上银奖 | EHA轴向柱塞泵高速化若干关键技术研究——潮群

2021-04-08

2021年3月21日,第十届“上银优秀机械博士论文奖”颁奖典礼在武汉隆重举行。“上银优秀机械博士论文奖”旨在提高中国(大陆、台湾及港澳地区)机械工程领域博士生的教育质量,鼓励科技创新,增进企业界与学术界互动,是国内机械工程领域博士论文的最高荣誉。

2020年第十届上银优秀机械博士论文奖,授银、铜、优秀、佳作、特别奖共25篇论文。

其中,由浙江大学杨华勇、张斌指导,钟麒完成的《面向负载口独立控制的可编程阀关键技术研究》获得铜奖;由浙江大学徐兵、张军辉指导,潮群完成的《EHA轴向柱塞泵高速化若干关键技术研究》获得优秀奖。

现将这两篇获奖论文分享给大家,为广大读者及研究人员提供新的研究思路,为作者及团队提供展示平台。

研究背景及主要工作


《<中国制造2025>重点领域技术路线图》明确提出电静液执行器(ElectroHydrostatic Actuator, EHA)是未来我国航空航天领域伺服作动系统的关键技术与发展方向。超高速轴向柱塞泵(转速大于10000 r/min)是EHA系统中设计难度最大的液压元件,面临着依赖进口和国外封锁禁运的局面,造成我国高端机电装备“空心化”并威胁国防安全。本论文选题源于973 计划项目“大型飞机电液动力控制与作动系统新体系基础研究”,围绕极端工况下柱塞泵复杂动力学行为与失效机理这一科学问题,针对EHA柱塞泵高速化面临的关键摩擦副失效、核心旋转组件失稳、柱塞腔内油液空化三大技术挑战展开研究,选题具有很强的工程应用背景和重要的学术研究价值。研究成果为超高速 EHA 柱塞泵的研制提供了理论基础与技术支撑,对保障航空航天设备安全运行具有重要意义。

图1:EHA柱塞泵在航空航天领域的应用

创新1:关键摩擦副微米级油膜拟实工况多位置测量方法

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攻克了柱塞泵密闭狭小空间内多传感器安装布局及信号传输技术难题,提出了滑靴副瞬变油膜多物理场拟实工况测量方法,多位置拟合测得滑靴副分布式油膜参数动态特性,国际上首次实测滑靴自旋转速,测试结果从微观层面揭示了摩擦副油膜承载特性在失效累积过程中的演化规律。测试装备工况拟实程度、测量参数种类与数量等主要指标优于国际同类测试系统。

创新2:核心旋转组件新型结构设计与尺寸误差控制准则

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创新设计了约束滑靴微观自由度的一体式滑靴-回程结构,解决了高速高压工况下滑靴失稳偏磨难题;提出了长缸体凸台-鼓形主轴花键新型联接方式,通过解耦主轴-缸体宏微观自由度实现了高速缸体自适应稳定性;建立了旋转组件多体动力学模型,揭示了旋转组件尺寸误差对配流副承载特性的影响规律,提出了高速旋转组件尺寸误差控制准则,为EHA柱塞泵核心零部件的加工及装配提供了理论指导。

创新3:旋转变容柱塞腔油液空化模型与自增压抑制方法

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建立了离心效应下柱塞腔内油液空化理论与仿真模型,阐明了旋转变容积柱塞腔内油液含气型与蒸汽型空化形成机理,揭示了不同工况下油液空化时空演变规律,提出了小排量超高速柱塞泵极限转速和入口压力设计准则,设计了抑制空化发生的偏置型缸体腰形槽结构,突破了柱塞泵自吸转速理论极限,高速工况下EHA柱塞泵自吸性能提升了4%。

研究成果

本论文被评为中国机械工程学会第10届上银优秀机械博士论文奖(优秀奖),浙江省优秀博士学位论文。部分研究成果在Tribology International、Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics、Chinese Journal of Aeronautics等国际高水平期刊上发表SCI论文17篇,其中2篇论文入选ESI高被引论文(Top 1%),1篇论文入选中国航空学会2013~2018年高被引论文。研究成果支撑了973计划项目10000 r/min超高速EHA柱塞泵样机的研制以及中航工业618所等国防军工单位新产品的研发。

图2:浙江省优秀博士学位论文

图3:中国航空学会高被引论文

图4:EHA柱塞泵样机及舵机地面模拟试验

图5:本文作者潮群在973项目结题验收现场

课题相关论文列表

期刊论文:

[1]Chao Q, Zhang J, Xu B, Huang H, Pan M. A review of high-speed electro-hydrostatic actuator pumps in aerospace applications: challenges and solutions. Journal of Mechanical Design, 2019, 141(5): 050801.

