液压设备动能刚度原理、性能退化机理及运行安全保障研究

Given urgent demand of performance reliability and operational security guarantee technology for large hydraulic equipment used in construction of national economy such as construction machineries, continuous casting and rolling lines, shield tunneling machines, resource extraction equipment, ships and vehicles, the kinetic energy stiffness models and state parameters are used for monitoring and performance evaluation in this study. This study is based on essential attribute that failure can be both condition (capability and status) and process (initiation and propagation), and make an intensive study of the basic science issues and practical engineering technology about device failure prediction and operational security, including the work of establishing extreme condition test platform and dynamic model of hydraulic variable speed system, researching the theory and method relating to modeling, matching, soft-sensing and online graphic recognition of kinetic energy stiffness, the mechanism of performance degradation in the extreme conditions, the fault feature extraction and recognition based on the signal of speed fluctuation and power, researching reliability evaluation and operational security technology based on fault modeling and fault mechanism analysis. This research is motivated by urgent needs of academic frontier and engineering practice, which can provide fault prognosis and operational safety guarantee technology in a universal way, significantly improve service performance and operational security of equipment, which have important theory and application value.

针对国民经济建设中工程机械、连铸连轧机组、盾构掘进机、资源开采设备、船舶与车辆等液压设备运行过程中对性能可靠及安全保障技术的迫切需求，基于故障既是状态(设备性能和状况)又是过程(故障萌生和扩展)这一本质属性，利用设备运行过程中的动能刚度模型和状态参数进行监测与评估，深入研究设备故障预示与运行安全保障的基础科学问题和工程实用技术，包括建立变转速液压设备动力学模型以及典型和极限加速试验平台；动能刚度的建模、匹配、软测量以及在线图示化识别理论和方法；极端工况下设备性能退化与演化机理；早期故障发生和发展与动能刚度演化的本质联系；基于转速波动与功率信号的故障特征提取与识别方法；基于故障建模机理分析和信号特征提取的运行可靠性评估与安全保障技术。研究工作源于学科前沿和工程实际的迫切需求，提供具有普遍意义的故障预示与运行安全保障理论与技术，有效提高设备服役性能及运行安全保障，具有重要的理论意义与应用价值。

针对国民经济建设中工程机械、连轧机组、盾构掘进机等液压设备（或称机电液系统）运行过程中对性能可靠及安全保障技术的迫切需求，以动能刚度的形成与演化机理为主线，深入研究了设备故障预示与运行安全保障的基础科学问题和工程实用技术，从理论构建、技术开发到试（实）验平台研制等方面取得的创新性成果有：.（1）提出了液压设备动能刚度原理以及内、外部特征协同分析方法。从能量流角度阐明了机电液系统的功率分布及转换机制，用动能刚度原理解析了液压设备的刚度、阻尼和摩擦随油泵转速和载荷的变化机理。.（2）通过试（实）验对机电液系统内、外部特征参数随环境工况的变化规律进行了探索，验证了液压设备内、外部特征协同分析方法的科学性。从液压设备环境工况、内部耦合特征（动能刚度）与外部表征（瞬时转速波动）三者之间的耦合关系，阐述了设备运行状态“形成于内（动能刚度）而表征于外（转速波动）”这一本质属性。研究成果已出版学术专著《机电液系统动能刚度原理与方法》。.（3）发明了液压设备动能刚度测量以及瞬时转速波动分量提取方法。设备动能刚度从柔变刚的过程使系统效率升高，转速波动降低；反之，系统效率降低，转速波动增加。采用标准时频变换提取的转速波动分量反映了设备运行状态和故障演化规律，与振动、压力和流量信号相比：它具有适应范围广、信噪比高、测试成本低等优点。研究成果连续发表在机械工程国际主流学术期刊。.（4）开发了泵控马达液压设备动能刚度以及瞬时转速波动分析实验平台。实验平台既可用于故障发生与演化过程的研究，也可以进行动能刚度和瞬时转速波动分量提取。研究成果已转化成可用于教学和科研的综合实验平台，并获得了3项国家发明专利和2项软件著作专利。.课题按计划目标和内容进行，达到并超过了预期的研究成果。共发表学术论文30篇，其中，SCI检索论文7篇、EI检索论文4篇、CSCD期刊10篇、中文核心期刊9篇；出版学术专著1部；授权国家发明专利4项，软件著作专利2项；培养博士研究生4名、硕士研究生20名。