2021年, 第45卷, 第12期　刊出日期：2021-12-15

  

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专题
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  电动工程机械关键技术研究进展

  林元正, 林添良, 陈其怀, 李钟慎, 付胜杰, 任好玲, 郭桐

  液压与气动. 2021, 45(12): 1-12. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.12.001

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  随着全球变暖和能源危机等问题日益严重,传统工程机械能效低、排放差,已无法满足国家及行业可持续化发展的需求,纯电动系统是工程机械发展的必然趋势。目前,尽管电动化技术已经在汽车领域得到了广泛的应用,但与电动汽车相比,工程机械无论是在结构上还是工况上均存在显著区别,因此需对工程机械的电动化技术开展专门研究。首先,讨论了纯电动工程机械的类型,对电动工程机械进行了概述;然后,结合工程机械纯电动系统的特点,对比分析了工程机械与其他领域电驱动技术的差异,深入分析了电动工程机械中电机调速、电液驱动、能量回收等关键技术,并在此基础上介绍了电动工程机械的国内外研究现状;最后,对电动工程机械未来发展趋势进行展望。
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  模糊层次分析法在液力缓速器制动性能综合评价中应用

  王卓, 魏巍, 司录荣, 王羽泽, 闫清东

  液压与气动. 2021, 45(12): 13-20. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.12.002

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  液力缓速器的制动性能对重型车辆的安全性和经济性至关重要,但目前尚缺乏对液力缓速制动性能的客观和科学的综合评价。针对这一现状,通过分析国家标准、市场需求和技术性能约束等诸多影响因素,构建了液力缓速器制动性能评价指标的层次模型,采用模糊层次分析法确定各个层次的评价指标权重,在专家经验知识的基础上采用模糊判定矩阵,对3种型号液力缓速器制动性能进行综合评价试验,确定各型液力缓速器相应的评价指标值,并将其与已确定的权重系数相结合,得到评价对象的综合评价值。实例表明:采用模糊层次分析法对液力缓速器系列产品进行制动性能综合评价合理可行,能够为其后续液力缓速器结构优化设计及控制参数优选提供决策依据。
理论研究
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  大深度潜器冲吸复合清淤工具研制

  郭威, 姜磊, 胡晓函, 王希, 吴德发, 刘银水

  液压与气动. 2021, 45(12): 21-26. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.12.003

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  坝面的裂纹、凹坑可能被大坝表面附着的泥沙覆盖,影响水下作业人员对大坝实际安全情况的判断。为大坝安全,水下检测时必须清除坝面泥沙,并保证坝面附近水域清澈。根据实际需求,设计出一种大深度潜器冲吸复合清淤工具,由水下电机、离心泵、射流泵、控制阀组、冲洗与抽吸复合喷头组成。对作业工具不同的工作模式进行了CFD模拟仿真,并开展了作业工具陆地环境的模拟试验。结果表明,所设计的装置可以有效实现不同工作模式的转换,已装备于我国首艘大坝检测载人潜水器。
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  气动机械手稳定运动的控制策略综述

  陶鑫瑞, 高春艳, 陈璇, 潘政

  液压与气动. 2021, 45(12): 27-37. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.12.004

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  气动机械手由于具有驱动介质来源方便、成本低、工作环境要求低等优点,已经在自动搬运、自动上下料等场合中有着广泛的应用;但是由于自身非线性特性,其工作速度稳定性较差。从模糊控制、神经网络控制以及鲁棒控制3个方向分析了气动机械手稳定运动控制策略的研究及应用,发现模糊控制和神经网络控制发展较为迅速,与其他控制理论融合的效果良好且实际应用比较成熟,而鲁棒控制发展较为缓慢且应用较少。根据现有研究成果推测,气动机械手稳定运动控制策略在未来将继续沿着控制理论融合与补充的趋势发展,为气动机械手在复杂动态环境的应用提供更精准、更稳定的控制方案。
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  新型矿用比例方向阀动态特性及控制方法分析

