机电液系统动能刚度原理与方法

第1章 绪论 1.1 概述 机械工程学科是连接自然科学与工程行为的桥梁，它与相关自然科学、工程科学交叉融合，并朝着复杂机电系统设计制造集成科学的方向发展，成为当今机械设计与制造科学研究的重要特点[1]。现代复杂机电系统是将多种单元技术集成于机电载体，形成特定功能的复杂装备。工程建设﹑冶金﹑矿山﹑国防﹑材料等领域装备的大型复杂机电系统一般采用液压传动与控制技术，如连轧机、连铸机、大型盾构掘进机、采煤机、重型操作装备、压力机、柔性制造系统、火炮与车辆、大型船舶、工程机械等无不是集机、电、液和控制技术于一体的多能量域耦合系统，为突出液压和液力传动的技术特点，故又称之为机电液（一体化）系统，但技术范畴仍然属于复杂机电系统。机电液系统的发展趋势可以概括为三个方面：①性能上向高精度、高效率、高性能、智能化的方向发展；②功能上向小型化、大型化、多功能方向发展；③层次上向系统、综合集成化的方向发展。随着智能化程度的不断提高，大型装备的结构和信息传递过程越来越复杂，已经成为机电液一体化的综合体。 机电液一体化系统（electromechanical hydraulic integration system，EMHIS）通常包括机械、电气、液压、控制、润滑等物理子系统，装备运行时，各子系统间进行着能量、物质与信息流的多种传递、转换和演变，由它们所组成的复杂系统在极端工况下所表现出来的强耦合特性和复杂性更加引起国内外学者的关注，特别在机电耦合、流固耦合、热弹耦合、摩擦学与动力学耦合等方面的研究已经成为复杂机电系统动力学分析的核心组成部分。《机械工程学科发展战略报告（2011～2020）》明确提出[1]：在未来5～10年，应加强对复杂机电系统共性基础科学问题的研究。组织跨学科优势研究团队进行联合攻关，力争在复杂机电装备的系统研究方法、物质流-能量流-信息流协同设计、复杂机电系统多领域建模与多学科优化等共性科学问题上取得重要的理论突破，解决复杂机电系统运行安全性、可靠性、故障诊断与运营维护等关键基础技术的问题，逐步形成复杂机电系统集成科学的综合理论体系与关键基础技术，使我国复杂机电系统的整体科研水平位于国际前列。 1.2 机电液系统的构成及特点 1.2.1 机电液系统的产生及研究背景 1.机电液一体化的产生及特点 自20世纪80年代起，液压与液力传动技术在大功率机械构成中所占的比例越来越大，为突出这一特点，人们将大功率机械系统的机电一体化称为机电液一体化。在这一领域内，紧紧围绕两个方面进行研究：一是以提高设备的工作和操控性能、节省能源等为目的的机械、电子、液压融合技术；二是以提高作业（产品）质量为目的的机电液一体化控制技术。基于用产品设计思想丰富理论研究的理念，逐渐形成了该领域特有的技术优势。 2.研究目标和内容 机电液一体化是从系统的观点出发，将机械技术、电子技术、液压技术、计算机信息技术、自动控制技术等在系统工程的基础上加以综合，为实现整个系统性能*优化而提出的。机电液一体化研究内容主要包括：①机电液一体化技术；②机电液系统虚拟设计；③运行状态智能化监测及可靠性分析；④机电液系统动力学等。 3.大型机电液系统应用现状 采矿、冶金、制造、工程建设、船舶运输等国家经济建设重点领域中的大功率高耗能重型设备在国民经济发展中处于举足轻重的地位（图1.1），起到至关重要的市场经济带动作用，然而高耗能以及低效率使其占有较大的能源消耗份额，加大了能源供给负担，如大型盾构掘进机功率数千千瓦，效率却不高于70%[2]。以上重型设备大都采用了液压传动与控制技术，然而液压传动系统虽功率密度大、适应性强，但效率低下、可靠性低，尤其是极端工况下表现出的效率下降、性能退化、非线性动力学特征明显等问题[3]，制约了系统向大型、集成、高压、高速等方向发展。极端工况下的节能环保、性能可靠等问题是国内外大力发展大功率、低能耗、高性能机电液装备所面临的共同挑战。 机电液系统全局结构的复杂性、子系统的耦合性，尤其是其工作环境极端恶劣、工况复杂多变，使设备在运行过程中对运行性能以及可靠性方面的需求日益增强。尽管机电液装备失事的致命性较大型旋转机械低，但对环境、工程以及产品质量的影响不可低估。图1.2为某轧钢企业2014年一季度的设备故障分析报告图，由图可知：大型机电液系统中液压传动设备的故障频发，且故障类型多样、不易准确定位，为设备的运行安全保障带来了难度，严重制约了企业生产和管理水平的提升。 图1.1 典型机电液一体化设备 图1.2 某轧钢企业2014年一季度设备故障分析报告 我国企业对大型机电液装备运行可靠性及安全保障技术方面的需求远比故障诊断技术迫切，在大型液压设备中不惜重金选择可靠性高的进口元件。设备的可靠性不仅与元件有关，还与系统的匹配设计、工作介质以及运行安全保障技术水平密切相关。目前，液压设备的故障诊断以及可靠性安全保障研究无论在理论上还是技术上都落后于旋转机械，主要原因是在多能量域、多物理场耦合作用下其功能界面上能量转化机理以及系统功能和性能演化过程信息尚不清楚，导致设备运行状态监测参数缺乏领域背景和含义。 