2018年, 第0卷, 第05期　刊出日期：2018-05-15

  

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  大型飞机电液动力控制与作动系统新体系基础研究

  液压与气动. 2018, 0(05): 1-1.

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  飞机电液动力控制与作动系统的主要功能是进行二次能源动力传输分配与作动执行，按预定的任务完成飞机的飞行控制与操纵。“发动机是飞机的心脏，电液动力控制与作动系统就是血管与肌肉，是飞机健壮体魄的标志”。目前，国家已启动大型飞机重大专项，ARJ21支线客机正在进行适航认证试飞，C919大型客机于2014年首飞。预计到2026年我国大型客机新增3000架，将形成万亿元的产值，国家大型飞机的发展面临前所未有的新机遇，急需自主研制满足大型飞机需要的高效高可靠先进电液动力控制与作动系统。
  目前制约我国飞机电液动力控制与作动系统发展的最主要问题是：过去以仿制为主，基本延续了二代机液压系统技术，虽然三代机取得了很大成功，但后续发展缺少创新，基础理论与技术支撑薄弱，缺乏先进的系统设计理念与思想。“心血管病”一直是困扰我国飞机发展的一个严重障碍。我国大型客机刚刚起步，更是缺乏基础理论和先进技术的支撑。“更安全、更舒适、更经济、更环保”是大型客机未来的重点战略发展目标。所以高性能高可靠电液动力控制与作动系统是关系飞行安全、操纵性能和控制品质最为重要的机载子系统，对国家大型客机和大型运输机的可持续发展目标具有重要意义。
  目前主要技术差距有：
  （1） 在飞机电液动力控制与作动系统的体系方面，国内长期采用传统的集中式液压系统体系，且无体系构型设计理论指导，然而国外先进飞机已经逐步采用具有更高可靠性、综合性能更好的非相似冗余液压系统新体系；
  （2） 在液压压力体制方面，国内大型飞机液压系统还主要采用21 MPa的压力体制，而A380和B787等国际先进客机已采用35 MPa，但高压同时会带来液压泵寿命等新的挑战；
  （3）在先进作动系统方面，功率电传（PBW）电静液作动系统（ElectroHydrostatic Actuator，简称EHA）是分布式液压系统的基础，国外已在新型客机和军机上投入使用，而国内由于电液容积伺服控制基础研究的欠缺，造成该项技术难以取得突破。
  针对以上3个方面的问题，北京航空航天大学焦宗夏教授组织了包括浙江大学、清华大学、燕山大学、浙江工业大学、中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究院、中航工业金城南京机电液压工程研究中心、中航工业第六一八研究所等国内研究力量，获得了国家973计划项目的支持，开展了深入研究。经过4年的研究，在3个方面都取得了巨大的进步，为我国未来的飞机研制提供了多方面的支持，下面就该项目中，部分技术研究与实验进行介绍。
  项目首席专家简介:  焦宗夏（1963-），男，辽宁沈阳人，北京航空航天大学教授，博导，“飞行器控制一体化技术”国防科技重点实验室主任。973首席科学家，长江学者特聘教授，“飞行器流体动力控制与操纵”长江学者创新团队带头人，国家杰出青年基金获得者，享受国务院特殊津贴，入选新世纪百千万人才工程国家级人选。近年主持承担了多项国家973、863、国家自然科学基金、航空基金、国家大型工程与国际合作项目。获得国家技术发明二等奖2项（排名1）、国家科技进步二等奖1项（排名1），省部级科技奖励10余项。德国Institute for Aircraft System Engineering, Technische Universitt HamburgHarburg客座教授。“流体传动与控制”分会副主任委员，“流体动力与机电控制”国家重点实验室顾问委员会委员，教育部“复杂产品先进制造系统”工程中心主任，航空学会理事，“航空机电、人体与环境工程”分会主任委员，机械工程学会常务理事，中国自动化学会理事，中国体视学学会常务理事，“仿真与虚拟现实”分会主任委员，《液压与气动》杂志编委会副主任，《信息与控制》、《Frontiers of Mechanical Engineering in China》等杂志编委。
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  一种新型伺服直线泵的设计与实验

  李兴鲁, 焦宗夏

  液压与气动. 2018, 0(05): 2-5. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2018.05.001

