极端环境下的电液伺服控制理论与性能重构(高端装备关键基础理论及技术丛书.传动与控制)_訚耀保原佳阳李长明著_9787547859148

本书系统地论述了极端环境下的电液伺服控制理论与性能重构。主要内容有概论、三通射流管阀、四通射流管阀、射流管电液伺服阀及其尺寸链分析方法、极端温度下电液伺服阀尺寸链重构与零偏漂移、随机振动环境下电液伺服阀的零偏漂移、三维离心环境下电液伺服阀的零偏漂移、电液伺服阀的冲蚀磨损与黏着磨损、紧凑型旋转直驱式压力伺服阀、极端小尺寸双级溢流阀、振动环境下的极端小尺寸减压阀、液压伺服作动器等。附录列出了新型工作介质［液压油、磷酸酯液压油、喷气燃料（燃油）航空煤油、航天煤油、淡水与海水、压缩气体、燃气发生剂］的牌号、成分与性能。本书内容翔实、图文并茂、深入浅出，侧重系统性、逻辑性、专业性、前沿性，前瞻性理论与实践试验案例紧密结合，国家重大装备核心基础零部件（元器件）事例丰富、翔实。
本书可供从事重大装备、重大工程、重点领域整机用高端流体传动与控制系统和装置的研究、设计、制造、试验及管理的科技人员阅读，也可供航空、航天、舰船、机械、能源、海洋、交通等专业的师生参考。

