2021年, 第45卷, 第5期　刊出日期：2021-05-15

  

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理论研究
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  第十一届全国流体传动与控制学术会议综述

  陶建峰, 张青松, 孙浩, 徐兵, 刘成良, 焦宗夏

  液压与气动. 2021, 45(5): 1-17. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.05.001

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  由中国机械工程学会流体传动与控制分会主办,上海交通大学承办的第十一届全国流体传动与控制学术会议于2020年10月31日-11月2日在上海顺利召开。本届会议的主题是“流体传动与控制+人工智能”。会议共收录内容涉及人工智能与数字化、元件与系统、密封、摩擦与润滑等6个方向的论文133篇,邀请杨华勇、焦宗夏等知名专家作大会报告9个,取得了良好效果。围绕会议主题、征文范围及大会报告与会议论文开展综述,并对相关统计数据进行了分析讨论,以供国内学者和工程技术人员研究参考,并为流体传动与控制学科发展及今后举办会议提供借鉴。
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  功能振动载荷作用下民机发动机区域液压管路动力学响应研究

  权凌霄, 许孝林, 郭长虹, 史康俊, 黄自力

  液压与气动. 2021, 45(5): 18-24. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.05.002

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  民机发动机正常工作时产生的功能振动载荷严重影响了该区域液压管路的安全性能和使用寿命,是民机液压管路设计重点考虑问题之一。针对ARJ21-700民机发动机区域某根液压管路,对其进行功能振动载荷作用下的动力学响应分析。基于传递矩阵法,建立液压管路动力学数学模型;采用ABAQUS有限元软件建立液压管路有限元模型,对其进行模态分析和在功能振动载荷作用下的振动响应分析,得到管路固有频率和应力响应规律;对管路危险部位疲劳寿命进行预估。最后,通过理论计算、仿真分析和试验,验证了液压管路动力学数学模型和有限元模型的正确性,研究结果为民机发动机区域液压管路设计及优化提供了理论参考。
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  水下大臂展机械手动力学建模与仿真分析

  刘涛, 张奇峰, 张运修, 孙英哲, 范云龙

  液压与气动. 2021, 45(5): 25-32. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.05.003

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  面向水下环境大范围精细作业需求,对水下大臂展机械手系统进行动力学建模和关节驱动力矩求解分析。首先,基于D-H理论对水下大臂展机械手进行正、逆运动学分析,求解各连杆速度与加速度;然后,构建水下大臂展机械手的动力学模型,使用莫里森公式和D-H理论完善动力学模型中的水动力项,采用拉格朗日法求解整机的净浮力、惯性力、离心力、科氏力与末端负载力项,得出各关节所需驱动力矩和关节角、环境水流速度以及末端负载之间的函数关系;最后,针对具体作业场景,得出环境水流速度、目标负载转运下机械手各关节所需驱动力矩,为水下大臂展机械手设计提供理论支撑。
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  电驱高压气动减压阀动态特性仿真研究

  赵祉昕, 高隆隆, 李宝仁

  液压与气动. 2021, 45(5): 33-38. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.05.004

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  设计了一种电驱高压气动减压阀,采用直流电机驱动活塞直动式减压阀,通过调节直流电机的转动角度来控制减压阀的出口压力。减压阀的调压性能受到直流电机控制电压、调压弹簧刚度以及活塞作用面积的影响。为此,建立电驱高压气动减压阀的数学模型,基于MATLAB/Simulink搭建电驱高压气动减压阀的仿真模型,分析直流电机控制电压、调压弹簧刚度以及活塞作用面积对其出口压力的影响,得出电驱高压气动减压阀合理的设计参数,最后对其进行阶跃响应与正弦响应仿真分析。结果表明,电驱高压气动减压阀具有良好的调压精度和动态特性,对同类型气动减压阀的结构设计和优化以及控制特性的改善具有一定的指导意义。
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  一种基于神经网络的磨粒混叠误差修正方法

