2021年, 第45卷, 第4期　刊出日期：2021-04-15

  

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理论研究
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  轴向柱塞泵缸体位姿机液一体化联合仿真

  施嘉佳, 侯亮, 郭志敏, 崔凯, 叶绍干, 卜祥建

  液压与气动. 2021, 45(4): 1-7. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.04.001

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  轴向柱塞泵在实际工作过程中会发生缸体倾覆现象,影响轴向柱塞泵的可靠性和寿命。为揭示缸体倾覆的原因,运用1D-3D联合仿真模型进行研究。分析了缸体x, y, z 3个方向上的受力情况及动力学方程。搭建轴向柱塞泵1D液压系统模型以及3D多体动力学模型,并通过接口实现仿真模型间的数据交互,得到完整的机液一体化仿真模型。对于不同工况下的缸体位姿进行仿真分析,结果表明:联合仿真模型能准确模拟缸体的受力情况,分析不同工况下的缸体位姿,可作为揭示缸体倾覆现象有力的分析工具。
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  双U形节流槽滑阀多场耦合特性研究

  张鑫, 韩进, 马德建, 高庆利, 刘建超

  液压与气动. 2021, 45(4): 13-18. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.04.003

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  压滑阀在工作过程中阀芯卡滞及磨损现象严重,为了改善阀腔流域特性及液压阀的工作性能,构建了液压滑阀的简化模型,基于计算流体力学对双U形节流槽滑阀阀芯及阀腔内流域动态特性进行了分析。研究了节流槽数量、阀口压差对阀腔内流体速度场、阀芯温度场及阀芯应变场动态特性的影响。研究结果表明,随着阀口压差的增加,流体的最大流速以及阀芯的最高温度和最大变形增大;随节流槽数量的增加,阀芯的最大变形增大,流体流速及阀芯最大温度变化微弱。该研究为阀芯优化设计提供了参考。
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  基于介质层耦合的柔性触觉传感器空间分辨率补偿方法研究

  陈英龙, 解佳森, 朱沣樟, 王斌丞, 弓永军

  液压与气动. 2021, 45(4): 32-39. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.04.006

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  传统柔性压力传感器采用离散电容结构,传感器空间分辨率受到最小离散单元的限制。对于作用面积较小的外力接触,现有柔性传感器仅能通过减小离散单元面积确定接触位置,而离散单元过小则会造成制作困难、接线复杂、成本升高。为解决微小接触面积下空间分辨率偏低问题,提出了一种基于整体介质层耦合结构柔性传感器,通过建立传感器接触及扩散电容单元的数学模型,能够在不降低电极面积的情况下,通过接触及扩散电容对接触位置进行准确判断,显著提升柔性压力传感器的空间分辨率。仿真及试验结果表明:所设计的基于耦合介质层8×8阵列传感器的受力模型获得了0.2 mm×0.2 mm的空间分辨率,在较低的制作成本以及传感器尺寸稍大的前提下,大大提高了阵列传感器的空间分辨率。
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  基于斯特封的飞机作动器主密封有限元分析

  张妙恬, 李德才, 索双富, 时剑文

  液压与气动. 2021, 45(4): 40-48. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.04.007

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  斯特封作为常用的往复密封圈,在密封过程中起着重要作用。选用斯特封作为飞机作动器密封的主密封件,首先通过单轴压缩实验获得斯特封D形圈和阶梯圈的材料参数,然后利用ABAQUS软件完成斯特封在不同工况下的有限元仿真。通过设置往复密封系统的结构、材料、工况等参数,选择流体压力渗透载荷加载方式,获得斯特封在不同油液压力时过盈安装后和内外行程的应力应变云图及阶梯圈唇口、底部的接触压力分布和接触宽度,为建立往复密封数学模型提供了参数。
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  基于Fluent的异形油箱内气泡与油液融入规律的研究

  李涛, 魏列江, 张吉智, 梁汝健, 张振华

  液压与气动. 2021, 45(4): 49-54. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.04.008

