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液压系统方案设计的特征状态方法

马文勇  
【摘要】: 本论文在国家自然科学基金项目(No.50775016)与国家高技术研究发展计划项目(863计划)(No.2006AA042101)的资助下,结合工程设计背景,对液压系统创新方案设计理论与方法进行了深入研究。将液压系统方案设计问题转化为特征状态空间的路径规划问题,并由此建立了液压系统方案设计的能量特征状态空间模型。 本文首先建立液压系统的能量特征状态表述。提取液压能与机械能的若干属性特征以能量特征状态矢量的形式对系统内的能量信息进行定性表述。依据系统主机所需完成的机械动作将总系统分解为若干个实现单一动作的子系统,并将每个单动作子系统的工作过程简化表述为一系列输入输出能量特征状态矢量的线性变换过程。 将泵、缸/马达、压力、流量控制阀等能量调控元件的物理结构与使用方式相结合,定义两类基本变换单元作为单动作子系统方案设计阶段的最小功能选择单元。并以功能分析为基础构建基本变换单元的能量特征状态变换方程,由此获得能量特征状态变换矩阵作为基本变换单元的定性功能表达。归纳总结常用基本变换单元并分别给出其各自对应的能量特征状态变换矩阵,为单动作子系统方案设计提供单元库。 由所有能量特征状态矢量的全体构建能量特征状态空间,通过建立基本变换单元、子系统与空间元素的映射关系获得单动作子系统方案设计的空间求解模式。并据此构建单动作子系统方案设计模型,利用初始与需求的液压能特征状态矢量建立单动作子系统的能量特征状态变换方程,获取该方程的系数矩阵来描述子系统的功能特征。进而通过子系统级矩阵的分解及其与基本变换单元矩阵的匹配实现单动作子系统方案的自动综合求解。 对换向阀的通断逻辑控制功能作进一步的抽象与提取,定义基本组合单元为子回路组合方案设计阶段的最小功能选择单元。并以连通状态图、连通状态矩阵的形式对基本组合单元的功能知识进行定性表达。归纳整理2至5通基本组合单元的全部独立结构形式,并分别给出其各自对应的连通状态图与连通状态矩阵表达,为子回路组合方案设计提供单元库。 建立基于图匹配的子回路组合方案设计模型。将各单动作子系统方案抽象为表述其内部元件连通关系的子系统有向连通状态图,并由整个工作周期内所有子系统有向连通状态图的叠加组合形成系统有向连通状态图。经由一系列化简、分解操作后,将系统连通状态图(或其分解子图)按工况时序依次展开,使每一时序展开图唯一描述该时序下系统内一组元件间的通断关系。最终通过时序展开图与基本组合单元连通状态图的匹配来获得相应基本组合单元并由此构成换向阀,完成子回路组合方案设计。 最后将本文所构建的能量特征状态空间模型应用到实际液压系统方案设计过程中,通过具体设计实例验证了本文所建模型的可行性与有效性,为液压系统创新方案设计探寻了一种新方法、开辟了一条新途径。


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