2021年, 第45卷, 第10期　刊出日期：2021-10-15

  

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专题
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  带流量前馈与工作腔压力反馈的电液负载敏感系统节能方法

  孙博林, 程敏, 丁孺琦

  液压与气动. 2021, 45(10): 1-7. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.10.001

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  基于流量前馈控制的电液负载敏感系统为容积节流复合调速系统,可将阀口全开以降低能量损失,但在超越工况下,系统速度特性会受阀口阻尼降低的影响,引发执行器超速下坠甚至安全事故等问题。据此,提出了适用于带阀后压力补偿的电液负载敏感系统的解决方法:将负载进油口容腔压力控制为一恒定值,并研制了相应的压力串级控制器。该控制器以速度反馈作为内环以提高系统抗负载干扰能力,并以带抗积分饱和补偿的PI 控制器作为外环以控制工作腔压力为一定值。基于2 t挖掘机不同负载工况下的试验结果表明:工作腔压力控制与传统手柄直接控制阀口的方法相比,可在降低比例阀阀口损失的同时保证执行器速度控制性能。
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  微型高速轴向柱塞泵动力学特性分析

  叶绍干, 李旭, 侯亮, 卜祥建, 赵守军, 刘会祥

  液压与气动. 2021, 45(10): 8-15. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.10.002

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  微型高速轴向柱塞泵动力学特性影响其工作性能和寿命,主轴与缸体的振动响应以及质心轨迹可反映其动力学特性。对微型高速轴向柱塞泵结构进行合理简化,建立了其运行工况下的动力学模型。分析了工况压力21 MPa,转速分别为18000, 20000, 23000 r/min时,主轴与缸体的振动位移频谱、倾覆角度频谱和质心轨迹;分析了工况转速20000 r/min,压力分别为14, 21, 28 MPa时,主轴与缸体的振动位移频谱、倾覆角度频谱和质心轨迹。研究结果表明:振动位移需关注偶倍频,倾覆角度需关注奇倍频,部分谐波振动响应随压力的增大而增大,主轴与缸体的质心轨迹呈扇叶形状。
理论研究
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  水液压节流阀精细调节阀口设计与仿真分析

  张增猛, 杨勇, 王旭, 侯交义, 弓永军

  液压与气动. 2021, 45(10): 16-19. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.10.003

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  传统水液压节流阀阀口形式多为球阀式和锥阀式,具有良好的阀口密封性,但其存在着流量分辨率低和阀口特性线性度差等缺点。设计了一种新的非全周开口滑阀阀芯,其阀口形式由该非全周开口滑阀阀芯和空心圆柱阀套构成,具有阀芯行程大的特点。该研究进行了CFD仿真分析,结果显示,非全周开口的阀口形式保证了高线性度的阀口特性,阀芯行程的增大提高了阀口的流量分辨率,该阀口形式能够适应水液压传动系统高精度控制的应用需求。
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  内啮合齿轮泵发展综述

  陈宗斌, 何琳, 廖健

  液压与气动. 2021, 45(10): 20-30. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.10.004

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  内啮合齿轮泵结构紧凑,振动噪声低,发展优势明显。为深入掌握内啮合齿轮泵发展动态,首先介绍了渐开线和直线共轭两种内啮合齿轮泵的结构特点,分析了不同类型内啮合泵的优缺点;其次总结了两种类型内啮合齿轮泵产品发展现状和新产品的开发动态,梳理了当前关于两种类型内啮合齿轮泵的研究热点和技术方向;最后指出了我国内啮合齿轮泵产品发展所面临的严峻形式,对全面理解内啮合齿轮泵,推动国产化内啮合齿轮泵的技术进步具有参考意义。
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  基于蓄能器储能和综合调度叉车势能利用系统

  束世辰, 刘红军, 路珍, 张青松, 葛磊

  液压与气动. 2021, 45(10): 31-36. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.10.005