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  多电技术成为了飞机未来发展的一大趋势，是当下研究的热点，功率电传电静液作动系统是其核心技术之一。目前已有的或是正在研发的电静液作动器，主要采用旋转伺服电机驱动轴向柱塞泵的架构作为核心能源。轴向柱塞泵虽结构成熟，但却存在着摩擦磨损限制使用寿命，惯性较大限制响应速度，结构复杂难以余度配置等缺点。针对静液伺服传动设计了一种由电磁式直线振荡电机驱动的直线活塞泵，应用协同配流结构，保留原有的泵结构优势的同时，可突破性的提升伺服传动性能。研究搭建了直线泵的仿真模型，验证了该伺服直线泵的基本功能。
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  电动静液作动器用高速轴向柱塞泵能耗分布特性试验测试研究

  黄晓琛, 徐兵, 张军辉

  液压与气动. 2018, 0(05): 6-12. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2018.05.002

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  随着飞机功率电传技术的发展，电静液作动器(EHA)对液压轴向柱塞泵提出了高功率密度的要求，轴向柱塞泵不可避免地向着高压高转速方向发展。在更高参数要求下，了解能耗分布特性有助于针对性地改进泵的性能。对高转速的轴向柱塞泵进行性能测试，将功率损失分成容积损失、搅拌损失和摩擦损失三个部分，在不同转速和压力等级下，分析其分布特性，并对测试物理量的不确定度进行分析。测试结果表明，摩擦损失是造成功率损失的主要原因，在泵的设计过程中应考虑使摩擦副在工况范围内得到充分润滑，以期提高效率。另外，测试中某些工况下存在着较大的不确定度，为了避免这类情况在选择传感器量程时应该更接近测试数值大小。
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  考虑油液黏压特性的高压航空液压泵柱塞副泄漏模型研究

  李元, 王少萍, 石健, 郑硕

  液压与气动. 2018, 0(05): 13-19. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2018.05.003

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   提高机载液压系统压力可以提高液压系统功率密度，但是随着航空液压泵转速增大和压力增高，关键摩擦副之一的柱塞副磨损加剧，泄漏量增大。提出了一种考虑油液黏压特性的高压航空液压泵柱塞副泄漏量模型。结合Barus液压油液黏压公式，在经典泄漏量公式的基础上进行一定程度的补充和修正，以便更精确的计算高压航空液压泵柱塞副各种磨损程度下的泄漏量。仿真结果表明，系统压力达到35 MPa，黏度变化导致的泄漏量变化不可忽略。
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  机体变形和压力冲击载荷下飞机液压导管强度分析

  权凌霄, 司梦贺, 李涛, 张琦玮, 孔祥东

  液压与气动. 2018, 0(05): 20-25. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2018.05.004

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  飞机液压导管系统具有“散、乱、长、杂”特点，是飞机最常见的故障点之一。随着飞机液压系统的高压化，液压导管的强度分析显得更为重要。在机体变形与压力冲击两种载荷耦合作用下，对某型飞机机翼一段回油导管，通过理论计算应力、仿真应力和实验应力三者的对比与分析，得出了导管强度分析仿真方法的正确性以及机体变形载荷对导管强度影响较小的结论，最后对这三种导管强度分析方法进行了综合评价。研究对飞机液压导管的强度分析具有一定的工程实践和理论指导意义。
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  电静液作动器多目标优化设计

  于波, 吴帅, 尚耀星, 焦宗夏

  液压与气动. 2018, 0(05): 26-31. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2018.05.005

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  电静液作动器(EHA)设计需要考虑质量、刚度、效率等指标的综合最优，而且这些目标之间通常相互矛盾，是一个多目标优化设计难题。提出一种针对EHA的多目标优化设计方法，给出了EHA质量、刚度、效率的评价模型，通过多目标粒子群优化算法对连杆长度、舵面初始角度、泵的排量等关键设计变量进行智能优化，获得帕累托优化设计集合，并进一步采用层次分析法对帕累托集合中的方案进行综合决策，按照给定的多目标间的权重，实现了方案的排序和EAH的优化设计。
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  重型多轴车辆互连油气悬架特性分析

  王旭, 高钦和, 刘志浩, 冯江涛

  液压与气动. 2018, 0(05): 32-40. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2018.05.006