高端装备高新技术处于价值链的高端和产业链的核心环节。核心基础零部件（元器件）是国家制造强国战略工业强基和我国高端装备制造产业的重点突破瓶颈之一。在极端环境下服役，为重大装备配套的高性能、高可靠性的电液伺服系统及其元件必须具备机载振动、冲击、极端温度等特殊环境下的服役性能。这里所指的极端环境包括极端环境温度、极端介质温度、振动、冲击、加速度、极端尺寸、特殊流体等特殊服役过程。只有追根溯源，弄清定律、定理的由来，阐释原理和机理机制，尤其是定律是如何发现的、元件是如何发明的，在实践中碰到新问题、新需求，才能在传承前人知识的基础上创造新原理、新元件和新装置。专注于第一线现场如极端环境背后的真问题并静心研究，方能取得真成果。著者十年如一日潜心研究极端环境下的电液伺服控制理论与高端液压元件，这些实际经验和成果难以只从书面上学来，也不能从外国买来，只能靠自己在实践中总结并精心梳理，靠自己全面、系统地归纳科学研究中建立和应用的基础理论与设计方法。
针对百余年来高端装备一直被国外垄断和我国国家重大需求的现状，本书著者结合多年来从事重大装备和系统研制过程中的实践经验，包括所承担的国家重点研发计划、国家自然科学基金、航空基金、上海市浦江人才计划、科研院所基础研究和型号任务，及时地总结了三十余年潜心研究电液伺服控制理论的基础成果与实践案例，涉及航空、航天、舰船、智能机械和海洋装备等方面。
全书共分为12章。第1章着重阐述了液压流体力学与流体传动与控制的由来及其史学史，即该学科历史背后的人物史，以及极端环境下电液伺服控制理论与性能重构的演变过程，读者可以了解古往今来人们认识问题、分析问题和解决问题的背景与过程，以及科学精神与文化传承。第2、3章主要介绍了两种典型基础射流元件的数学模型、基本特征特性及实践试验案例。第4章叙述了射流管伺服阀数学模型、动静态特性及尺寸链分析方法，以及力矩马达气隙和射流前置级不对称性对零偏的影响。第5章阐述了高温环境下的尺寸链重构、极端低温下温漂的线性回归分析方法、极端温度下零偏漂移机理及实践试验案例。第6、7章着重介绍了振动环境和离心环境下的分析方法、数学模型和特征特性、零偏漂移的抑制措施。第8章介绍了射流前置级和液压滑阀功率级的冲蚀磨损机理与计算方法、反馈杆小球黏着磨损量计算方法、性能重构及其实践试验案例。第9章描述了研制的旋转直驱式压力伺服阀原理、数学模型、稳定性判据和优化设计实践试验案例。第10、11章介绍了极端小尺寸双级溢流阀与振动环境下的极端小尺寸减压阀，包括极端小尺寸液压阀的特殊性和分析方法。第12章阐述了并联双杆液压伺服作动器、集成式伺服作动器能源配置方法，液压伺服作动器自动回中与锁紧协同，宽温域下电磁液动换向阀的尺寸链与设计案例。为便于读者了解电液伺服系统的新型工作介质，附录列出了新型液压油、磷酸酯液压油、喷气燃料（燃油）航空煤油、航天煤油、自然水（淡水与海水）、压缩气体（空气、氮气、惰性气体）、燃气发生剂的成分和特性。
本书旨在为我国从事重大装备和系统研究、设计、制造、试验和管理的专业技术人员提供有益的前瞻性基础理论和实践案例，也希望对探索极端环境下电液伺服控制及其高端元件目前未知的基础理论、技术途径或解决方案，破解重大装备、重点领域整机理论和关键技术难题，提高我国核心基础零部件（元器件）的原始创新能力起到一定的促进作用。
本书由訚耀保教授（同济大学）、原佳阳博士（中航工业南京伺服控制系统有限公司）、李长明博士（航空工业金城南京机电液压工程研究中心）根据多年的实践经验和科学研究成果，系统凝练撰写而成，包括著者与上海航天控制技术研究所傅俊勇研究员、张鑫彬研究员，中国航发长春控制科技有限公司肖强研究员、徐杨高级工程师、陆畅高级工程师，同济大学訚耀保教授研究室毕业生王玉博士等同仁的共同研究成果。第1、6、7、11、12章由訚耀保撰写，第2、3、4、5章由李长明撰写，第8、9、10章及附录由原佳阳撰写。同济大学訚耀保教授研究室博士研究生李双路、郭文康、李聪、刘小雪、张玄、王东，硕士毕业生何承鹏、章志恒、谢帅虎、邹为宏、夏飞燕、张小伟进行成果归纳和资料整理工作。在出版过程中得到了上海科学技术出版社、中国学位与研究生教育学会研究重点课题、同济大学研究生教育研究与改革项目和上海市教育委员会的大力支持和帮助。
本书素材来源于我国第一线科技工作者的基础理论和实践成果，力图记述已形成和显现的典型事实和理论体系，探索将我国科学研究成果向研究生教材转化。本书作为同济大学博士研究生教材、硕士研究生教材已在教学中连续使用，旨在立德树人，激发和培养科学精神、家国情怀和使命担当。
限于著者水平，书中难免有不妥和错误之处，恳请读者批评、指正。

著者2022年4月

第1章概论1
1.1液压流体力学与液压元件1
1.1.1液压流体力学1
1.1.2液压元件4
1.2极端环境下电液伺服元件的性能演化与系统的性能调控12
1.2.1极端环境下电液伺服元件的性能演化12
1.2.2极端环境下电液伺服系统的性能调控26
参考文献28

第2章三通射流管阀31
2.1概述31
2.2数学模型33
2.2.1圆形射流基础33
2.2.2空载接收流量计算方法34
2.2.3断载恢复压力计算方法42
2.2.4静态特性51
2.3推荐结构及其特性74
2.3.1最优结构75
2.3.2Ⅲ型三通射流管阀及其特性78
2.4实践试验81
2.4.1试验装置及方法81
2.4.2试验结果与分析82
参考文献84

第3章四通射流管阀86
3.1概述86
3.2数学模型87
3.2.1单孔空载接收流量、能量计算方法88
3.2.2单孔断载恢复压力计算方法88
3.2.3全工作行程的数学模型90
3.3典型结构及其特性97
3.3.1对称均等型98
3.3.2对称不均等型99
3.3.3均等不对称型100
3.4对称均等型四通射流管阀冲蚀磨损后的结构及其特性102
3.5实践试验104
3.5.1对称均等型四通射流管阀压力特性104
3.5.2对称不均等型四通射流管阀压力特性106
参考文献110