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  液压油箱作为液压系统主要辅件,其结构和充气参数对溶解在油液中的气泡与油液的分离、融入现象等具有重要影响。以紧凑式特种车辆异形油箱为研究对象,利用Fluent多相流模型中的欧拉-欧拉模型,对特种车辆异形油箱内部流场进行气液两相流三维数值模拟,通过油箱出油口气体体积分数变化的监测,研究液压系统油箱内不同充气压力、液压泵不同转速作用下,气泡与油液融入的规律性关系,为液压油箱及系统的设计选型提供参考。
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  隔膜泵用电磁执行器的软着陆设计与仿真

  闫献, 傅阳, 吴瑞明, 杨礼康

  液压与气动. 2021, 45(4): 55-60. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.04.009

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  电磁螺线管驱动器行程短,响应速度较快,从而实现快速动作,常用于快速直线运动的工业应用中,如隔膜泵的直线驱动。在实际应用中,隔膜泵中柱塞的高速冲击大大降低了隔膜的寿命并带来较大的噪声。通过经验公式建立隔膜泵中电磁驱动机构模型,并通过比例积分微分控制对电磁驱动机构模型进行控制,实现柱塞的软着陆,从而提升隔膜泵的性能。通过COMSOL软件分析隔膜泵柱塞在瞬态磁场下柱塞的运动特性,并对驱动控制参数进行调整,最终实现隔膜泵电磁执行器软着陆。
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  双喷嘴挡板力反馈两级电液伺服阀的物理建模

  李跃

  液压与气动. 2021, 45(4): 69-73. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.04.011

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  电液伺服阀集机械、电子、磁场、流体传动、传感和控制等多学科技术于一体,其数学模型涉及领域较多,造成其模型结构复杂,工程应用通常只能采用简化模型。针对这个问题,基于Simulink多领域建模工具箱Simcape建立了双喷嘴挡板力反馈两级电液伺服阀的多学科物理模型,并对其性能进行仿真分析。结果表明,只需要理解电液伺服阀的结构及工作机理就可以建立其物理模型,且仿真不涉及复杂的数学公式,准确性也较高。
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  基于多轴电液伺服转向系统的重型车辆操纵稳定性研究

  舒月, 刘晓阳, 施嘉俊, 洪越, 杜恒

  液压与气动. 2021, 45(4): 74-81. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.04.012

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  车辆的操纵稳定性是影响车辆行驶安全性的关键因素,操纵稳定性分析通常基于经典线性二自由度车辆动力学模型。该模型忽略了转向系统的影响,直接以前轮转角为输入,无法充分描述车辆的操纵稳定性。以多轴电液助力式转向车辆为研究对象,在二自由度动力学模型的基础上进一步考虑了电液伺服转向系统对车辆操纵稳定性的影响,建立以转向盘转角为输入的多轴电液助力式转向车辆二自由度动力学模型并进行仿真分析。结果表明,电液伺服转向系统模型的加入显著增加了多轴车辆到达稳态转向的时间,且在小转角转向时车辆瞬态质心侧偏角峰值降低,车辆操纵稳定性有所改善。因此,考虑电液伺服转向系统部分的模型可有效提升重型多轴车辆转向性能分析的准确度。
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  节流独立控制负载敏感液压系统特性及其仿真分析

  张鹏, 郭志军

  液压与气动. 2021, 45(4): 82-86. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.04.013

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  为克服阀控系统运行能效低的缺陷,综合使用负载敏感技术与进出口技术,调整进出油口的联动节流状态。利用AMESim建立仿真模型并分析节流独立控制负载敏感系统的运行过程,对控制策略的有效性与运行特性进行验证。研究结果表明:阻抗工况下,进出口独立控制系统完成进出节流口解耦过程,可独立控制出油腔获得低压力状态,从而减小出油口压力损耗程度;复合工况下,随着时间的增加,负载开始增大,压力在切换阶段出现了较大波动,之后迅速达到稳定状态;在负载敏感系统上添加节流独立控制能够有效提高电机的输出功率,提高液压系统工作效率。
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  柱塞泵组件球面缝隙流动特性分析