  李彤阳, 洪葳

  液压与气动. 2021, 45(5): 57-61. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.05.008

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  电感式磨粒检测方法采用电磁感应原理,能够实时地检测机械设备所产生的金属磨粒,是目前具有潜力的在线磨损监测方法;然而,多个磨粒同时通过传感器引起的信号混叠是造成检测误差的一个重要原因。提出一种基于神经网络的混叠误差修正方法,通过采用单个磨粒的实际信号构造混叠样本,对神经网络进行训练,从而获得磨粒信号的混叠模型,并且能够解决传感器差异所造成的方法适应性问题。最后,采用正弦波模拟磨粒信号验证了方法的有效性。
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  纸基芯片温控系统仿真与分析

  熊凌鹄, 孙浩, 东辉

  液压与气动. 2021, 45(5): 68-73. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.05.010

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  纸基微流控芯片(μPADs)为聚合酶链式反应、环介导等温扩增提供了新型平台,可用于新冠肺炎病毒检测等领域。为了达到纸基反应芯片所需要的正常工作温度,采用半导体制冷器(TEC)提供反应所需热源,应用有限元仿真软件(FEM)对TEC的整体结构进行建模,依据珀尔帖效应分别对元件中的N型和P型半导体定义并进行热电耦合,同时,研究不同外部环境下的加热效果。针对不同的物理条件下的纸基反应单元加热效果,可预测芯片最佳衬底材料。研究将有助于新型纸基微流控芯片和生化分析集成系统研制。
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  基于分级压差控制的电动挖掘机双变动力总成控制方法研究

  陈俊屹, 陈其怀, 林添良, 林元正, 付胜杰

  液压与气动. 2021, 45(5): 74-83. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.05.011

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  工程机械电动化是节能减排的最为理想的驱动方式之一。传统工程机械采用的负载独立流量分配(LUDV)系统由于柴油机调速特性的限制,一般主要采用的是变排量定转速的变流量模式,多执行器同时工作时容易出现流量饱和。工程机械电动化后,电动机相对柴油机具有良好的调速特性。为了进一步避免流量饱和的现象,同时考虑到变量泵在低排量区间效率较低,提出一种基于分级压差控制的双变动力控制方法,对比实际负载压差与设定压差大小来提高操控性。分析不同目标流量阶段与负载实际压差之间的关系,实现全范围的流量匹配,控制变量泵的变排量工作区间处于效率较高区域,达到最大程度地避免流量饱和工况的发生;建立AMESim仿真模型进行仿真分析;搭建试验样机进行试验,验证了分级压差控制具有良好的流量跟随,解决传统挖掘机在低速定转速时流量饱和问题,高转速时节能性提高了19%以上。
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  辅助蓄能器式电液动力助力转向系统节能优化及仿真分析

  吕晗珺, 闵永军, 朱庆华, 林宇凡, 孙文进

  液压与气动. 2021, 45(5): 84-90. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.05.012

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  针对某A型纯电动客车的常流式电液动力助力转向(Elecho Hydraulic Power Steering,EHPS)系统,为了克服非转向工况下系统能量浪费较大的问题,提出了一种辅助蓄能器式EHPS系统的技术方案。阐述该系统的工作原理、工作特点和优势;基于MATLAB/Simulink和AMESim建立系统仿真模型,研究蓄能器预充压力和容积对系统助力响应特性的影响,确定不同工况下蓄能器的预充压力,并分析计算系统能耗。仿真表明:提出的技术方案不仅满足转向系统在助力电机及液压泵建立回路压力过程中的助力需求,还满足系统助力平顺性的要求,并且系统能耗降低。
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  基于IPSO-BP算法的燃油系统气压控制优化

  张永贤, 邰万文, 陈杨谨瑜, 李伟

  液压与气动. 2021, 45(5): 91-97. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.05.013