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  随着导航控制和运动控制技术的成熟,越来越多的输送机器人用于工业生产中,大幅提升了工业生产自动化能力。输送机器人,往往以传统叉车为原型,通过智能调度和运动控制,完成生产搬运任务。但这种叉车系统,在往复提升和下放货物中,存在大量的物料势能浪费问题;而现有能量回收再利用方法,仅讨论了叉车举升系统能量回收和再利用性能,而未充分考虑单台叉车带载提升和带载下降并不是一个工作循环,导致能量回收系统应用较少。提出采用蓄能器回收叉车下放货物的势能,并通过自动调度系统协调,实现回收能量的再利用。该方法的推广,将大幅改善叉车系统能量效率,并减少电池供电叉车的充电次数,推动输送机器人绿色运行技术,推动行业技术进步。
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  轨道板张拉力模糊PID同步控制联合仿真分析

  张旭飞, 刘欣超, 李凯, 权龙

  液压与气动. 2021, 45(10): 37-43. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.10.006

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  为改善CRTSⅢ型高铁轨道板张拉成形工艺效率,可采用预紧力筋独立设置张拉杆的多通道同步张拉设备,但该设备张拉时依然存在螺纹连接滑移、锁紧空隙及液压系统特性参数不一致等问题,使多通道张拉力产生波动,导致预紧力筋内应力分布不均匀,影响轨道板张拉成形质量。为此,在多通道张拉设备液压系统运行原理分析基础上,进行AMESim/Simulink联合仿真分析,提出基于模糊PID的多通道张拉力波动控制方法,与传统PID控制策略对比仿真分析。结果表明,模糊PID算法具有更好的响应速度等控制性能,可实现不同负载干扰力和液压缸泄漏系数作用下的多通道张拉设备输出,将张拉力波动误差控制在1%以内,进而对轨道板内多路预紧力筋同步施加一致内应力,提高张拉成形质量。
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  微非对称结构燃油伺服阀压漂特性

  郑树伟, 陈冬京, 徐殿峰, 张晋

  液压与气动. 2021, 45(10): 50-61. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.10.008

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  偏导射流伺服阀前置级结构形式对压力漂移有极大影响。根据前置级结构参数的计算公式及伯努利方程,建立简化后前置级数学模型。以某款燃油电液伺服阀为研究对象,着重分析劈尖、接受口内侧边、接受口外侧边及V形槽等结构非对称性的影响。采用数值模拟的方式对不同回油压力及不同结构非对称条件下的前置级流场特性和压力漂移进行了仿真研究。通过PIV技术进行了流场可视化实验,验证了数学模型及仿真结果,得到了该款电液伺服阀零漂最大的工况及大小,并对改善偏导射流伺服阀的零漂提供了一定的参考依据。
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  基于转矩控制的变转速定量泵压力控制方法

  郝思琪, 张晓刚, 葛磊, 张红娟, 权龙

  液压与气动. 2021, 45(10): 62-68. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.10.009

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  变转速电液泵可以大幅提升液压动力源能效,但采用变转速电机驱动定量泵作为动力源时,通过控制转速实现压力控制,难以适应流量快速大范围变化的工况。为解决这一问题,采用电机转矩控制液压泵输出压力,实现动力源与流量无关的压力控制。与变转速控制相比,电机转矩属于控制内环,响应速度快;由于泵输出压力与其排量的乘积基本等于电机的输出转矩,控制更为直接。考虑到泵输出压力与电机输出转矩的非线性关系,在前馈控制的基础上,引入压力偏差反馈,实现压力的高精度控制。建立电机转矩控制模型及液压系统模型,对提出的控制方法进行验证。结果表明:采用电机的转矩控制压力,压力响应时间降低到40 ms,静态特性曲线回程误差小于2%。
工程技术
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  重型越野车辆油气弹簧设计与验证

  杜志朋, 林恕锋, 董明明

  液压与气动. 2021, 45(10): 69-75. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.10.010

