极端环境下的电液伺服控制基础理论与应用

訚耀保，同济大学教授、博士生导师。毕业于日本国立埼玉大学，获工学博士学位。曾任上海航天控制技术研究所工程师、高级工程师、主管设计师，日本东京计器株式会社研究职。入选上海市浦江人才计划（A类）、江苏省双创人才计划。从事极端环境下流体传动与控制的基础理论研究。主要著作有《极端环境下的电液伺服控制理论与性能重构》《高端液压元件理论与实践》《高速气动控制理论和应用技术》《海洋波浪能综合利用——发电原理与装置》《极端环境下的电液伺服控制理论及应用技术》《Electro Hydraulic Control Theory and its Applications Under Extreme Environment》（Elsevier Inc.）《High Speed Pneumatic Theory and Technology》（Springer Nature）等。

第1章 概论………………………………………………………………………………………1

1.1 电液伺服控制理论的由来…………………………………………………………………1

1.1.1 液压流体力学 ………………………………………………………………………1

1.1.2 流体控制元件 ………………………………………………………………………5

1.1.3 流体传动与控制 …………………………………………………………………6

1.2 电液伺服系统与电液伺服元件……………………………………………………………7

1.2.1 电液伺服系统 …………………………………………………………………………7

1.2.2 电液伺服元件 ……………………………………………………………………8

1.3 极端环境下的电液伺服控制技术 ………………………………………………………13

1.3.1 极端环境下电液伺服元件的特征 ……………………………………………13

1.3.2 极端环境下的电液伺服系统性能重构与产品性能一致性 …………………26

参考文献 ……………………………………………………………………………………29

第2章 工作介质 ………………………………………………………………………………32

2.1 液压油 ………………………………………………………………………………………32

2.2 磷酸酯液压油 ………………………………………………………………………………35

2.3 航空煤油：喷气燃料(燃油) …………………………………………………………36

2.4 航天煤油 …………………………………………………………………………………39

2.5自然水(淡水与海水)………………………………………………………………………41

2.6 压缩气体(空气、氮气、惰性气体)……………………………………………………43

2.7 燃气发生剂 ………………………………………………………………………………45

参考文献 ……………………………………………………………………………………46

第3章 飞行器电液伺服控制技术 ……………………………………………………………47

3.1 电液控制技术 ………………………………………………………………………………47

3.1.1 电液控制技术概要………………………………………………………………47

3.1.2 机载电液控制技术 …………………………………………………………………48

3.1.3 发展动向……………………………………………………………………………48

3.1.4 新材料 …………………………………………………………………………50

3.1.5 电流变流体技术 …………………………………………………………………51

3.2 弹性 O形圈密封技术 ……………………………………………………………………51

3.2.1 O形圈的构型和密封原理 ………………………………………………………52

3.2.2 O形圈密封的特点………………………………………………………………53

3.2.3 O形圈材料 ………………………………………………………………………53

3.2.4 O形圈的选取和设计……………………………………………………………54

3.2.5 O形圈的保护和故障防止………………………………………………………57

3.2.6 本节小结 ………………………………………………………………………………57

3.3 飞行器电液伺服技术 …………………………………………………………………58

3.3.1 大功率 …………………………………………………………………………………58

3.3.2 高压、高温 ………………………………………………………………………59

3.3.3 高速 …………………………………………………………………………………62

3.3.4 高可靠性 …………………………………………………………………………62

3.3.5 数字化、信息化 ………………………………………………………………64

3.4 防空导弹控制执行系统 …………………………………………………………………65

3.4.1 设计综合要求 ……………………………………………………………………66

3.4.2 必要性、可行性论证过程 ……………………………………………………67

3.4.3 设计准则 ……………………………………………………………………………70

3.4.4 性能试验………………………………………………………………………75

3.4.5 本节小结 ………………………………………………………………………………77

3.5 防空导弹辅助能源系统 …………………………………………………………………77

3.5.1能源方案分类 ……………………………………………………………………78

3.5.2 应用实例 ………………………………………………………………………………81

3.5.3 本节小结 …………………………………………………………………………………87

3.6 飞行器燃气涡轮泵液压能源应用技术 …………………………………………………88

3.6.1 燃气初级能源的应用 …………………………………………………………………88

3.6.2 燃气涡轮泵的应用 ……………………………………………………………………89

3.6.3 燃气涡轮泵液压系统工作区域 ………………………………………………91

3.7 液压舵机系统功率匹配设计 ……………………………………………………………92

3.7.1 液压舵机系统负载模型 …………………………………………………………92

3.7.2 伺服机构输出特性与负载轨迹最佳匹配 ……………………………………95

3.7.3 实际舵机系统能源需求状况 ……………………………………………………96

3.7.4 工作压力变化因素与系统频率特性 ……………………………………………96