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  针对燃油系统地面模拟试验气箱压力控制所存在的非线性、时变性问题,提出了一种基于改进粒子群算法(IPSO)优化的BP-PID控制器。该控制器结合改进粒子群算法全局搜索能力强和收敛速度快的特点,对BP神经网络的连接权值不断地调整,输出最优的PID控制参数。依据地面模拟试验参数,建立了主要器件的数学模型,利用Simulink软件对各器件的仿真模块进行搭建,构成一个完整的气箱控制系统进行研究。结果表明,IPSO-BP-PID控制比BP-PID控制响应速度快,稳定性好,超调量小,大大提高了气箱压力控制过程的精确性与鲁棒性。
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  极压条件下水基纳米液压液抗磨减摩特性

  张素梅, 刘轩羽, 温小萍, 郭培红, 李平

  液压与气动. 2021, 45(5): 98-108. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.05.014

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  采用分子模拟方法,研究不同压力、剪切速度、纳米颗粒浓度、温度条件下水基纳米液压液在动力学模型中的流动特性、承载能力和抗磨减摩特性。结果表明:纳米流体承载能力随纳米颗粒浓度的增加而增大;随着负载的增加,基础流体和纳米流体均会发生固化现象,但是纳米流体的过渡压力大于基础流体;壁面间摩擦力在一定范围内会随着纳米颗粒浓度的增大而减小,但过大的纳米颗粒浓度将导致摩擦加剧;纳米流体温度过高将导致壁面间摩擦力急剧升高;水基纳米液压液抗磨减摩机理主要在于纳米颗粒将滑动摩擦转化为滚动摩擦。
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  油气状态对车辆油气悬挂特性影响建模分析

  刘建辉, 姚方方, 李立琳, 张彦

  液压与气动. 2021, 45(5): 120-126. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.05.017

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  油气悬挂内部的油液和气体并非绝对的理想状态,而是随着压力变化发生溶解或析出,对悬挂输出特性影响较大。基于此,提出真实气体状态方程,建立考虑气体溶解与析出特性的油气悬挂分析模型。运用Simulink仿真分析模型和油气悬挂性能分析试验台,选取冲击载荷、周期激励及正弦小振幅扫频激励等工况,分析油气悬挂的簧上质量位移和压力响应特性。结果表明:冲击载荷作用1.5 s左右达到平衡状态,试验和仿真平衡位置误差小于3%;周期性激励作用下,运动位移和气体压力的仿真结果与试验测试数据一致,位移最大误差范围在1 mm内,气体压力响应误差范围在0.06 MPa内。扫频激励作用下,系统性能满足要求,试验结果和仿真分析变化趋势基本一致。考虑气体溶解与析出特性的数学模型对油气悬挂设计具有一定的指导意义。
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  温升对油气悬架刚度的影响

  李阁强, 崔国庆, 毛波, 冯勇

  液压与气动. 2021, 45(5): 127-131. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.05.018

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  针对油气悬架温度随工作时间升高,从而改变油气悬架自身特性的问题,以某型号油气悬架为研究对象,根据流体力学和热力学理论,建立油气悬架的数学模型,并利用Simulink进行仿真。分别在不同温度下进行油气悬架的台架试验,从而得到不同温度的油气悬架位移特性曲线。对比仿真和试验结果,验证了数学模型的精确性;另外,研究了温升对油气悬架刚度特性的影响。结果表明,随温度升高油气悬架的刚度明显升高。
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  三阶线性自抗扰控制器的液压伺服流量控制

  赵爽, 史红伟, 刘小松, 李鹏程, 左越

  液压与气动. 2021, 45(5): 149-156. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.05.021