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  为了满足重型越野车辆对大行程弹性元件的要求,创新设计了一种双气室油气弹簧。根据结构和工作特性,建立了两种工作状态下的油气弹簧数学模型,并分析了其刚度特性。加工油气弹簧样件,进行台架试验,获得了不同频率下的油气弹簧作用力和位移数据。分离弹簧作用力中静摩擦力、阻尼力和弹性力。利用弹性力和位移数据,通过曲线拟合方式,识别油气弹簧工作气体不同工况下的多变指数。设计的双气室油气弹簧结构、油气弹簧理论模型,对油气弹簧在大行程越野车上的应用提供了支撑。
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  翼身连接处几何参数优化匹配的流动机理仿真

  叶露, 吴奕铭, 袁广田

  液压与气动. 2021, 45(10): 76-80. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.10.011

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  飞机由各个部件组装成为一个整体,在各个连接部位彼此气流互相干扰,会导致干扰阻力增加,严重影响飞机大迎角下的气动性能,因此,优化连接部位几何参数匹配对减小干扰阻力及改善飞机大迎角流动具有重要的工程应用价值。以某一特定飞机的机翼-机身的连接部位着陆构型为研究对象,采用数值模拟的方法,从连接部位的前缘、展向中段及后段3个方面开展几何参数优化匹配。结果表明:合适的前缘相对厚度、前缘后掠角和前缘整流长度、展向中段整流长度及后段翼根型面曲率能够有效地改善连接部位的气流分离,减小了干扰阻力,改善了升力特性和升阻力特性。
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  ZrO₂陶瓷与304钢配副高水基液压元件摩擦学性能

  寇保福, 李振顺, 张涨, 李瑞清, 霍鹏亮

  液压与气动. 2021, 45(10): 81-87. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.10.012

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  采用Rtec摩擦磨损试验机MFT-5000、白光三维干涉仪和扫描电镜,考察不同载荷和高水基乳化液浓度条件下ZrO₂陶瓷与304钢配副的摩擦系数、磨损体积和表面形貌,并探讨其磨损机制。通过控制变量法分析表明:载荷比高水基乳化液浓度对摩擦系数的影响较大,且随着载荷的增大,摩擦系数趋于稳定,而磨损体积增大;随着浓度的增大,摩擦系数逐渐减小并趋于稳定,磨损体积先减小后增大,在100 N/Hz和浓度为6%工况下,陶瓷与钢配副的摩擦系数和磨损体积最小;陶瓷与钢配副在高水基乳化液中以氧化磨损为主,且随着浓度增大,氧化磨损先增大后减小,伴有犁削磨损。陶瓷与钢配副模拟液压元件内部摩擦副的润滑效果,通过分析试验结果找到合适的工况来提高液压元件的寿命和工作效率。
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  基于热流固耦合的多级降压阀构件变形分析

  葛长榕, 徐东涛, 孟祥瑞, 于晓光

  液压与气动. 2021, 45(10): 88-94. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.10.013

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  提出一种多孔型多级降压调节阀,利用有限元分析软件ANSYS Workbench对调节阀的内部流场、压力场进行数值仿真分析,得到该阀的流量特性曲线,通过与标准流量特性对比,可以优化节流孔的配置;同时,仿真得出阀内流场压力分布,证明其降压元件具有良好的降压效果,针对在高温、高压工况下,阀内件的变形规律进行分析,仿真得到阀内件在热流固耦合条件下的变形值,且得到各物理场对阀内件变形的影响程度;仿真得到在热流固耦合条件下,阀塞和套筒配合面间变形后间隙,精准判定阀的工作可靠性,为设计该类调节阀的内套筒与阀塞尺寸公差提供技术支持。
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  同轴套管式深井换热器的换热性能分析

  付必伟, 孙琳, 张思

  液压与气动. 2021, 45(10): 95-103. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.10.014