第4章射流管电液伺服阀及其尺寸链分析方法112
4.1工作原理与数学模型112
4.1.1四通射流管阀的三系数113
4.1.2永磁动铁式力矩马达123
4.1.3衔铁组件126
4.1.4四通射流管阀控制功率级滑阀127
4.1.5主阀芯127
4.2理论特性128
4.2.1静态特性128
4.2.2动态特性131
4.2.3实践试验133
4.3精密零部件公差及装配尺寸链对电液伺服阀零偏的影响136
4.3.1具有不对称尺寸时的装配尺寸链138
4.3.2考虑尺寸不对称性时的射流管伺服阀模型144
4.3.3考虑装配尺寸公差及其分布概率时的零偏150
4.3.4导致零偏的制造装配因素分析及零偏抑制措施154
4.3.5实践试验156
4.4力矩马达气隙误差对电液伺服阀零偏的影响159
4.4.1力矩马达及气隙对力矩马达零位的影响159
4.4.2理论特性162
4.4.3实践试验165
4.5射流前置级不对称性对电液伺服阀零偏的影响166
4.5.1基本方程167
4.5.2理论分析172
4.5.3实践试验176
参考文献178

第5章极端温度下电液伺服阀尺寸链重构与零偏漂移180
5.1概述180
5.2高温环境下的尺寸链重构181
5.2.1特性不规则且不重复现象181
5.2.2规则金属体的变形机理183
5.2.3精密偶件的尺寸链重构189
5.2.4射流管伺服阀的性能重构与改进措施195
5.3极端低温下温漂的线性回归分析方法197
5.3.1温漂试验现象198
5.3.2温漂的线性回归分析方法199
5.3.3试验结果与分析202
5.4射流管伺服阀零偏漂移机理203
5.4.1温度对材料性能及零件尺寸的影响204
5.4.2加工装配误差导致的结构尺寸不对称性208
5.4.3精密偶件间的相对热位移215
5.4.4数学模型及温漂机理225
5.4.5温漂的理论结果238
5.5实践试验241
5.5.1射流管伺服阀常温特性试验241
5.5.2射流管伺服阀小信号空载流量特性试验243
5.5.3射流管伺服阀温漂试验244
参考文献249

第6章随机振动环境下电液伺服阀的零偏漂移251
6.1分析方法251
6.2数学模型253
6.3导致零偏漂移的因素257
6.3.1滑阀阀芯质量259
6.3.2衔铁组件质量中心与旋转中心距离260
6.3.3衔铁组件质量261
6.4实践试验261
6.4.1试验装置及方法262
6.4.2试验结果与分析263
参考文献265

第7章三维离心环境下电液伺服阀的零偏漂移267
7.1概述267
7.2电液伺服阀的特征位移与离心环境下的空间姿态268
7.2.1电液伺服阀的三个特征位移268
7.2.2空间姿态268
7.2.3两种典型的离心环境269
7.2.4离心环境下的加速度合成定理269
7.3数学模型270
7.3.1匀速圆周运动离心环境情况270
7.3.2匀加速圆周运动离心环境情况275
7.4实践试验279
7.4.1试验装置279
7.4.2试验方法及结果279
7.4.3零偏漂移及其抑制措施281
参考文献285