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  针对阀控液压马达系统受非线性复杂扰动导致流量输出不稳定的问题,提出一种基于三阶线性自抗扰控制器(LADRC)的液压伺服流量控制方法。基于高阶LADRC理论,提出将ADRC应用于非线性的液压伺服系统控制,分析并验证了跟踪微分器的跟踪误差前馈增益具有抑制系统超调的作用。采用跟踪误差前馈与扩张状态观测器扰动反馈相分离的办法,提出一种针对复杂非线性三阶被控系统的改进的三阶LADRC算法。最后验证了该算法对一类大范围复杂不确定性液压伺服系统具有较PID更强的扰动抑制能力。
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  薄膜在流延辊上冷却过程温度场的数值模拟研究

  张宏, 李陈晨, 战东毅

  液压与气动. 2021, 45(5): 170-176. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.05.024

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  为了获得较高表面质量的流延膜片,采用流场仿真手段,对薄膜在流延辊上的冷却过程进行了温度场的数值模拟,并探讨了流延辊直径、螺旋流道导程和流道尺寸对流延膜冷却效率及表面温度均匀性的影响。结果表明,流延膜的冷却效率及表面温度均匀性均随着辊直径的增大先减小再增大;减小流道的宽高比和导程,有助于提高膜片的冷却效率;增大流道的宽高比,减小导程,有助于提高膜片表面的温度均匀性。采用正交试验设计,对辊直径、流道导程、流道尺寸这3个因素进行了响应面分析及结构优化,优化后的温度均值及温度极差值分别较最初值降低了0.082 K和1.639 K。此研究为改善流延膜表面质量提供了理论依据。
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  基于动力学模型前馈的液压振动台控制

  高长虹, 何彪, 熊珊

  液压与气动. 2021, 45(5): 183-188. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.05.026

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  由于液压振动台通常存在较严重的非线性和外界干扰,传统三状态控制器设计需在跟踪精度和稳定性之间做出权衡,系统难以获得良好的控制性能。以8条液压缸驱动的冗余振动台为研究对象,建立系统运动学和动力学数学模型。利用动力学逆模型预测各伺服阀阀口开度并加以前馈,以补偿非线性因素影响,结合三状态反馈控制,实现对加速度信号跟踪。采用MATLAB/Simulink和ADAMS软件搭建控制系统模型,仿真表明,该方法可有效提高加速度波形复现精度,具有良好的控制性能。
工程技术
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  恒压式气动储气装置设计与仿真分析

  王虎, 王志文, 童郑人, 董欣, 熊伟

  液压与气动. 2021, 45(5): 39-43. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.05.005

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  为提高气动系统能效,提出了一种恒压式气动储气装置,取代传统定容式储气罐。首先,对恒压式气动储气装置的结构原理进行设计说明;然后,在AMESim中对一个典型气动回路进行建模仿真,对比在回路中使用传统定容式储气罐和恒压式储气装置的不同系统工作特性。结果表明:所设计的恒压式储气装置能够实现良好的稳压特性,同时表现出了显著的节能效果。
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  液压作动器回中锁紧协同作用特性分析

  訚耀保, 张小伟, 徐杨, 贾涛, 肖强

  液压与气动. 2021, 45(5): 44-49. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.05.006

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  针对某飞行器液压作动器在服役工况下的自动回中、锁紧功能需要,分析了作动器动作次序、工作机理、液体回路及锁紧部件间的协同作用机制。液压作动器各部件油液连通耦合,运动相对独立。分别建立锁紧部件力学模型、作动器活塞和锁紧销的数学模型,通过理论仿真求解运动部件的动态响应。对比动态响应幅值、速度,结合装置内部空间结构及参数范围,评估故障锁紧过程中锁紧杆和锁紧销协同作用的可行性及空间干涉问题。为保证锁紧可靠性和稳定性,提出了结构尺寸优化方案。优化结果表明:某型液压作动器在1800 N压、拉负载作用下,锁紧销与锁紧杆分别经过66 ms和90 ms的相对运动后,可实现可靠锁紧;所建立的数学模型,可为液压作动器性能可靠性和安全性提供一定理论和技术支持。
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  基于模糊控制的节能型复合液压缸式抽油机设计

  侯岩光, 赵弘

  液压与气动. 2021, 45(5): 50-56. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.05.007