[2]Chao Q, Zhang J, Xu B, Wang Q. Discussion on the Reynolds equation for the slipper bearing modeling in axial piston pumps. Tribology International, 2018, 118: 140–147. (ESI高被引论文)

[3]Chao Q, Zhang J, Xu B, Huang H, Zhai J. Effects of inclined cylinder ports on gaseous cavitation of high-speed electro-hydrostatic actuator pumps: a numerical study. Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, 2019, 13(1): 245–253.

[4]Chao Q, Zhang J, Xu B, Wang Q, Huang H. Test rigs and experimental studies of the slipper bearing in axial piston pumps: a review. Measurement, 2019, 132: 135–149.

[5]Chao Q, Zhang J, Xu B, Wang Q. Multi-position measurement of oil film thickness within the slipper bearing in axial piston pumps. Measurement, 2018, 122: 66–72.

[6]Chao Q, Zhang J, Xu B, Huang H, Zhai J. Centrifugal effects on cavitation in the cylinder chambers for high-speed axial piston pumps. Meccanica, 2019, 54(6): 815–829

[7]Chao Q, Zhang J, Xu B, Chen Y, Ge Y. Spline design for the cylinder block within a high-speed electro-hydrostatic actuator pump of aircraft. Meccanica, 2018, 53(1–2): 395–411.

[8]Chao Q, Zhang J, Xu B, Shang Y, Jiao Z, Li Z. Load-sensing pump design to reduce heat generation of electro-hydrostatic actuator systems. Energies, 2018, 11(9): 2266.

[9]Zhang J, Chao Q, Xu B. Analysis of the cylinder block tilting inertia moment and its effect on the performance of high-speed electro-hydrostatic actuator pumps of aircraft. Chinese Journal of Aeronautics, 2018, 31(1): 169–177. (ESI高被引论文)

[10]Zhang J, Chao Q, Xu B, Pan M, Wang Q, Chen Y. Novel three-piston pump design for a slipper test rig. Applied Mathematical Modelling, 2017, 52: 65–81.

[11]Zhang J, Chao Q, Wang Q, Xu B, Chen Y, Li Y. Experimental investigations of the slipper spin in an axial piston pump. Measurement, 2017, 102: 112–120.

[12]Xu B, Chao Q, Zhang J, Chen Y. Effects of the dimensional and geometrical errors on the cylinder block tilt of a high-speed EHA pump. Meccanica, 2017, 52(10): 2449–2469.

[13]Zhang J, Chao Q, Xu B, Pan M, Chen Y, Wang Q, Li Y. Effect of piston-slipper assembly mass difference on the cylinder block tilt in a high-speed electro-hydrostatic actuator pump of aircraft. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, 2017, 18(7): 995–1003.

[14]Zhang J, Chen Y, Xu B, Chao Q, Zhu Y, Huang Xiaochen. Effect of surface texture on wear reduction of the tilting cylinder and the valve plate for a high-speed electro-hydrostatic actuator pump. Wear, 2018, 414: 68–78.

[15]Zhang J, Chen Y, Xu B, Chao Q, Liu G. Multi-objective optimization of micron-scale surface textures for the cylinder/valve plate interface in axial piston pumps. Tribology International, 2019, 138: 316–329.

[16]Zhang J, Chen Y, Xu B, Pan M, Chao Q. Effects of splined shaft bending rigidity on cylinder tilt behaviour for high-speed electro-hydrostatic actuator pumps. Chinese Journal of Aeronautics, 2019, 32(2): 499–512.

[17]Zhang J, Li Y, Xu B, Pan M, Chao Q. Experimental study of an insert and its influence on churning losses in a high-speed electro-hydrostatic actuator pump of an aircraft. Chinese Journal of Aeronautics, 2019, 32(8): 2028–2036.