3.7.5 本节小结 ………………………………………………………………………………97

参考文献 ……………………………………………………………………………………97

第4章 飞机液压能源系统及其温度控制技术 …………………………………………………99

4.1 飞机液压能源系统概述 …………………………………………………………………99

4.2 空客 A320飞机液压系统 ……………………………………………………………100

4.2.1 飞机液压系统功能 ……………………………………………………………100

pHo

4.2.2 主液压系统 ……………………………………………………………………102

4.2.3 辅助液压系统 ……………………………………………………………………102

4.2.4 液压系统性能和特点 …………………………………………………………103

4.3 飞机液压系统热分析与油液温度控制技术……………………………………………106

4.3.1 飞机液压系统热分析基础理论 ………………………………………………106

4.3.2 飞机液压系统静态热分析建模与静态温度计算方法 ……………………106

4.3.3 飞机液压系统动态热分析建模与动态温度计算方法 ……………………108

4.4 本章小结………………………………………………………………………………114

参考文献 ……………………………………………………………………………………115

第5章 伺服阀作动器自冷却技术………………………………………………………………116

5.1 伺服阀作动器回油冷却结构与原理……………………………………………………117

5.2 伺服阀作动器数学模型…………………………………………………………………118

5.2.1 流体控制模型 ……………………………………………………………………118

5.2.2 热力学模型 …………………………………………………………………………120

5.3 伺服阀作动器回油冷却过程热分析仿真模型与效果………………………………125

5.3.1 回油冷却效果 …………………………………………………………………125

5.3.2 热平衡状态影响因素 …………………………………………………………127

5.3.3 数值模拟结果 ……………………………………………………………………128

5.4 本章小结………………………………………………………………………………129

参考文献 ……………………………………………………………………………………129

第6章 电液伺服阀自冷却技术…………………………………………………………………131

6.1 绪论………………………………………………………………………………131

6.1.1 有源式冷却结构 ………………………………………………………………132

6.1.2 无源式冷却结构 ………………………………………………………………134

6.2 极端高温下偏转板伺服阀的温度场特性………………………………………………136

6.2.1 偏转板伺服阀温度场分析 ……………………………………………………136

6.2.2 偏转板伺服阀温度场计算结果与分析 ………………………………………138

6.2.3 本节小结 ………………………………………………………………………………139

6.3 宽温域下偏转板电液伺服阀温度场特性………………………………………………141

6.3.1 偏转板电液伺服阀热分析模型 ………………………………………………141

6.3.2 电液伺服阀温度场特性 ………………………………………………………143

6.3.3 本节小结 ………………………………………………………………………………147

6.4 偏转板电液伺服阀自冷却技术…………………………………………………………147

6.4.1 电液伺服阀的自冷却措施 ………………………………………………………148

6.4.2 自冷却结构电液伺服阀热力学仿真 ……………………………………………148

6.4.3电液伺服阀自冷却结构的冷却效果对比分析 …………………………150

6.4.4 本节小结 ………………………………………………………………………………151

6.5 散热结构、真空隔热和隔热涂层 ………………………………………………………151

参考文献 ……………………………………………………………………………………152

第7章 电液伺服阀衔铁组件力学模型…………………………………………………………154

7.1 电液伺服阀结构基础……………………………………………………………………154

7.1.1 电液伺服阀结构演变 …………………………………………………………155

7.1.2 电液伺服阀柔性结构件 ………………………………………………………157

7.1.3 极限环境下电液伺服阀结构与性能 …………………………………………159

7.2 双喷嘴挡板式电液伺服阀衔铁组件力学模型…………………………………………161

7.2.1 双喷嘴挡板式电液伺服阀衔铁组件结构 …………………………………161

7.2.2 挡板与反馈杆分离式衔铁组件力学模型 …………………………………162

7.2.3 挡板与反馈杆分离式衔铁组件有限元分析 ………………………………164

7.2.4 挡板与反馈杆分离式衔铁组件零部件刚度理论模型 ……………………166

7.2.5 弹簧管力-位移刚度测量试验装置及结果分析 ……………………………168

7.2.6 反馈杆柔度理论结果与试验结果 ……………………………………………169

7.3 射流管压力伺服阀衔铁组件综合刚度模型…………………………………………170

7.3.1 射流管压力伺服阀衔铁组件力学模型 ……………………………………171

7.3.2 射流管压力伺服阀衔铁组件有限元分析 …………………………………176

7.3.3 射流管压力伺服阀前置级压力特性与试验验证 …………………………178

7.4 复杂运动工况下电液伺服阀零漂分析…………………………………………………181

7.4.1 复杂运动工况下电液伺服阀稳态模型 ………………………………………181

7.4.2 复杂运动工况下可动部件所受附加作用力分析 …………………………185

7.4.3 计及重力影响的电液伺服阀零偏特性 ……………………………………186

7.4.4 理论结果与试验结果 …………………………………………………………188

7.5 电液伺服阀衔铁组件疲劳寿命预测……………………………………………………189

7.5.1 结构件疲劳寿命分析的基本理论 ……………………………………………189