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  抽油机是把石油从地层提升到地面的重要的机械设备。基于目前液压抽油机在使用过程中存在的高耗能、低效率、换向不平稳等问题,采用恒功率可调变量泵的控制策略,设计一种采用蓄能器回收能量的复合液压缸式抽油机。在AMESim中搭建系统模型,并通过模糊控制优化抽油杆速度特性曲线。仿真结果验证抽油杆换向速度波动超调量由原来的20.6%降到3.82%,蓄能器能够节能48%。
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  迷宫式调节阀节流碟片的流道优化研究

  唐腾飞, 肖莉, 高翔

  液压与气动. 2021, 45(5): 109-113. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.05.015

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  迷宫式调节阀的节流特性依赖于节流碟片流道结构,合理设计节流碟片可以有效改善调节阀性能。提出一种适用于节流碟片流道优化的设计流程,基于流体动力学理论与数值仿真方法,结合NSGA-II多目标优化算法,实现节流碟片流道的三维结构优化设计。以节流碟片流道中流体最高速度和流量为优化目标,流道的几何尺寸作为输入量,将计算流体力学与NSGA-II算法联合,获得了优化后流道三维结构集合。优化设计的节流碟片结构可以有效降低流体的最大流速并提高流量,改善流道的流动特性,为相关流体传动元件的设计提供参考。
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  音圈隔膜泵电磁驱动装置的设计与仿真

  傅阳, 闫献, 吴瑞明, 杨礼康, 孙祝兵, 申慧敏, 朱康伍

  液压与气动. 2021, 45(5): 114-119. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.05.016

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  提出一种音圈式电磁隔膜泵,通过分析音圈电磁执行器各部件,结合经验公式,建立了音圈电磁隔膜泵的理论模型;通过有限元软件COMSOL分别建立了稳态和瞬态下的多物理场模型,探究了永磁体与线圈几何结构对音圈电磁隔膜泵执行器电磁力产生的影响,并对模型参数进行分析;通过比较模型和直动式电磁执行器模型的电磁力特性和电流特性,验证了音圈电磁隔膜泵在降低功耗方面的有效性。
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  馈能式曳引电梯磁流变制动器设计与性能分析

  陈艺峰, 邱华超, 黄惠, 杜恒

  液压与气动. 2021, 45(5): 138-148. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.05.020

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  针对现有的磁流变制动器缺乏断电保护并依赖电源,以及制动轴非制动工况下多余旋转能浪费的特点,设计了一种具有能量回馈功能的曳引电梯磁流变制动器,可对转轴转动能量进行捕捉并收集存储。蓄能装置在特殊情况下还可以与主电源共同作用于励磁线圈来增大制动力矩。此外,设计中还为制动器加入了循环水冷系统以改善制动器的温升。首先,介绍了新型磁流变制动器结构及工作原理;然后,对其进行了理论分析与建模仿真;最后,根据设计制造了新型磁流变制动器的样机并且对其进行了测试,对制动性、能量回收性能、温升以及噪声4个方面进行了试验。结果表明:能量回馈式磁流变制动器连续制动工况下最高温度不超过60 ℃,制动力矩可达380 N·m,馈能效率最高可达50%。
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  转换活门密封对航空发动机数控系统通道切换的影响分析及改进

  胡文豪, 杨晨

  液压与气动. 2021, 45(5): 177-182. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.05.025

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  为改进液压机械装置(HMU)中主、备控制通道间的切换性能,避免航空发动机数控系统出现通道切换异常,采用试验及AMESim仿真结合的方法分析转换活门摩擦力对通道切换性能的影响,结果表明,摩擦力越大转换活门运动越慢,据此根据数控系统的设计需求反推转换活门处摩擦力的要求。采用ANSYS仿真获取转换活门动密封中聚四氟乙烯保护圈尺寸与摩擦力的对应关系曲线,根据反推的摩擦力的要求结合产品实际设计允差,对转换活门处聚四氟乙烯保护圈进行改进设计,最终通过试验验证改进后的转换活门密封可使数控系统通道正常切换且不影响密封效果,为后续同类设计提供实用的参考。
综合应用
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  变分模态分解与极限梯度提升树融合的高速轴向柱塞泵空化等级识别