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  同轴套管式深井换热器是一种开采地热能的有效方式,为了提高其换热器的换热性能,采用有限体积分析方法,开展了同轴套管式深井换热器传热性能研究。通过建立近地热源区域的同轴套管式深井换热器三维传热模型,分析了入口流速、入口温度以及保温管距井底距离等关键因素对换热器采热功率的影响,结果表明:入口流速由0.1 m/s增加到1 m/s,采出温度降低了9.82 K,采热功率增加了7倍;入口温度从288 K增加到308 K,采出温度增加了13.61 K,采热功率下降了17.2%;距井底900 mm距离降低到 100 mm,采出温度增加1.91 K,采热功率增加了6.57%。
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  挖掘机器人伺服系统神经网络滑模控制

  冯浩, 殷晨波, 曹东辉, 俞宏福

  液压与气动. 2021, 45(10): 104-110. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.10.015

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  挖掘机器人伺服系统存在高度非线性、参数不确定和未建模动态等诸多不利因素,提出了一种结合径向基函数(RBF)神经网络的非线性滑模控制器,以提高控制精度和鲁棒性。首先,建立了单联伺服系统的数学模型;其次,采用RBF神经网络对系统的不利因素进行逼近,提出积分滑模面进一步减小稳态误差,同时减少对伺服系统参数的依赖,在此基础上,设计了基于RBF神经网络的滑模控制器(SMC-RBF),利用Lyapunov理论证明了系统的渐近稳定性;最后,通过不同的参考信号和整平实验验证了控制器的优越性。仿真结果表明,SMC-RBF控制器响应快,跟踪精度高且鲁棒性强,与PID控制器相比正弦轨迹跟踪精度提高了46%。整平实验结果表明,铲斗末端轨迹跟踪精度提高了52%。
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  一种高压大流量插装式先导型溢流阀的仿真分析与优化设计

  董文勇, 李文顶, 田欢, 谢孟恺, 王恒, 李勇, 余三成

  液压与气动. 2021, 45(10): 125-133. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.10.018

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  针对一种高压大流量插装式先导型溢流阀展开仿真分析与优化设计。首先对溢流阀主要结构参数进行初步设计计算;然后根据溢流阀内部结构建立AMESim仿真模型并进行仿真,对主阀阻尼孔、先导阀阻尼孔、主阀弹簧刚度、主阀弹簧预紧力、先导阀弹簧刚度、先导阀弹簧预紧力等重要参数进行特性影响分析;最后根据仿真分析结果,采用响应曲面与非支配排序遗传算法相结合的方法,求解一定范围内溢流阀最优结构参数,实现溢流阀满足高压大流量指标且调压偏差尽量小的要求。
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  斜盘式轴向柱塞泵转子系统动态特性分析

  冉启平, 王涛, 刘冰, 董兴建

  液压与气动. 2021, 45(10): 134-142. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.10.019

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  以滑靴副和配流副为切入点,明确了柱塞泵转子与壳体之间的作用关系;进一步借助转子动力学和有限元方法,分析了斜盘式轴向柱塞泵转子系统的动态特性。在考虑柱塞泵转子系统中柱塞-滑靴组件的非对称分布的基础上,建立了柱塞泵转子有限元模型,使用结构载荷代替转子与壳体间的作用关系,对柱塞泵转子和壳体进行切分,计算了柱塞泵转子所受的稳态激励;基于所建模型计算了柱塞泵转子的瞬态响应,分析了转子轴承刚度特性对响应结果的影响。得到了柱塞-滑靴组件对柱塞泵转子的偏心作用可等效为一恒定偏载这一规律,确定了轴承刚度变化对转子响应的频率成分影响,为进一步计算柱塞泵壳体的结构振动响应和壳体结构优化奠定了基础。
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  基于改进樽海鞘群算法的磁流变减摆控制优化

  王博, 王璐琦, 祝世兴

  液压与气动. 2021, 45(10): 150-159. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.10.021