  陈旭峰, 高文科, 张继铭

  液压与气动. 2021, 45(4): 87-97. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.04.014

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  球面缝隙流动常见于多种机械结构,如柱塞泵中的球面配流副、球铰副等,然而针对球面副半径不等及存在偏心的缝隙流动特性研究较少。针对2个半径不相等的球面元件形成球面缝隙且其球心存在一定偏心时,根据球坐标系下的N-S方程对其缝隙中流体的速度分布、压力分布、泄漏流量及流体的承载量进行了分析,得到了相应的解析表达式,依此可知,半径相等且球心存在一定偏心时球面缝隙中流体的相关解析表达式;同时,得到了仅与球面缝隙流动自身结构有关的球面支撑泄漏系数和球面支撑承载系数,进一步为形成球面缝隙的机械结构(如柱塞泵中的球面配流副、球铰副等)相关设计提供理论参考;最后以柱塞泵中球铰副形成的球面缝隙为例,对其缝隙中流体的压力分布、速度分布等参数进行了分析。
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  动平衡机气体驱动研究

  王贺权, 马星宇, 曲天羽

  液压与气动. 2021, 45(4): 116-122. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.04.018

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  设计了一种动平衡机驱动装置,采用气体作为动力源驱动涡轮叶片转子,为测量提供稳定的转速,来确保动平衡测量的精度。阐明驱动原理和相应的结构,分析了流量与转速的关系,建立了流量与转速的数学模型,并对比分析了气体驱动与带圈驱动的转速波动和两种驱动在不同试重下不平衡量的误差。根据实验数据得出,在一定流量的范围内,气体驱动的转速波动更小;且在涡轮转子具有相同试重的情况下,气体驱动在一定范围内相较带圈驱动具有更高的测量精度。
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  基于Maxwell电磁阀的开关动态响应研究

  李京骏, 郭世永, 王翔宇

  液压与气动. 2021, 45(4): 123-129. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.04.019

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  针对电磁阀开启和关闭响应时间相互影响的问题,基于Maxwell建立了电磁阀瞬态场三维模型,对影响电磁阀性能的关键因素进行仿真研究。根据力学方程、电路方程和磁路方程搭建了电磁阀运动模型,并分析了电磁阀材料的选择。仿真结果表明,增大弹簧刚度会使电磁阀上升时间和关闭响应时间延长;弹簧预紧力会使开启延迟减少的同时使关闭延迟增大;工作气隙越小的电磁阀开启响应越快且关闭响应减慢;磁感应强度在B-H曲线“膝点”附近会有更好的响应特性。通过仿真分析,为电磁阀设计参数的选择提供了新的思路和解决方案。
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  软体机器人流体驱动方式综述

  赵宇豪, 赵慧, 谭代彬

  液压与气动. 2021, 45(4): 135-145. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.04.021

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  软体机器人是由柔性材料制成的新型机器人,具有刚度小、柔顺性高等特点,其运动性能、应用环境范围主要取决于驱动方式。目前的驱动方式主要有流体驱动、线驱动、形状记忆合金驱动、电活性聚合物驱动、混合驱动等,其中流体驱动由于其形式的多样性、响应的快速性、高承载性而受到青睐。根据流体驱动介质的不同,将软体机器人流体驱动方式分为气压驱动、液压驱动、微流体驱动等,同时进一步根据气压驱动的结构类型将其分为纤维编织型、螺旋型、网格型、折纸型和特殊型等;介绍了目前流体驱动的软体机器人制造技术,分析了软体机器人流体驱动方式面临的一些问题,并提出了其未来发展方向。
工程技术
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  重卡电动泵吸油阀的改进设计及仿真分析

  杨严, 叶小华, 岑豫皖

  液压与气动. 2021, 45(4): 130-134. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.04.020