  赵瑞豪, 廉自生, 廖瑶瑶, 李旸, 李润泽

  液压与气动. 2021, 45(12): 38-44. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.12.005

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  适用于液压支架的比例方向阀代替现有的开关型方向阀,是液压支架智能化的重要组成部分。提出了一款适用于液压支架系统的比例方向阀方案,其兼有手动开关控制模式和电液比例控制模式,建立了其数学模型和仿真模型,分析了其动静态特性。研究表明:主阀进液阀芯位移与输入信号占空比呈线性反比例关系;合理设计反馈槽宽度和进液阀芯面积比可以提高阀芯的响应速度;当仅有液压反馈时,进液阀芯位移仍受控于输入信号,避免了因传感器失效对控制系统造成的灾难性事故的发生;通过增加电反馈与原有液压反馈构成双反馈控制的方式,大幅提高了阀的响应速度、线性度、滞环等特性。
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  一种通用型气动软体夹持器的设计与分析

  张耀耀, 刘胜, 徐青瑜, 霍前俊, 张远飞, 李旭

  液压与气动. 2021, 45(12): 51-57. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.12.007

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  由柔性材料制成的末端软体夹持器依靠结构本身的弹性变形实现对物体的无损抓持,具有自由度高、适应性强的特性,在非结构化环境中具有广阔的应用前景。目前,多数软体夹持器功能单一,适应性差,难以实现对各种形状、尺寸物体的通用抓取。为解决这一问题,通过分析形状尺寸各异物体对软体夹持器结构及性能的要求,结合现有夹持器的优点,设计出一种中间部位能抓取体积较大目标、尖端部位可精确夹持细微物体的通用型气动软体夹持器。基于Yeoh模型建立夹持器变形角度与压力关系数学模型,使用ABAQUS软件对其进行正压和负压仿真,分析出夹持器的弯曲变形情况,得到其极限气压。通过实物的变形实验,得到仿真结果和实验结果相对误差为9.10%,验证了仿真的有效性和变形角度与压力关系数学模型的准确性。
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  泵阀双源协同驱动非对称液压缸系统特性

  梁涛, 张晓刚, 葛磊, 权龙

  液压与气动. 2021, 45(12): 58-64. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.12.008

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  阀控液压系统动态响应快、功率密度大,但存在较大节流损失,无法解决多执行器系统载荷差异带来的节流损失;泵控非对称液压缸系统消除了节流损失,但需进行流量补偿,同时泵控多执行器系统装机功率和成本过高。针对上述问题,提出一种泵阀双源协同驱动非对称液压缸系统,并将其应用于某大型液压挖掘机斗杆系统。首先在SimulationX中构建了机电液联合仿真模型,通过与斗杆空载试验结果对比,验证了模型的准确性,然后设计了系统控制策略,最后通过仿真分析了不同控制系统斗杆运行特性和能耗特性。仿真结果表明,与电液流量匹配控制系统相比,该系统改善了斗杆运行平稳性,同时降低系统能耗达63.3%,并具备能量回收的潜力。
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  机带海水冷却电液伺服系统反步抗扰控制研究

  邵钢, 沈伟, 孙侨

  液压与气动. 2021, 45(12): 65-72. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.12.009

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  针对船舶传动装置机带海水冷却系统的电液伺服系统,通过详细建立阀控液压马达系统的数学模型,提出反步抗扰控制策略。该方法利用反步设计方法将系统分为3个子系统,分别设计相应的控制率;考虑系统中的非匹配干扰和匹配干扰,结合不确定性和干扰估计器以及观测器设计方法,提出一种状态和干扰估计器,估计系统状态、非匹配干扰和匹配干扰,并将估计值带入反步法设计的控制率,获得最终的反步抗扰控制率。分析状态和干扰估计器的稳定性,证明闭环系统跟踪误差最终一致有界。采用PID控制和反步控制作为对比,仿真验证反步抗扰控制的跟踪性能。结果表明:所提出的反步抗扰控制方法具有较强的抗扰鲁棒性,能够有效补偿干扰,进而获得快速准确的跟踪效果。
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  倒角阀座式水压锥阀空化射流动态行为数值模拟

