一致。自激振荡产生机理是流量调节器的液动力受滑阀窗口型面变化率影响对系统形成正反馈作用,流量调节器综合刚度小于零时系统失稳。分析了流量调节器结构参数对系统稳定性的影响作用,三角形滑阀节流口流通面积能够抑制管路系统自激振荡。结合某型流量调节器负载特性试验系统进行验证,得出随着流量调节器压降升高,管路系统稳定性变差,获得的幅频特性,稳定边界与试验结果一致。     

插装式二维(2D)伺服阀的理论分析与实验研究

针对传统伺服阀导控级和功率级平行放置而无法实现插装的问题,研究了一种新型的插装式二维（2D）伺服阀,其特点在于：先导级和功率级集成在单个具有双自由度的阀芯上;力矩马达与阀芯同轴连接,并安装在阀芯末端。通过力矩马达直接驱动阀芯转动,然后利用伺服螺旋机构放大功率并驱动阀芯直线运动,从而控制输出流量。同时可以采用直线位移传感器（LVDT）进行检测阀芯位移,实现位置闭环控制以提高阀的控制性能。为了探究其开环特性,首先建立力矩马达和2D阀的数学模型,求得其开环传递函数;然后,通过仿真了解关键参数对系统动态响应的影响;最后,进行实验研究,验证该阀设计的可行性。实验表明,在满量程输入的情况下,该阀开环时滞环为5%,分辨率≤ 1%,响应时间为10 ms,动态频响为35 Hz;闭环下性能显著提高。插装式2D伺服阀结构简单,尺寸小,质量轻,响应快和控制精度高,在航空航天及军工领域有广阔的应用前景。     

震荡磨削在伺服阀阀套内环槽工作边加工中的应用

滑阀副是通过阀芯、阀套重叠处阀口控制流体流动方向及流量大小的,阀套工作边棱边质量对伺服阀工作性能有决定性影响。阀套内环槽全开口工作边常常利用硬车后研磨的工艺方法加工,存在加工质量不稳定而返工的问题。分析了阀套工作边震荡磨削加工的磨削原理,采用震荡磨削开展了阀套内环槽全开口工作边的加工研究。基于正交实验设计,构建了震荡磨削实验,研究了震荡速率和轴向进刀速度对表面质量、毛刺高度和锐边完整性的影响。经数学分析表明,Z轴和X轴进给速度对表面粗糙度和毛刺高度的影响相对一致,va越大、vf越小,对应的表面粗糙度越低、毛刺越小。实验结果表明,震荡磨削是伺服阀全开口阀套工作边精密加工的一种可行方法,可以广泛应用于起阀口作用的内外环槽结构的加工中。     

动压反馈伺服阀的反馈性能测试方法

为准确测量动压反馈伺服阀的反馈网络时间常数τ,提出一种用频率扫描法来测量时间常数的方法。建立了动压反馈伺服阀的反馈压差与加载压差的传递函数,该传递函数是关于τ的表达式。据此,只要能获取该传递函数,就可以计算出时间常数的值。为此,设计了专门的测试装置,通过试验法获取该传递函数的幅频特性,从而间接计算出τ。测试装置由一个加载伺服阀为被测伺服阀提供幅值恒定、频率递增的交变负载,通过一个数字控制器实现加载压力幅值的恒定控制。试验测试表明,测试过程可行,结果准确可靠,能够满足实际要求。     

大摩擦情况下三轴飞行模拟转台QFT鲁棒控制器的设计

三轴飞行模拟转台是用于飞行控制系统半实物仿真的高性能位置跟踪和速度跟踪的一个重要设备。摩擦力和不确定性是三轴飞行模拟转台伺服系统的主要特性。在基于转台的动态和静态非线性Stribeck摩擦模型描述的基础上 ,考虑转台伺服系统的实际不确定性 ,设计了QFT鲁棒控制器 ,并给出了仿真和实时控制效果。     

Thermodynamic Characteristic Study of a High-temperature Flow-rate Control Valve for Fuel Supply of Scramjet Engines