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  目前重卡电动泵吸油阀大多采用结构简单的球阀结构,导致泵产生反冲流量过大和容积效率低的缺陷。为此,利用滑阀和锥阀的优点,提出了采用滑锥阀结构改进设计吸油阀的技术方案。通过建立吸油阀、电动泵及其液压举升系统的AMESim仿真模型,在吸油阀流量特性、泵的出口压力和液压缸举升速度方面进行了动态性能仿真,并与球阀结构的电动泵进行了比较分析。结果表明:该技术方案有效且可行,能有效降低泵的反冲流量和提高泵的容积效率,可为高性能重卡电动泵的研制提供理论参考。
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  基于STM32的气液压力装置定时充排系统设计

  王子权, 黄巍, 林颖杰, 胡晶晶, 徐佳加, 沈秀峰, 沈逸俊

  液压与气动. 2021, 45(4): 153-159. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.04.023

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  设计了一种基于STM32的4路双对通道定循环次数气动或液动压力装置定时充排系统,主要对管路中的电磁阀进行定时开或关。在STM32中移植了FATFS文件系统、UCOSIII操作系统和emWIN图形设计系统,系统设置的数据保存在W25Q64中,采用电阻式触摸屏和LCD进行界面操作和显示。设计制作了系统桌面、屏幕校准、监视器、系统设置、手动操作和关于系统共6个界面。通过操作系统定时函数和定时计数,全局变量设计了两种定时逻辑,可进行高压和低压两种定时模式的选择,而在手动操作模式下,系统关闭充电磁阀,只进行充排过程定时。结果表明,系统运行良好,能够根据设置准确地完成定时充排任务,可应用于多种气动或液动压力装置中。
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  FOA-PID控制器在悬臂式掘进机截割头升降控制系统中的应用

  熊媛媛

  液压与气动. 2021, 45(4): 160-166. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.04.024

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  为提高悬臂式掘进机截割头升降控制精度,在建立系统数学模型基础上,分别采用FA算法和FOA算法对PID参数进行优化,对FA-PID控制器和FOA-PID控制器控制性能进行仿真分析,并为了验证两种控制器实际控制性能进行了实验研究。得出结论:对于幅值为1 mm 的阶跃信号以及不同频率的正弦信号,FOA-PID控制器响应性能均优于FA-PID控制器;FOA-PID控制器更能满足悬臂式掘进机对于截割头升降控制精度的要求。
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  船用起重机主动升沉补偿系统时延的实时控制研究

  吴汪洋, 刘贤胜, 郭知峰, 王汉升

  液压与气动. 2021, 45(4): 167-174. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.04.025

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  针对基于液压驱动的主动升沉补偿系统在工作过程中所存在的非线性以及系统时滞等使系统稳定控制难度加大的问题,进行了基于广义预测控制的控制系统算法的设计;在系统控制稳定的基础上,引入极短期预报技术,解决了控制系统实时补偿输出总是滞后于起重母船升沉运动的问题,实现了主动升沉补偿系统对实时补偿功能的要求;最后在MATLAB/Simulink软件平台上,对采取广义预测控制+极短期预报相结合的主动升沉补偿系统时延实时控制方案进行了仿真试验,验证了该控制算法的有效性,为今后产品样机的研发提供理论依据。
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  用于工程改装车平台的作业液压系统设计及仿真

  司癸卯, 许天泽, 霍富强, 王贝

  液压与气动. 2021, 45(4): 183-188. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.04.027

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  针对公路养护机械种类繁多、部分设备利用率低的问题,通过分析公路养护机械的作业形式,设计了一种可满足“一机多用”要求的工程改装车平台的作业液压系统,并对系统进行了仿真分析。作业液压系统为开放式液压系统,由双联齿轮泵分别为2个回路提供动力,这样所设计的回路可保证回路中始终有至少2个执行元件在作业,有利于泵的均匀负荷,也有利于执行元件的复合动作。设计了平台作业液压系统原理图,并对系统的主要动力元件进行了计算与选型。利用AMESim软件对液压系统进行了建模与仿真,仿真结果表明,理论计算结果满足要求。
综合应用
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  水压人工肌肉水下驱动试验系统设计与试验研究