  袁聪, 朱丽莎, 杜尊令, 李鹤, 宋锦春

  液压与气动. 2021, 45(12): 73-78. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.12.010

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  使用可压缩的VOF空化两相流算法对倒角型阀座水压锥阀的空化射流进行了三维瞬态流场仿真。模拟结果揭示,空化结构首先在狭窄的倒角阀座流道内以附着空化的形式出现;在压差为4.4 MPa的工况条件下,空化分布集中在3个区域,阀座流道内及阀芯后沿的附着型空化,阀座流道至阀芯后沿的漩涡空化。射流势核在阀座流道入口及阀芯后沿均有分离流现象,从而诱发附着型空化;而大尺寸漩涡结构主要分布于射流势核的自由剪切层侧,漩涡空化亦相应地集中在自由剪切层侧,壁面侧偶发性形成薄层型漩涡空化。由于整体的空化行为涉及多个不同类型空化的耦合,其动态演变的周期特性受到干扰。阀座流道后部的脱落空化伴有明显的三维漩涡结构,阀芯后沿的漩涡空化与附着空化通过耦合作用形成大尺寸汽泡结构,揭示了后沿下游稀疏分布的大尺寸空化结构的产生过程。通过开展三维瞬态模拟,结合流场结构探索了空化射流的动态特性,从流体力学的层面解释了实验观测到的空化形态及分布规律。
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  挖掘机液压系统热平衡建模仿真分析

  张凯波, 谷正钊, 冯克温, 权龙

  液压与气动. 2021, 45(12): 100-107. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.12.014

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  为了分析大型液压挖掘机液压系统热平衡特性,基于SimulationX软件构建挖掘机机械模型、液压系统模型、热交换模型三者耦合建立挖掘机液压系统机-液-热联合仿真模型。对比试验与仿真结果,验证了仿真模型的正确性。结果表明:液压阀产生的热量约占系统总产热量的64%,是液压系统最大的产热源;散热器散热量约占总散热量的77%,系统热平衡时进出口的油液温差约为11 ℃;环境温度越高,系统热平衡温度越高。研究结果证明,现有挖掘机热平衡温度满足工作要求,并对挖掘机液压系统热管理提供了指导。
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  隔水管张紧器防反冲阀设计与仿真

  王波, 何东升, 谢小路, 代辉, 李川

  液压与气动. 2021, 45(12): 108-121. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.12.015

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  隔水管张紧器是深海钻采作业中的关键装备,其主要作用是为隔水管提供恒定的张紧力,以克服浮式平台和钻井船随海浪做升沉运动时对隔水管的影响。隔水管在因台风、动力定位故障等影响因素下需要紧急回收时,水下隔水管总成(Lower Marine Riser Package,LMRP)与水下防喷器(Blow Out Preventer,BOP)紧急脱离后,隔水管会在短时间内以较大的反冲速度向上运动,所以需要控制隔水管的反冲速度以保护隔水管、钻井平台和人员的安全。因此,以我国某海上钻井平台为基础,根据实际工况设计了一种新型防反冲控制阀。该控制阀系统主要由液压和电磁控制两部分组成,用AMESim软件建立隔水管反冲控制仿真模型,对正常工作和紧急脱离这两种模式进行模拟验证,并设计防反冲控制算法,研究隔水管反冲回收的影响因素。结果表明:在正常工作模式时,张紧器系统起到升沉补偿和预防单个张紧器不能正常工作的作用;在紧急脱离模式时,通过设计的PID控制算法实现了对防反冲主阀开度的控制,将隔水管反冲速度控制在合理地范围内,验证了所设计的防反冲阀及控制算法的有效性和可靠性,可为保障隔水管张紧器系统安全可靠的工作提供参考依据,并为张紧器防反冲阀的结构设计提供理论依据。
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  液压往复密封的摩擦特性分析