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  针对磁流变减摆控制参数整定方法效率低、耗时长、精度差问题,提出一种基于改进樽海鞘群算法(Modified Salp Swarm Algorithm,MSSA)的减摆控制优化方法。首先,针对领导者更新引入精英个体杂交变异策略,提高全局搜索能力;然后,对于跟随者更新采取自适应差分变异策略,加快优化效率;最后,以摆幅最小、摆振收敛时间最短为优化目标,将改进樽海鞘群算法应用于磁流变减摆控制参数整定。基于标准函数的性能测试表明,与樽海鞘群(Salp Swarm Algorithm,SSA)、高级萤火虫(Advanced Firefly Algorithm,AFA)、粒子群(Particle Swarm Optimization,PSO)和遗传算法(Genetic Algorithm,GA)相比,改进算法的收敛精度更高,优化效率更快,性能更稳定。优化仿真实验进一步表明,相较SSA,AFA,PSO,GA优化的减摆控制系统,该整定方法优化用时短,能够使机轮平均摆幅减少4.24%以上,并确保摆振在规定时间内收敛,减摆效果更优。
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  先导式电磁开关阀的控制方法优化

  吴柳杰, 刘伟, 单东升, 杨建奎, 张军晓

  液压与气动. 2021, 45(10): 160-168. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.10.022

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  踏板行程模拟装置作为集成制动系统(IBS)的关键部件之一,其作用是为驾驶员提供良好的踏板感觉,保证制动的安全性。该装置核心部件——先导式电磁开关阀的性能直接关系到踏板感觉的效果,对其进行深入的研究,建立先导式电磁开关阀不同子系统的数学模型,并运用AMESim软件搭建多场耦合模型并进行仿真,分析了环境温度、驱动电压对电磁阀性能的影响。通过仿真与实验分析发现,传统控制方法存在电磁阀发热量较大的问题,这极大地限制了电磁阀的使用。针对该问题,提出一种变电压控制方法,实验结果表明,新控制方法可以保证电磁阀长时间正常工作,有效提高电磁阀的工作能力。
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  水冷盘式制动器散热结构优化

  吴文海, 沈珺

  液压与气动. 2021, 45(10): 169-176. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.10.023

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  为提高水冷盘式制动器散热性能,基于强化对流传热原理,通过添加扰流柱对制动器散热结构进行优化,设计了4种扰流柱散热结构,运用CFD方法模拟制动盘流固耦合传热过程,采用Fluent软件进行热流固耦合仿真计算,获得制动盘温度特性和换热特性以及流动阻力特性,并使用综合性能评价因子对不同扰流柱散热结构进行评价。结果表明:通过在安装盘水槽内添加扰流柱可以有效地提高水冷盘式制动器的散热效果;在相同的工作条件下,正三角形扰流柱散热结构的盘面温度最低,平均努塞尔数与流动阻力最高,其综合散热性能较圆形、椭圆形以及水滴形扰流柱散热结构分别提高了3.4%,2.4%和4.4%,较无扰流柱散热结构提高了6.7%,正三角形扰流柱散热结构具有更好的综合散热性能。研究结果为水冷盘式制动器散热结构的优化设计提供了参考。
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  基于改进PSO算法的电液位置伺服系统MRAC跟踪控制

  蔡改贫, 曾常熙, 周小云, 刘鑫

  液压与气动. 2021, 45(10): 177-183. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.10.024

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  针对电液位置伺服系统控制性能不佳的问题,提出一种基于改进PSO算法优化的模型参考自适应(Model Reference Adaptive Control,MRAC)跟踪控制方法。首先,建立电液位置伺服系统数学模型,设计出模型参考自适应控制器;其次,分析PSO算法、APSO算法在参数寻优过程中的不足,提出一种改进的PSO算法;最后,将改进的PSO算法用于模型参考自适应控制器以改善其控制性能。结果表明,改进PSO算法优化的模型参考自适应控制具有响应速度快、跟踪精度高的优点。
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  强放射性环境用气压传感器的管路与压力响应分析