  谢雨晴, 张增猛, 车进凯, 弓永军

  液压与气动. 2021, 45(4): 8-12. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.04.002

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  为了研究水压人工肌肉在水下的性能演化规律和可靠性,设计了水压人工肌肉水下驱动试验系统。根据水压人工肌肉样本型号,分析水压人工肌肉的力位移特性。设计不同收缩量时的水压人工肌肉循环载荷试验结构和弹簧参数。搭建水压人工肌肉水下驱动试验系统,对试验台进行基本功能调试。完成水压人工肌肉在斜坡信号和正弦信号两种工况下的调试,得到了水压人工肌肉力位移特性曲线。试验系统在加载和采集数据中可以正常工作,为下一步水压人工肌肉在水下的研究提供条件。
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  新型十字摆盘驱动式水液压轴向柱塞泵阀配流系统设计

  张小龙, 崔凯, 郭志敏, 张军辉, 张华扬, 岳艺明

  液压与气动. 2021, 45(4): 19-24. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.04.004

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  针对一种新型十字摆盘驱动式水液压轴向柱塞泵的配流阀系统结构参数与泵转速、柱塞直径不匹配导致的容积效率不足的问题,搭建了该新型泵的ADAMS-AMESim固液耦合仿真模型。在额定转速下,分析了配流阀阀芯质量、弹簧刚度、弹簧预紧力、阀芯球面直径对其容积效率的影响,并对其配流系统进行优化设计。结果表明:新型泵的容积效率随着配流阀弹簧刚度、预紧力的增加而增加,随着配流阀阀芯质量、阀芯球面直径的增加而减少,且吸液阀结构参数的变化对容积效率影响大于排液阀。因此,在设计新型泵的配流阀时可适当提高阀芯复位弹簧刚度和预紧力,适当减小阀芯质量和阀芯球面直径,以提高新型泵的容积效率。
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  车间纵向减振器失效对列车动力学性能影响

  田华彬, 陆超, 徐腾养, 郭兆团

  液压与气动. 2021, 45(4): 25-31. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.04.005

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  为了研究车间纵向减振器失效对动车组动力学性能的影响,基于SIMPACK建立某高速动车组动力学模型;分析车间纵向减振器在失效工况下对整车动力学性能影响,有助于解决高速动车组车间纵向减振器异响及异常问题。研究结果表明:车间纵向减振器失效对稳定性影响不大,对垂向平稳性影响也较小,横向平稳性和舒适性有明显恶化;中间车横向平稳性和舒适性恶化情况比两端车严重,两端车横向平稳性指标最大增加率为5.4%,舒适性指标最大增加率约25%,中间车横向平稳性指标最大增加率约10%,舒适性指标最大增加率约45%;轮轴横向力、轮轨垂向力、脱轨系数及轮重减载率等安全性指标受其影响较小。
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  一种内骨骼软体手的抓取策略研究

  武兆平, 李小宁

  液压与气动. 2021, 45(4): 61-68. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.04.010

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  根据混流柔性生产对机械手提出的对不同形状、不同质量且易损伤物体进行安全可靠抓取的需求,提出了一种新型的驱动与承力功能分解的关节式内骨骼气动软体机械手的设计思想,并完成了软体手的具体结构设计。针对软体手的抓取控制策略问题,提出了一种基于实时位置检测的压力补偿算法。通过嵌入手指中的柔性弯曲传感器,实时监测手指各指段位置,间接判定软体手当前抓取状态。估算了手指各指段的初始预加载气压值,提高了抓取成功率与抓取效率。对软体手进行了实物抓取试验,结果表明,软体手可以对柔软、不规则、易损易碎物体进行安全可靠抓取,验证了抓取控制算法的有效性。
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  液压增速传动风力发电恒频控制研究

  石青易, 邓晓刚, 岳凯凯, 肖鑫源, 张硕

  液压与气动. 2021, 45(4): 98-103. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.04.015