  马琳

  液压与气动. 2021, 45(12): 122-128. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.12.016

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  基于往复式密封的弹性流体动力润滑的数学模型,对影响密封性能的因素进行了综合分析。综合考虑了形变理论、接触力学理论以及流体-固体耦合理论,采用MATLAB数值分析法,通过数学迭代计算完成最终求解。深入研究了润滑油黏度、界面摩擦系数以及密封圈的表面粗糙度对密封性能的综合影响。结果表明:随着耦合界面摩擦系数的增加,接触摩擦力都呈现出增大的趋势;总摩擦力随着粗糙度的增加呈现出抛物线式变化趋势;润滑油的黏度存在一个临界值,当润滑油黏度小于此临界值时,随着润滑油黏度的增加,总摩擦力先增加后降低;当润滑油黏度超过此临界值时,接触摩擦力呈现出单调增加的趋势;润滑油黏度和界面粗糙度的增加会导致流体泄漏的增大。
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  集成式电静压伺服机构直流侧电压振荡抑制

  史正强, 李瑶, 王水铭, 姜帅琦

  液压与气动. 2021, 45(12): 134-139. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.12.018

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  电静压伺服机构属于泵控液压系统,驱动控制器将直流电转换为三相交流电以驱动伺服电泵旋转,进而使伺服机构产生往复运动。驱动控制器与伺服机构进行集成化设计可以有效降低强电电磁辐射,减小电缆长度,减少电接触点。但是在集成化设计中,需要降低直流侧支撑电容容量以减小驱动控制器体积。小容量支撑电容情况下,伺服机构作动时直流侧电压会出现不稳定振荡现象。通过主动缓冲的方法降低直流侧电压振荡幅度,满足集成化设计对直流侧电压稳定性和驱动控制器小体积的要求。
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  某型应急能源系统收放作动装置联合仿真

  彭佑君, 卢岳良, 杜鑫

  液压与气动. 2021, 45(12): 156-161. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.12.021

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  某型应急能源系统用于在紧急情况下为飞机提供应急电能和应急液压能,收放作动装置是该系统的收放机构。以构建更贴近真实工况的某型收放作动装置虚拟样机仿真模型为目标,构建了基于AMESim和ADAMS的装置虚拟样机联合仿真模型,重点对装置高空带载展开时的动态性能进行仿真研究,并实现了仿真结果和试验结果的对比分析,有利于装置的后续改进等工作。
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  三偏心蝶阀的结构优化及流场分析

  韦彦强, 何世权

  液压与气动. 2021, 45(12): 162-167. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.12.022

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  针对传统三偏心蝶阀的缺点,提出一种桁架过流式三偏心蝶阀结构,利用SolidWorks建立其三维模型并抽取不同开度下的流体域模型,然后根据设定的工况条件在Fluent中进行流场模拟计算。结果表明:优化后的阀板在不同开度下,过流面处承受的压力变小,承压面所能承受的压力变大;同等开度下,优化后的阀板表面的速度降低,阀板表面所受冲刷程度减轻;大开度下,优化后的阀板周围流动稳定性更好,改进后蝶阀的流量系数变大,流通能力变强。对改进前后的蝶阀结构进行阻力特性试验,对比分析得出:大开度下流阻系数明显减小,且改进后结构的流阻系数在同等开度下都有所减小,再次证明改进后结构的性能优势。
工程技术
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  先导式溢流阀结构参数对泄漏的影响

  傅俊勇, 范宇恒, 董文勇, 房成, 纪宝亮

  液压与气动. 2021, 45(12): 140-148. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.12.019