第8章电液伺服阀的冲蚀磨损与黏着磨损286
8.1概述286
8.2射流前置级冲蚀磨损机理与计算方法287
8.2.1冲蚀磨损机理288
8.2.2冲蚀磨损理论290
8.2.3冲蚀磨损量数值计算方法293
8.2.4实践试验297
8.3液压滑阀功率级冲蚀磨损机理与计算方法300
8.3.1冲蚀磨损理论301
8.3.2冲蚀磨损量数值计算方法310
8.3.3冲蚀磨损量的影响因素及讨论313
8.3.4实践试验321
8.4冲蚀磨损引起的液压滑阀功率级性能重构326
8.4.1滑阀阀口冲蚀圆角计算模型327
8.4.2四边滑阀的形貌和性能演化过程332
8.4.3实践试验335
8.5电液伺服阀反馈杆小球黏着磨损量计算方法及影响因素337
8.5.1黏着磨损量计算方法337
8.5.2黏着磨损量影响因素342
8.5.3实践试验344
参考文献345

第9章紧凑型旋转直驱式压力伺服阀347
9.1概述347
9.2工作原理与数学模型348
9.2.1工作原理348
9.2.2非线性数学模型350
9.3稳定性判据与参数匹配设计方法354
9.3.1稳定性判据354
9.3.2电机转角内闭环对稳定性的影响356
9.4偏心驱动机构优化设计358
9.4.1小球球心偏心距对响应速度的影响358
9.4.2偏心小球与圆柱孔配合间隙对负载压力突跳的影响358
9.4.3偏心小球耐磨损及其改进措施359
9.5实践试验359
9.5.1样机及试验系统359
9.5.2样机实测性能361
参考文献363

第10章极端小尺寸双级溢流阀365
10.1概述365
10.2双级溢流阀及其失稳现象365
10.3稳定性判据与参数匹配设计方法367
10.3.1数学模型367
10.3.2先导阀的稳定性判据371
10.3.3主阀的稳定性判据373
10.3.4基于稳定工作的双级溢流阀结构参数匹配设计方法375
10.3.5稳定性问题376
10.4先导阀前腔串加阻尼孔的极端小尺寸集成式双级溢流阀377
10.4.1先导阀前腔串加阻尼孔的双级溢流阀377
10.4.2新型集成式双级溢流阀的稳定性378
10.4.3普通集成式双级溢流阀与新型集成式双级溢流阀的稳定性对比380
10.5实践试验381
参考文献382

第11章振动环境下的极端小尺寸减压阀383
11.1概述383
11.2结构与工作原理384
11.3数学模型385
11.3.1整机无振动时的数学模型385
11.3.2整机振动时的数学模型389
11.4理论特性390
11.4.1整机无振动时弹簧刚度对特性的影响390
11.4.2整机无振动时压力感受腔容积对特性的影响392
11.4.3整机振动时振动频率和幅值对特性的影响393
11.5实践试验394
参考文献395

第12章液压伺服作动器397
12.1概述397
12.1.1推力矢量控制技术397
12.1.2功能结构399
12.1.3国外先进作动器材料及表面处理技术406
12.1.4极端温度下燃油动密封材料、密封形式和防尘方法407
12.2并联双杆液压伺服作动器偏载力和径向力412
12.2.1数学模型413
12.2.2偏载力和径向力415
12.2.3实践试验422
12.3集成式伺服作动器能源配置与压力损失424
12.3.1能源配置424
12.3.2选择活门及其压力损失426
12.3.3压力损失对作动器活塞速度的影响430
12.4自动回中与锁紧协同435
12.4.1自动回中功能与锁紧功能435
12.4.2锁紧机构结构与力学模型437
12.4.3自动回中功能与锁紧结构设计442
12.5宽温域下三位四通电磁液动换向阀的几何尺寸链与卡滞特性443
12.5.1滑阀结构与工作原理444
12.5.2温度和残余应力对滑阀副尺寸链和配合间隙的影响445
12.5.3不均匀油液压力对滑阀副配合间隙的影响447
12.5.4滑阀卡滞及其解决措施449
参考文献451

附录工作介质453
1．　液压油453
2．　磷酸酯液压油456
3．　航空煤油：　喷气燃料（燃油）457
4．　航天煤油460
5．　自然水（淡水与海水）462
6．　压缩气体（空气、氮气、惰性气体）463
7．　燃气发生剂465

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