  李海, 王时龙, 易力力, 安然, 龚金龙

  液压与气动. 2021, 45(10): 184-188. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.10.025

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  在强放射性环境中气动元件具有防爆、可靠性高等优势,但因气体的可压缩性导致气压信号传递滞后,造成气压传感器灵敏度下降。对气压传感器的管路与压力响应关系进行理论分析和试验验证,分析出影响气压传感器信号滞后原因,对长气管的气体传递行为进行了分析,并根据试验结果针对气体传递模型进行优化,最后给出气压传感器灵敏度改进方案。
综合应用
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  超越负载液压马达系统的特殊性分析和安全调试

  刘榛, 田海弘

  液压与气动. 2021, 45(10): 44-49. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.10.007

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  以演出场所水中升降台液压系统为典型案例,详细阐述超越负载马达回路液压系统的基本构成,分析归纳此类液压系统设计时回路及元件选择的特殊性。针对在系统调试过程中发现的安全性问题进行综合分析并彻底解决,确保水中升降台机械机构及其液压系统运行的稳定性、安全性和可靠性。研究对类似液压系统有一定的借鉴意义和参考价值。
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  动臂势能再生混合储能系统的设计与分析研究

  肖广鑫, 贺湘宇, 胡薜礼, 谭丽莎

  液压与气动. 2021, 45(10): 111-117. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.10.016

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  液压蓄能器储能一直是液压系统唯一的储能方法,被广泛应用于混合动力液压挖掘机中,具有功率密度高、响应快、工作稳定、性价比高等优点。但是与电储能方式相比,液压蓄能器的能量密度低、吸放能压力波动大,限制其在混合动力液压挖掘机上的应用。提出了一种混合储能系统(HES),一部分能量按传统液压蓄能器储能方式,以保证功率密度;其他能量转换为电储能方式,以保证能量密度。基于一台1.7 t的微型液压挖掘机,建立了该混合储能系统的全尺寸仿真模型,实现了液压挖掘机动臂能量再生。研究结果表明,该混合储能系统能够有效回收动臂势能,且能量密度较高,吸放能压力波动小。
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  放射源处置机器人电液行走控制系统仿真与实验

  闫九祥, 孙洁, 肖永飞, 张艳芳, 朱琳

  液压与气动. 2021, 45(10): 118-124. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.10.017

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  针对放射源处置机器人工作环境的特殊需求及驱动电机功率限制,设计了一种相互独立的双通道电液比例阀控马达行走控制系统,建立了电液比例行走控制系统数学模型。为实现机器人行走控制系统快速、稳定、准确的速度控制,提出一种双通道模糊PID控制策略。对所设计的电液比例速度控制系统进行仿真与实验,结果表明电液控制系统及控制策略满足系统性能需求。
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  离散单元法连续抛雹装置调节控制机构的改进设计

  孙科, 贾文杰, 任博扬

  液压与气动. 2021, 45(10): 143-149. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.10.020

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  将离散单元法应用于冰雹连续投放机构的原理分析。对于基本型结构,由于叶轮运输冰雹能力远大于抛射管的流通能力,造成冰雹在叶轮级间多次旋转,不利于投放量的有效控制及冰雹完整形态保持。对此提出了改进结构,得到了有利于冰雹投放控制的设计参数,叶轮底部半径75 mm,顶部半径98 mm。在这种结构下,冰雹投放量随电机频率的增大先增大,后基本保持不变。对不同叶轮长度进行计算分析,瞬时投放量随叶轮长度的增大而增大。对于叶轮有效长度为110 mm的结构,电机频率在20~40 Hz区间内,冰雹投放量随频率增大逐渐增大,可实现投放量在0.8~1.3 kg/s的调节。