[18]徐兵, 潮群, 张军辉, 李莹. 基于平衡系数的滑靴优化模型. 浙江大学学报(工学版), 2015, 6: 1009–1014.

会议论文:

[19]Chao Q, Zhang J, Wang Q, Xu B, Chen Y. Experimental verification of slipper spinning motion in axial piston pumps. ASME/BATH 2017 Symposium on Fluid Power and Motion Control, 2017, Sarasota, USA.

研究团队介绍

高性能液压驱动研究团队现有教师5人,其中教授2人,高级工程师1人,博士后2人,是浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室、国家电液控制工程技术研究中心科研团队的核心组成部分,在读研究生28名。团队以流体动力基础件和机电装备电液控制系统在工程机械、航空航天等领域的应用研究为重点,主要研究方向包括高速重载变量轴向柱塞泵设计理论与测试方法、高频响大流量电液控制阀高精度控制技术、电液控制系统的高效功率传递与能量调控等。

团队负责人介绍

徐兵,教授,博士生导师,教育部长江学者特聘教授。现任流体动力与机电系统国家重点实验室主任,机械电子工程系主任;中国机械工程学会理事;中国工程机械学会理事;中国机械工程学会机器人分会常务会员;中国机械工程学会流体传动与控制分会副主任委员,液压专业委员主任;中国液压气动与密封件工业协会专家委员会委员;中国工程机械学会特大型工程运输车辆分会副理事长;中国航空学会流体传动与控制专业委员会委员;全国液压气动标准化技术委员会委员;ISO-TC131国际标准专家组成员等。

先后作为项目负责人获得973、863、国家科技支撑计划及国家自然科学基金等国家和省部级纵向课题二十余项,研究成果已在IEEE/ASME Transactions on Mechatronics等国际刊物上发表SCI论文80余篇,EI论文80余篇(不含同时被SCI收录论文),申请发明专利50余项,已获授权国家发明专利40余项。荣获国家科技进步二等奖1项,省部级科技进步一等奖4项及二等奖1项。

其他部分主要团队成员介绍

张军辉,博士生导师,国家优秀青年基金获得者,浙江大学“百人计划”研究员(自然科学B类),浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室副主任。任中国机械工程学会流体传动与控制分会委员,青年工作副主任;中国航空学会航空机电、人体与环境工程分会青年工作委员。

2007年、2012年分别获浙江大学工学学士、工学博士学位(导师:杨华勇院士、徐兵教授)。主要围绕航天航空飞行器及高动态液压足式机器人开展高功率密度液压驱动基础理论研究,以负责人身份承担国家自然科学基金3项,国防军工单位委托科研项目10余项,以技术骨干参与973课题1项、国家科技支撑计划2项、国家自然科学基金重点和重大项目各1项等。研究成果已在机电领域国际刊物上录用发表SCI论文60余篇,其中第一/通讯作者40余篇,获得2015年中国机械工程学会优秀论文奖1篇,2017年第二届中国科协优秀科技论文奖1篇,国际会议最佳论文奖3篇,授权发明专利20余项。获得中国机械工业科学技术奖一等奖2项(分别排2和5),高等学校科学研究优秀成果奖(科学技术)二等奖1项(排2)。

潮群,安徽安庆人。中国机械工程学会高级会员,全国博士后创新人才支持计划、上海市“超级博士后”奖励计划资助对象。2019年博士毕业于浙江大学机械电子工程专业,获工学博士学位,目前在上海交通大学从事博士后研究工作,研究方向为液压系统故障预测与健康管理。

长期担任《液压与气动》,Chinese Journal of AeronauticsJournal of TribologyEngineering Applications of Computational Fluid MechanicsMeasurement,等多个国内外期刊审稿人。先后主持国家自然科学基金青年科学基金以及中国博士后科学基金(面上一等)各1项,参与973计划项目、国家重点研发计划项目等4项。博士学位论文获中国机械工程学会上银优秀机械博士论文奖(优秀奖)以及浙江省优秀博士学位论文。研究成果发表SCI论文23篇,EI论文6篇,核心期刊论文2篇,其中2篇入选ESI高被引论文(Top 1%),1篇入选中国航空学会2013~2018年高被引论文,1篇获第11届全国流体传动与控制学术会议优秀论文。荣获中国机械工业科技进步特等奖1项。



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