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  以液压型风力发电机组为对象,针对低速定量泵-高速变量马达增速传动闭式回路系统,阐释液压型风力发电机组工作原理,建立定量泵-变量马达主传动系统数学模型,搭建了37 kW液压风力发电试验平台,在系统恒流源控制基础上,应用PID控制器补偿斜盘摆角方法,分析了液压增速传动变速恒频系统的马达转速特性以及控制方法的抗干扰性能。研究表明,定量泵-变量马达液压增速传动控制系统能实现电励磁同步发电机转速稳定控制。
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  搬运辅助外骨骼结构设计与实验

  曲希帅, 徐爱民, 屈盛官, 马涛, 赵宁, 夏雨萌

  液压与气动. 2021, 45(4): 104-109. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.04.016

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  为了辅助工人安全轻便地完成搬运任务,针对传统外骨骼在工业领域应用不便的问题,设计了一款新型被动式搬运辅助外骨骼。借助Opensim人体建模软件建立了搬运过程的运动学模型,并对搬运过程进行了力学分析。参照设计要求完成了外骨骼总体设计和弹性蓄能模块设计。根据力学分析求出助力力矩,完成了蓄能模块凸轮、弹簧的参数选择,并对关键零部件进行了力学仿真。仿真结果表明,额定负载下机构能正常运行,不会发生损坏。使用外骨骼样机进行了模拟搬运对比实验,实验过程采集了肌电信号、耗氧量和Borg表数据。结果表明,该款外骨骼对腰部和胸背竖脊肌的助力效果为31.5%和18.7%,显著降低了受试者感知的劳累水平,不会引起耗氧量的显著差异。
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  气动应变能蓄能器充放气动态特性仿真与实验分析

  杨冬冬, 熊伟, 度红望

  液压与气动. 2021, 45(4): 110-115. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.04.017

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  气动应变能蓄能器是一种能量储存与供给装置,充气膨胀时以拉伸橡胶材料的应变能和压缩空气能的形式储存能量。影响储能的因素主要是橡胶材料的应变和装置内气体的压力。基于有限元分析软件,采用流固耦合方法模拟橡胶气囊充放气过程,获得不同充气流量、橡胶气囊壁厚、刚性护罩内径下橡胶气囊的膨胀压力、膨胀体积和储能特性。最后,基于所搭建的应变能蓄能器充放气试验台,进行了不同工况下蓄能器的压力和能量性能测试。结果表明,该蓄能器特性仿真分析方法是有效和正确的,为指导气动应变能蓄能器定量设计奠定了良好的基础。
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  导磁型磁流变换向阀设计及性能分析

  杨瑜君, 吴张永, 蒋佳骏, 朱启晨, 莫子勇, 吕飞

  液压与气动. 2021, 45(4): 146-152. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.04.022

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  针对因比例电磁铁响应频率限制及弹簧疲劳失效等导致换向阀响应速度不足的问题,基于磁流体磁流变特性以及惠斯通电桥原理,设计了一种主动引导磁力线方向的磁流变换向阀,建立其数学模型。使用MATLAB/Simulink软件对导磁型磁流变换向阀进行动态分析,得到不同电流组合下阀芯位移-时间特性曲线,并测试了导磁型磁流变换向阀的动态响应性能。测试与分析结果表明,导磁型磁流变换向阀动态响应时间较同通径电磁换向阀有显著缩短。
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  直升机电液伺服飞控作动系统设计与实现

  滕利强, 王文山, 刘艺宁, 余书秀

  液压与气动. 2021, 45(4): 175-182. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.04.026

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  针对当前国内外典型直升机电传飞控作动系统的技术现状,设计了一种基于FPGA和射流管式伺服阀的电气四余度、液压机械双余度直升机飞控作动系统,并通过仿真分析和工程试验的方法,验证了系统的关键技术和性能指标。分析和试验结果表明,该系统具有较高的集成度、频响、安全性和可靠性,为我国直升机电传飞控作动系统领域的技术选择提供了多选项。