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  以重型多轴车辆互连悬架系统为研究对象，建立了四轴互连油气悬架液压系统数学模型。模型中考虑了管路沿程压力损失、局部压力损失和油缸活塞杆运动摩擦力的影响，并进行仿真分析，通过台架试验验证了模型的正确性。基于互连油气悬架液压系统数学模型，对比分析了垂向和侧倾工况下互连悬架和独立悬架的刚度和阻尼特性，以及对互连悬架阻尼特性进行参数化分析。结果表明：在垂向工况下，互连悬架蓄能器内气体体积变化量相当于各活塞杆进出油缸的体积，与独立悬架蓄能器内气体体积变化量相等，因此互连悬架与独立悬架刚度特性相同，但其阻尼力大于独立悬架；侧倾工况下，互连悬架在增加侧倾刚度的同时也明显增大了阻尼力。两种工况下，独立悬架阻尼特性不变，互连悬架阻尼力随单向阀直径增大、阻尼阀直径增大、油管直径增大、油缸内径减小和活塞杆直径增大而减小。
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  正弦加载液压泵故障振动信号的阶比多尺度形态滤波方法研究

  孙红梅, 刘思远, 何跃, 李晓明, 杨梦雪

  液压与气动. 2018, 0(05): 41-46. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2018.05.007

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   液压泵在变载荷作用下会引起转速波动且发生幅值调制现象，振动信号呈现出明显的非平稳性，传统的滤波方法难于进行有效滤波。针对正弦加载液压泵故障振动信号提出一种阶比多尺度形态滤波方法，利用基于EEMD理论的时频阶比分析方法将正弦加载液压泵故障振动非平稳信号转化成角域平稳信号，再用多尺度形态滤波方法对角域平稳信号进行多尺度寻优和解调处理获得多尺度解调信号，并进行阶次谱分析得到振动信号的特征阶次。通过实验证实，该方法能对正弦加载液压泵故障振动信号进行有效滤波，且能提取出更多的有用故障信息。
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  基于三状态控制的电液伺服加速度控制策略

  侯冬冬, 程栋, 秦丽萍, 贾海杰, 沈刚

  液压与气动. 2018, 0(05): 47-53. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2018.05.008

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  电液振动台是一种广泛用于模拟被试件实际所处力学环境的振动测试设备，加速度波形复现的精度直接决定测试结果，然而，摩擦、被试件柔性因素、参数不确定性、未建模特性等系统非线性因素，都会降低加速度波形复现精度。利用MATLAB与AMESim软件建立了电液振动台系统联合仿真模型，提出并设计了三状态控制器用以提高加速度波形复现精度，并对系统进行了仿真分析；最后，搭建了电液振动台试验台，对提出的控制器进行了实验验证。仿真与实验结果表明，三状态控制器有效提高了加速度波形复现精度。
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  基于动网格方法的油膜轴承性能的研究

  尹雪梅, 李蒙蒙, 马明飞, 吴超

  液压与气动. 2018, 0(05): 54-57. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2018.05.009

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  考虑气穴的影响，建立了油膜轴承所支撑转子系统的动力学模型，并利用新的动网格更新方法，编制了求解油膜轴承压力分布、转子静平衡位置以及轴心轨迹的程序，验证了其正确性。利用该程序考察了气穴压力和转速对油膜轴承压力分布和所支撑转子的轴心静平衡位置的影响。计算结果表明，在相同的速度和载荷下，随着气化压力升高，轴承偏心率和最大油膜压力增大，偏位角减小，并且最大油膜压力的周向位置受气化压力的影响较小；而在相同的载荷下，转速对转子静平衡位置影响较大，并随着转速增加，轴承偏心率减小，偏位角增加。
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  变量型阀配流柱塞式液压电机泵的研制

  娄正坤, 朱碧海, 姬增起, 何贵元

  液压与气动. 2018, 0(05): 58-62. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2018.05.010

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  研制了一种双斜盘阀配流轴向柱塞式液压电机泵的样机，并阐述了一种依靠改变左右斜盘相对位置角度关系来实现液压泵排量改变的变量方式。研究表明：样机技术指标达到了额定压力20 MPa，输出流量298 mL/min，容积效率达到96%，并验证了新变量方式的可行性和具有余弦规律的变量特性。实验也证明了适当增大吸入阀弹簧预压紧力以抵消配流阀旋转时所受的离心力，与在吸入阀的前腔设计简易的离心增压装置以利用液体离心力等方式是可行的，不仅使得泵在中速（750~1200 r/min）时可保持较好的排量，而且在高速(1200~1500 r/min)时排量降低不显著。
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  人字槽狭缝节流动静压气体轴承的静态特性研究