  王立尧, 王远航, 孟苓辉, 李小兵, 潮群, 陶建峰, 刘成良

  液压与气动. 2021, 45(5): 62-67. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.05.009

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  针对高速轴向柱塞泵在不同空化程度下故障特征不明显导致识别准确率低的问题,提出了一种变分模态分解和极限梯度提升树融合的识别方法。在不同空化等级下进行高速轴向柱塞泵空化试验,采集壳体的振动加速度信号,对信号采用变分模态分解方法并从中提取故障特征以构造特征数据集,最后利用极限梯度提升树进行空化等级的识别。为证明所提方法的抗噪性能,在测试集中加入了随机高斯白噪声。结果表明,加入不同信噪比的噪声后,该识别模型仍能准确地识别出高速轴向柱塞泵的空化等级。
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  基于网络的EHA伺服教学实验台设计

  王博, 赵孟文, 樊泽明

  液压与气动. 2021, 45(5): 132-137. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.05.019

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  集成化的电动静液作动器(EHA)已是未来飞机作动系统的发展主流,高校中针对EHA理论课程也逐步开设,而一台EHA伺服控制实验台非常昂贵。为了满足教学需要,同时提高实验台的利用率,基于此设计并实现一套基于互联网的EHA伺服教学系统。该系统可突破时空限制,教师在课堂的理论教学中可随时通过网络控制远在实验室的设备,并通过网络把实验设备的数据和图像实时的传输回课堂,在有网络的情况下,学生在课下也可通过注册账号预约实验的方式实现远程编程实验。这样不仅提高了实验台利用率,同时也避免了扎堆实验的尴尬,保证学生的实验质量。这种理论与实践一体化同步教学系统,开创了理论与实验结合的新型教学模式。
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  硬岩掘进机高压水耦合破岩影响因素实验研究

  朱团辉, 李光, 周小磊, 郭付军, 许顺海, 冯超强

  液压与气动. 2021, 45(5): 157-163. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.05.022

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  硬岩掘进机(TBM)在硬岩甚至超硬岩段掘进时,采用高压水射流辅助破岩成为一种有效提高破岩效率的新的研究方向。由于高压水射流破岩受诸多因素影响,作用规律复杂,其破岩机理一直未能被准确揭示。主要利用正交实验方法研究水射流压力、喷嘴直径、喷嘴移动速度对破岩沟槽深度与沟槽宽度的影响,同时结合刀盘贯入度优化水射流压力、喷嘴直径、移动速度等关键参数,探索高压水射流与岩石耦合破岩规律,为进一步揭示破岩机理提供依据。
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  基于柔性可控气液界面的微尺度执行器

  严珺嘉, 刘吉晓, 周一笛, 郭士杰

  液压与气动. 2021, 45(5): 164-169. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.05.023

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  为了在微尺度范围内实现对目标对象进行柔性施力、推拉等一系列微纳操作,提出一种通过生成控制单个微尺度气泡直接与目标对象进行微纳操作的方法。当用气泡作为执行器对目标对象施力时,由于气体的可压缩性,气泡会被挤压变形,实现了柔性施力的过程。首先通过毛细管连接气泵的方式在液体环境下生成单个微尺度气泡,并定性分析气压法生成控制气泡变化的过程;随后,为了验证气泡可以作为执行器对研究对象进行施力,实验以一个微型悬臂梁作为参照物,气泡作为执行器对悬臂梁的末端施力,通过悬臂梁的形变来估算气泡的施力值。对实验数据进行分析,得出气泡作为执行器特性以及气泡的形变与其输出力之间的线性关系。