1.2.2 机电液系统的功能结构 1.系统的功能 对现代工业来说，任何生产过程或工程装备都可以看作是对物资质流、能量流和信息流进行变换、传输和存储的物理系统，如图1.3所示。其中信息流是控制和管理物质流和能量流的依据，而系统中的各种信息，如设备的运行状态信息、物料的几何与物理性能信息、能耗信息等都必须通过各种检测方法利用在线、离线或遥测的各种检测设备获取，检测到的状态信息经过分析、判断和决策，得到相应的控制信息，并驱动执行机构实现过程控制。目前，普遍认为：物质、能量和信息是人类社会和自然界的三大支柱，是科学历史上三个*重要的概念。当前人类进入信息社会，获取、传输、交换和利用信息已经成为人类的基本活动。如图1.3所示，生产过程中的主要特征和功能都是从能量流、物质流的信息流中体现出来的，系统中能量流、物质流和信息流都有它们特殊的形态和变化规律。物质流是能量流的载体，同时又在能量驱动下运动着，二者驱动都是在信息流控制与协同下进行，即根据系统运行状态与目标功能/状态的差异，信息流通过控制执行单元调整系统的能量与物质流状态，实现系统预期目标功能或运行状态。 图1.3 生产过程和装备中物质流、能量流和信息流的关系 机电液一体化系统设计理论中首先强调结构，并从结构角度来分析系统的功能和动力学行为（运行性能及状态），即认为系统的结构决定了它的功能以及动力学行为。机电液系统由控制单元、检测单元、执行单元、机械单元和动力源五大结构组成，各结构之间的关系如图1.4所示。由于智能控制的日益发展，机电液系统不仅是由动力源驱动的机电设备，并且已发展成为实现高精度、高稳定性、高可靠性的由信息流驱动的复杂机电系统。基于系统能量流、物质流的信息流的协同设计，从系统所要实现目标功能的物理本征原理出发，在系统层面上研究复杂机电系统的科学集成与创新设计理论，以及集成设计后实际功能生成中多能量域耦合以及协调状态的智能控制。 2.系统的外部功能 机电液系统（或装备）是由若干具有特定功能的子系统组成的有机整体，具有满足人们使用要求的外部功能（目的功能），根据不同的使用目的，要求系统能对输入的物质、能量和信息（即工业三大要素）进行某种处理，输出所需要的物质、能量和信息，如图1.5（a）所示。因此，系统必须具有三大目的功能：①变换（加工、处理）；②传递（移动、输送）；③存储（保存、记录）。系统或以物料加工为主，如各种机床、加工及运输机械；或以能量转换为主，如电机、内燃机、水轮机、液压泵等；或以信息处理为主，如各种仪器、仪表、计算机和办公设备等。 图1.4 机电液系统五大结构之间的关系 图1.5 机电液系统的内外部功能 3.系统的内部功能 机电液装备具备5种内部功能：①主功能；②动力功能；③控制功能；④耦合功能；⑤跟踪功能，如图1.5（b）所示。 其中，主功能是实现外部功能直接必需的功能，即对系统输入的物质流、能量流和信息流的变换、传递和存储；动力功能向系统提供能量；控制功能包括信息检测、处理及控制，实现系统正常运转；耦合功能是使各子系统及部件维持特定的能量转换以及时间和空间上的相互关系，是保证系统工作中的强度和刚度所必需的功能；跟踪功能是系统的动力机构在效益*大化目标下对负载工况的自适应匹配。 4.机电液系统内外部功能关系 系统的外部功能是通过其内部功能实现的。金属材料加工领域的重要装备大多采用机电液系统，以自动轧钢机系统轧制钢锭为例，其原理如图1.6所示。该系统由计算中心、控制系统、通信系统、测力计、测厚仪和轧辊组成，如图1.6（a）所示。其中，计算中心负责信息的处理、运算和控制，控制系统负责控制轧辊，通信系统负责信号的检测与传输，测厚仪用于测量钢板厚度尺寸，测力计用于测量轧制力，轧辊用于完成钢板的轧制。 图1.6 自动轧钢机系统原理图 自动轧钢机系统内部功能的实现如图1.6（b）所示：被轧制的钢锭在高温状态下进入轧机（机电液系统），计算中心根据测量的厚度和力的信息，结合所轧制钢材的材料特性、轧制速度等多种因素进行分析、计算，从而获得工艺调节参数，再由控制系统根据调节参数调整轧辊的位置，以确保在各种干扰条件下轧制的钢板厚度均匀，动力单元则根据金属型材和材料特性要求，自适应地改变输入给系统的转速和扭矩，在系统内部功能的作用下将毛坯钢锭转换成某种尺寸规格的金属型材（外部功能）。对于柔性制造系统、采煤机、盾构机、工程机械等常见的机电液一体化产品，也可按此分析其内外部功能构成。 1.3 机电液系统的基本要素及技术特征 1.3.1 机电液系统的基本要素 机电液系统由诸多要素或子系统构成，各子系统之间必须能顺利进行物质、能量和信息的传递与交换，通过控制器和接口使各要素或子系统连接成为一个有机整体，使各个功能环节有目的地协调一致运动，达到通用性、耐环境性、可靠性、经济性的设计目标。机电液一体化系统可以看作是模仿人体的结构，若与人体结构相类比，可以形象地概括出系统的功能结构，见图1.7。 图1.7 机电液系统的要素及与人体结构的类比