  王广洲, 王文博, 于贺春, 李智浩, 赵则祥

  液压与气动. 2018, 0(05): 63-68. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2018.05.011

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  针对人字槽狭缝节流动静压气体轴承，采用SolidWorks软件进行三维建模，采用ICEM软件分区对三维模型进行网格划分，运用ANSYS 环境下的Fluent 软件进行仿真求解。研究了轴承转速n、狭缝类型（连续狭缝与非连续狭缝）、狭缝数m、人字槽数N、偏心率ε等轴承参数对人字槽狭缝节流动静压气体轴承的静态特性的影响规律。结果表明：随着轴承转速的提高，轴承的静态特性提高，非连续狭缝和连续狭缝对人字槽动静压轴承的承载力、静刚度以及耗气量的影响趋势相同；从轴承的承载力、静刚度以及耗气量考虑，非连续狭缝的静态特性优于连续狭缝。当偏心率ε约为0.6，人字槽面积占轴承内壁表面积约为0.1，人字槽个数N为10~12，狭缝段数m为7以及狭缝宽度b1为16~18 μm时，人字槽狭缝节流动静压气体轴承的静态特性最佳。
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  PQ控制变量泵比例换向阀参数对压力特性的影响仿真研究

  王慧, 张长帅, 孟凡龙

  液压与气动. 2018, 0(05): 69-73. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2018.05.012

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  针对电液比例压力流量控制轴向变量柱塞泵，利用AMESim软件建立其整体模型。对该变量泵压力特性进行了仿真研究，并重点考察了电液比例换向阀参数的变化对泵压力特性的影响。仿真结果表明，电液比例换向阀的弹簧刚度和弹簧预紧力的设定值越大，变量泵输出压力的稳态值也越大；在避免比例换向阀的阀芯质量过小基础上，尽量减小阀芯质量，并设定适当大小的阻尼孔孔径和阀芯直径，可减小输出压力的超调量，改善变量泵的工作品质。
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  基于AMESim的液压滑阀中位内泄漏仿真研究

  何毓明, 彭利坤, 宋飞

  液压与气动. 2018, 0(05): 74-80. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2018.05.013

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  内泄漏广泛存在于液压系统中，直接影响着系统的使用性能。以三位四通换向滑阀为研究对象，利用AMESim软件中的HCD元件库搭建内泄漏故障仿真平台。综合考虑了液压系统压力、间隙高度、遮盖量、黏度、偏心率、阀芯直径对内泄漏量和系统性能的影响。结合仿真数据，运用正交分析列出各因素对内泄漏量影响的主次顺序,得到中位状态下滑阀的间隙高度和遮盖量是内泄漏量的主要影响因素，其中间隙高度对内泄漏量影响最显著，偏心率影响程度最小，为滑阀的设计和加工提供参考依据。
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  液压挖掘机能量回收与利用系统的研究进展

  刘晋霞, 焦志愿, 王宇, 李庆烨

  液压与气动. 2018, 0(05): 81-87. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2018.05.014

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  随着非道路移动机械用柴油机日益严苛的节能减排国家标准发布，作为混合动力液压挖掘机的关键研究技术，动臂势能与回转制动能量回收与利用系统的研究已成为各大工程机械厂家及该领域专家关注的热点。在归纳国内外液压挖掘机各种动臂势能、回转制动能量回收与利用系统的组成、工作原理、性能特点及应用等方面的基础上，对能量回收与利用系统存在的主要问题及其发展趋势进行讨论，为相关行业技术人员了解国内外液压挖掘机能量回收与利用系统的研究现状，研发高效能量回收与利用系统提供技术参考。
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  车辆制动系统需液量仿真分析

  王权, 刘伟, 张致兴, 吴志强, 张杰, 陈颖

  液压与气动. 2018, 0(05): 88-93. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2018.05.015

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  需液量是制动系统关键性设计参数,目前关于制动系统需液量的研究缺乏理论和仿真依据。通过解析车辆制动系统的结构和工作原理，推导需液量关于制动液压强的数学公式，并基于AMESim的设计探索工具，搭建可自寻优的需液量仿真模型。根据实测数据寻找制动系统仿真模型的最优参数拟合值，并利用自寻优出的模型对制动系统需液量的影响因素进行仿真分析。结果表明，该模型可根据目标需液量反向推导出制动系统的关键设计参数，并用以模拟制动系统的需液量分析，为制动系统的设计和故障诊断提供参考依据。
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  气动人工肌肉驱动灵巧手的设计与研究