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  针对某型先导式溢流阀需要对泄漏进行控制的问题,推导出考虑形位公差和安装偏差的溢流阀泄漏量数学表达式,同时建立泄漏情况下的溢流阀未开启、前置级开启、主阀开启3种状态的流量数学模型,并利用AMESim软件仿真验证了模型的有效性。根据模型分析了溢流阀主阀直径、主阀半锥角、主阀密封长度、主阀密封间隙等主要结构参数变动对泄漏和流量的影响,并给出一组结构参数,可在保证流量的前提下满足泄漏量的要求。
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  气动式反操纵负载模拟器设计

  杨得亮, 孟韩

  液压与气动. 2021, 45(12): 149-155. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.12.020

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  气动式反操纵负载模拟器,以压缩空气或氮气为能源,采用曲柄滑块原理,模拟舵面受到的反操纵气动力负载。首先,根据最大加载力矩和最大舵偏角确定曲柄、连杆长度;其次,确定活塞行程,并根据最大气体压力和最大加载力矩确定活塞有效面积及其他参数;最后,进行活塞速度校核,保证活塞始终处于主动加载状态。以某小功率舵机为例,根据反操纵力矩调节气源输出压力,采集舵偏角反馈信号和扭矩反馈信号,分析舵偏角与扭矩的对应关系。试验结果表明,气动式负载模拟器的试验数据和设计技术指标基本吻合,经数据修正或补偿后,线性度、加载精度等指标均达到设计要求。
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  P1+P4混合动力变速箱液压系统

  葛成荣

  液压与气动. 2021, 45(12): 168-175. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.12.023

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  P1+P4混合动力变速箱是在DCT360变速箱的基础上进行适应性的改进而设计出来的一款新能源变速箱,保留了原机械泵,增加了电子泵系统。电子泵在发动机不工作时,提供润滑冷却与换挡压力。介绍了对现有DCT360变速箱的改进、样机的设计和详细试验过程。通过模型仿真和大量的原有试验数据,验证了主油压在变化的情况下可以满足现有控制条件的换挡响应,最终确定能源系统和各相关附件系统,为后续系统功能和控制策略完善提供基础。
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  一种复合式广谱液压脉动衰减器的设计与分析

  袁军, 江杭, 方正艳, 罗志, 王天生, 尹贵洪, 江凤先

  液压与气动. 2021, 45(12): 176-183. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.12.024

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  为了降低液压泵出口的压力脉动,设计了一种复合式广谱液压脉动衰减器。该衰减器由1个扩张室、2个容积室、2个限流管和8个质量室构成。通过对复合式广谱液压脉动衰减器的参数进行合理配置,可实现对多个频率段的脉动进行衰减。采用插入损失来评价复合式广谱液压脉动衰减器的衰减效果,利用MATLAB软件对其衰减效果进行仿真,并分析了脉动衰减器主要结构参数与衰减效果的关系。结果显示,该液压脉动衰减器在20～1000 Hz的脉动频率范围内具有良好的衰减效果。复合式广谱液压脉动衰减器结构紧凑,衰减频率带变宽,衰减效果好,符合设计要求。
综合应用
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  电液振动台加速度随机振动控制

  廖洋, 范大莽, 张博鑫, 关广丰, 熊伟, 王海涛

  液压与气动. 2021, 45(12): 45-50. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.12.006

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  随机振动模拟试验通过时域波形再现非平稳的振动环境,广泛应用于各类产品的可靠性检测。电液振动台是大型结构件进行模拟试验的关键设备,在随机振动环境下,传统三状态控制器无法同时消除电液振动台干扰力与模型不确定性的影响,以单轴电液振动台作为控制对象,利用滑模控制策略,抑制电液振动台系统在随机振动环境中不确定干扰力的影响,利用自适应逆控制器补偿模型不确定性问题,实现振动台加速度随机振动控制。通过MATLAB/Simulink对该复合控制策略进行随机振动仿真分析,验证控制策略的有效性。
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  高压水射流切割粘釜物的实验分析

  窦艳涛, 蔡晓君, 樊恒明, 张洪伟

  液压与气动. 2021, 45(12): 79-84. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.12.011