7.5.2 衔铁组件应力状态分析 ………………………………………………………190

7.5.3 衔铁组件疲劳寿命计算模型 …………………………………………………195

7.5.4 工程算例 ……………………………………………………………………………198

7.5.5 本节小结 ……………………………………………………………………………201

7.6 加速度工况下衔铁组件结构强度和刚度分析………………………………………202

7.6.1 加速度工况下衔铁组件应力和变形分析 …………………………………204

7.6.2 理论结果及结果分析 …………………………………………………………209

7.7 本章小结………………………………………………………………………………213

参考文献 ……………………………………………………………………………………215

第8章 振动、冲击环境下的电液伺服阀 ………………………………………………………217

8.1 振动、冲击环境下的电液伺服阀数学模型 ……………………………………………217

8.2 单位阶跃加速度环境下的电液伺服阀…………………………………………………218

8.3 单位脉冲加速度环境下的电液伺服阀………………………………………………221

8.4 振动条件下的电液伺服阀………………………………………………………………225

8.4.1 各参数对滑阀位移频率响应的影响 ………………………………………225

8.4.2 各参数对挡板位移频率响应的影响 ………………………………………227

8.4.3 各参数对衔铁位移频率响应的影响 …………………………………………230

8.5 本章小结………………………………………………………………………………232

参考文献 ……………………………………………………………………………………233

第9章 离心环境下的电液伺服阀………………………………………………………………234

9.1 牵连运动为圆周运动时的加速度合成定理………………………………………234

9.2 离心环境为匀速圆周运动时的电液伺服阀……………………………………………235

9.2.1 主滑阀阀芯方向与离心运动角速度矢w同面垂直 ………………………235

9.2.2 主滑阀阀芯方向与离心运动角速度矢w异面垂直 ………………………238

9.3 离心环境为匀加速圆周运动时的电液伺服阀…………………………………………239

9.3.1 主滑阀阀芯方向与离心运动角速度矢w同面垂直 …………………………239

9.3.2 主滑阀阀芯方向与离心运动角速度矢w异面垂直 ………………………242

9.4 离心环境下电液伺服阀的零偏值………………………………………………………244

9.4.1 电液伺服阀喷嘴挡板前置级静态压力特性 …………………………………245

9.4.2 离心环境下电液伺服阀的纠偏电流 ……………………………………………247

9.4.3 一维离心环境下电液伺服阀的零偏值 ……………………………………248

9.4.4 应用实例与试验分析 …………………………………………………………250

9.4.5 本节小结 ……………………………………………………………………………251

9.5 离心环境下电液伺服阀的性能…………………………………………………………252

9.6 振动、冲击、离心环境下电液伺服阀布局措施…………………………………………252

参考文献 ……………………………………………………………………………………253

第10章 偏转板伺服阀前置级压力特性预测与液压滑阀冲蚀形貌预测 …………………254

10.1 偏转板伺服阀射流盘组件压力特性预测与分析 …………………………………254

10.1.1 压力特性与形状因素的关联性分析 ………………………………………256

10.1.2压力特性预测与压差超差分析 ……………………………………………259

10.1.3 理论结果与试验结果 ………………………………………………………261

10.2 全周边液压滑阀冲蚀形貌及性能演化特性 …………………………………………262

10.2.1 滑阀阀口冲蚀圆角计算模型 …………………………………………………263

10.2.2 四边滑阀形貌及性能演化特性 ……………………………………………268

10.2.3 理论结果与试验结果 ………………………………………………………271

参考文献 ……………………………………………………………………………………273

第11章 电液伺服阀漏磁现象、电涡流效应与高温流量特性………………………………275

11.1 考虑漏磁的力矩马达磁路建模方法及特性 ………………………………………275

11.1.1 射流管伺服阀结构原理及力矩马达磁路模型 …………………………276

11.1.2 力矩马达输出特性 …………………………………………………………281

11.1.3 数值模拟分析及试验验证 …………………………………………………283

11.2 考虑电涡流效应的射流管伺服阀建模方法及特性 ………………………………285

11.2.1 理论建模与仿真分析 ………………………………………………………286

11.2.2 试验验证与结果分析 ………………………………………………………293

11.2.3 本节小结 …………………………………………………………………………294

11.3 高温下射流管伺服阀流量特性 ………………………………………………………294

11.3.1 数学模型 ……………………………………………………………………295

11.3.2 理论结果及试验验证 ………………………………………………………301

11.3.3 本节小结 …………………………………………………………………………306

参考文献 ……………………………………………………………………………………307

第12章 高速液压气动锤击技术 ………………………………………………………………309

12.1 液压气动锤锤击系统与替打疲劳寿命 ………………………………………………310

12.1.1 液压气动锤锤击系统建模 …………………………………………………310

12.1.2 液压气动打桩锤替打构件的分析与设计 …………………………………317

12.2 液压气动破碎锤锤芯动力学模型与结构优化 ……………………………………325

12.2.1液压气动破碎锤及岩石破碎过程 …………………………………………326

12.2.2 计算模型及锤芯动力学分析 ………………………………………………327

12.2.3 锤芯结构优化 …………………………………………………………………332

12.2.4 实践应用案例 ……………………………………………………………………333

12.3 桩基础施