Thermodynamic characteristics are of great importance for the performance of a high-temperature flow-rate control valve,as high-temperature environment may bring problems,such as blocking of spool and increasing of leakage,to the valve.In this paper,a high-temperature flow-rate control valve,pilot-controlled by a pneumatic servo system is developed to control the fuel supply for scramjet engines.After introducing the construction and working principle,the thermodynamic mathematical models of the valve are built based on the heat transfer methods inside the valve.By using different boundary conditions,different methods of simulations are carried out and compared.The steady-state and transient temperature field distribution inside the valve body are predicted and temperatures at five interested points are measured.By comparing the simulation and experimental results,a reasonable 3D finite element analysis method is suggested to predict the thermodynamic characteristics of the high-temperature flow-rate control valve.     

某型航空活塞发动机排气门烧蚀机理

针对某型航空活塞发动机在运行中因使用国产高铅燃油而时常发生较严重的排气门烧蚀故障的问题,通过对该型发动机上全新、使用过以及已烧蚀排气门的微观金相分析,结合该型发动机的结构设计和实际运行环境分析这种排气门烧蚀故障的发生机理,认为排气门运行温度过高导致排气门密封面上的抗腐蚀保护层被破坏掉是导致排气门烧蚀的根本原因,而高铅燃油中的铅沉积在排气门密封面上导致排气门散热不良是排气门过热的主要原因.据此提出改用低铅燃油减少铅沉积以改善排气门散热条件、降低排气门运行温度的解决方案,经实际运行测试证明排气门密封面上的抗腐蚀保护层得到了有效保护,解决了该型发动机的排气门烧蚀故障.      

J—8ACT验证机平尾助力系统抖振分析

本文对J-8ACT验证机纵向数字电传操纵系统所使用的平尾助力系统的抖振原因和抑制措施进行了线性和非线性分析。证明了引起助力系统抖振的主要原因,除由流量特性决定的过大的流量系数外,对于内反馈式的助力系统来说,不可避免的安装支承间隙是一个重要因素。机械输入式液压伺服裝置的一些重要特性是由滑阀摩擦引起的。这种受机械反馈影响的特殊摩擦力,具有增加液压作动器的增益和滞后作用。由于这个特点,它能抑制/消除助力系统抖振。     

飞机电液伺服阀早期故障征兆诊断

电液伺服阀是飞机刹车系统的重要执行部件,影响着飞机的着陆安全。针对某型飞机电液伺服阀故 障多发的问题,运用一元线性回归分析方法构建刹车系统电液伺服阀的分析模型,根据分析模型和故障征兆判 据对电液伺服阀近期的工作数据进行分析和故障征兆诊断。结果表明:基于回归分析的故障诊断方法可以准 确地诊断电液伺服阀存在的故障征兆;早期故障征兆诊断可以预先发现电液伺服阀潜在的故障隐患,降低故障 发生率,显著提高飞机刹车系统的安全性和可靠性,也有助于优化维修策略和降低飞机全寿命维护成本。     

喷注壁面外掠平板层流边界层速度和温度的HPM-Padé解析解

运用HPM-Padé(同伦摄动-帕德逼近)法导出了当喷注流体速度与距平板前缘距离的平方根成反比时,不可压缩常物性流体外掠平板层流边界层内无量纲速度和无量纲温度解析表达式,无量纲流函数1阶导数的HPM-Padé解析解与4阶龙格库塔法的数值解结果一致.利用HPM-Padé解析解研究了喷注系数和流体Prandtl数对速度和温度分布的影响.结果表明:Prandtl数越大,温度边界层越薄,壁面温度梯度越大;喷注系数越大,速度边界层厚度和温度边界层厚度越大,壁面速度梯度和壁面温度梯度越小,壁面喷注对平板有隔热作用;当喷注系数为0.619时,壁面的速度梯度和温度梯度为零,高温来流向壁面的传热被喷注流体完全阻隔.