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  为研究不同高压射流参数作用下粘釜物的切割清除效果,开展了粘釜物的高压水射流切割清除实验研究。实验以切割深度及切割宽度为衡量目标,研究了入射角、靶距、横移速度和出口压力4个射流参数对切割清除效果的影响,通过正交实验实现了射流参数的优化。结果表明:切割深度和宽度均随出口压力增加而增大,随横移速度增加而减小;而靶距接近初始段长度,入射角度为30°时切割深度及宽度达到最大值;正交实验表明,射流参数对切割深度的影响效果顺序依次为横移速度、入射角、出口压力、靶距;当前工况的最佳射流参数组合为:横移速度7.5 mm/s,入射角30°,出口压力值120 MPa,靶距15 mm。研究结果为工业现场清釜作业提供了实验依据及技术支持。
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  凸轮转子泵抽送不同浓度非牛顿流体的流场分析及对性能影响

  王中军, 赖喜德, 陈小明, 廖功磊, 谭祺钰

  液压与气动. 2021, 45(12): 85-92. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.12.012

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  为了探讨摆线型凸轮转子泵抽送粪污介质的性能变化和针对非牛顿流体类抽送的优化设计,以三叶摆线型凸轮转子泵作为研究对象,选取清水和浓度为6.87%,9.20%,12.15%的猪粪作为抽送介质,对凸轮转子泵进行三维非定常数值模拟,分析内部流场瞬态特性,预测其外特性。分析结果表明:在抽送清水和不同浓度的猪粪时,从泵腔的进口区域到出口区域的压力逐渐升高,随猪粪浓度增大,独立工作腔室的压力增大;抽送非牛顿流体时,间隙处因挤压而产生的速度激增,转子泵腔内的速度分布更加均匀;出口的压力脉动主频均出现在2倍叶频处,压力脉动幅值随猪粪浓度增大而减小;随猪粪浓度增大,出口流量、容积效率及水力效率增大,流量脉动系数减小,其性能优于抽送清水介质。研究为凸轮转子泵输送非牛顿流体时的优化设计奠定了基础。
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  传感器故障下发射装置筒盖系统的容错控制

  卫超, 沈刚, 殷士才, 李翔, 汤裕

  液压与气动. 2021, 45(12): 93-99. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.12.013

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  筒盖系统是潜艇导弹发射的重要装置。筒盖启闭通过电液伺服系统进行控制,筒盖系统通过角度传感器实现其闭环控制,传感器发生故障工况对潜艇的导弹发射将造成严重损害。为了保障筒盖系统安全稳定运行,针对其传感器故障工况设计了PI观测器,实现对筒盖系统传感器故障的实时估计,基于信号重构技术实现了对传感器反馈信号的矫正,并结合鲁棒控制器实现了对筒盖系统传感器故障工况下的安全稳定运行。试验结果表明,该控制器对筒盖系统发生传感器故障工况下的控制实现自愈效果,提高了其控制性能。
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  基于应力均匀化的超纯水隔膜阀隔膜优化

  闵为, 李成, 王金林, 段沛, 霍为佳

  液压与气动. 2021, 45(12): 129-133. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.12.017

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  超纯水隔膜阀具有结构简单、耐化学腐蚀、低离子析出等优点,多用于半导体行业,隔膜的疲劳破损是影响隔膜阀寿命和设备可靠性的关键性能指标。通过COMSOL模拟了隔膜启闭过程中的应力变化情况,并详细分析了隔膜工作时的受力特点。结果表明:隔膜启闭过程中受到的应力与阀口开度成线性关系,且阀口开度最大时出现峰值;对于小流量、低流速的超纯水隔膜阀,隔膜失效的主要因素是隔膜启闭过程中机械拉伸引起的疲劳损坏;优化后的隔膜在工作时的应力趋于均匀化,对进一步提高其工作寿命具有良好的工程指导意义。