  张氢, 覃昶, 孙远韬

  液压与气动. 2018, 0(05): 93-97. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2018.05.016

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  针对气动人工肌肉推广应用的问题，提出了一种轻小型气动人工肌肉的制作方案，并对其不同压力下的力学性能进行了试验和测试。试验结果表明，该气动人工肌肉具有高收缩率和大输出力的特性。基于该气动人工肌肉的运动特性，设计了一款欠驱动的多自由度灵巧手，并进行了多项抓取实验，验证了其多种状况下的工作能力。基于气动人工肌肉的灵巧手具有适应性强和抓取力大的特点，对气动人工肌肉的应用和机器人末端执行器的开发具有参考价值。
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  一种驾驶室翻转液压缸试验台的控制系统设计

  于保军, 于文函, 李健, 孙伦杰

  液压与气动. 2018, 0(05): 98-101. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2018.05.017

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  我国国民经济和汽车工业的发展势头越来越好，载重汽车的保有量将会持续攀升，可是驾驶室翻转液压缸易损坏的问题却突出暴露出来，因此设计一种液压缸试验台就显得格外重要。试验台液压缸的模型被简化并且得到了出力位移曲线，依此作为设计的参考依据。该试验台软件部分可以根据已知条件算出相关参数，机械和电气部分可以试验验证液压缸工况。试验验证了该试验台效果良好,试验台的成功设计对于提高液压缸使用寿命，降低企业成本有着积极的参考意义。
论文
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  管道压力反馈式空压机结构参数对压力分布的影响研究

  涂瀚1， 焦义1， 张姚兵1， 侯烨1， 朱宏政2

  液压与气动. 2018, 0(05): 102-106. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2018.05.018

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  结合空气压缩机的结构特性设计一种管道压力反馈式空压机，可以有效降低能耗。利用Fluent软件对管道压力反馈式空压机主管道和测压管内压力分布进行数值计算。研究表明：喷嘴直径越小，在主管道及测压管内形成的负压越大；测压管直径对喷嘴和主管道内的压力分布影响较小；测压管与主管路夹角越小，喷嘴进气形成的高压区位置越低；喷嘴与测压管相对位置越小，测压管内的压力就越大。喷嘴直径为15 mm，测压管直径为10 mm，测压管与主管路夹角为45°，喷嘴与测压管相对位置为0时，测压管压力系数最小，节能效果最好。
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  基于PID+ESO控制器的气动机械手控制仿真分析及试验研究

  王文深, 胡陈春

  液压与气动. 2018, 0(05): 107-113. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2018.05.019

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  针对现实中的气动机械手存在的停滞及控制精度不高等缺点，为了使气动机械手具有更好的运动轨迹跟踪特性，降低非线性，通过分析PID+ESO控制器原理，对采用PID控制和扩张状态观测器PID控制下的气动机械手进行了理论研究。通过对控制器的设计，在MATLAB/Simulink软件上分别对两种不同的控制方法进行仿真，得到各轴的目标跟踪曲线和跟踪误差曲线。将此控制器原理应用于气动试验台，得出基于扩张状态观测器PID控制下的误差较低。应用于直角坐标气动机械手响应速度快、控制精度高。
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  电液马达伺服系统积分鲁棒自适应高精度位置控制

  史琼艳, 张江华, 邹华杰

  液压与气动. 2018, 0(05): 114-119. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2018.05.020

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  电液马达伺服系统中存在各种类型的扰动，包括参数不确定性和不确定非线性，制约着其高精度位置控制。针对电液马达伺服系统高精度位置跟踪控制，考虑系统的黏性摩擦特性以及外干扰等建模不确定性，提出了一种基于鲁棒自适应的电液马达伺服系统高精度位置控制策略。所提出的全状态控制器通过自适应对模型不确定性进行估计及前馈补偿，提高了系统的低速伺服性能；通过自适应对未建模干扰等不确定性的上界进行估计并前馈补偿，提高了系统对外干扰的鲁棒性。所设计的闭环控制器还能保证系统获得渐近跟踪性能，对比仿真验证了其可行性。