2021年, 第45卷, 第8期　刊出日期：2021-08-15

  

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专题
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  液压四足机器人元件与液压系统研究现状与发展趋势

  纵怀志, 张军辉, 张堃, 黄信菩, 张付, 陆振宇, 王西蒙, 徐兵

  液压与气动. 2021, 45(8): 1-16. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.08.001

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  针对液压四足机器人结构布局混乱、能量损失大及控制策略复杂等问题,从机器人整机、液压系统和控制策略3个角度分析了液压四足机器人的研究现状。首先,对各团队的机器人进行介绍,指出国内外的技术差距;然后,从动力来源、系统类型、液压回路和伺服执行元件4个方面对液压系统的主要2大构成分别阐述,着重介绍了以节能为目的的阀控系统和集成化、一体化的伺服执行器;接着概述了主流的几种控制策略,并分析各自的优缺点;最后,指出液压四足机器人的发展方向将集中在高速高压化、轻量化、节能降噪以及先进的控制算法,以实现液压四足机器人的高动态性能和行业应用。
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  航天服充气压状态下的关节阻力矩特性研究

  刘文樵, 施虎, 谭坤, 张瑞明

  液压与气动. 2021, 45(8): 17-25. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.08.002

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  航天服为航天员在太空环境提供基本生命保障,同时还需具有较好的活动性能以便开展作业。航天服工作时需充气压构成真空防护,而气压会导致较大关节阻力矩,对着服者活动产生很大影响。为研究航天服充气压状态下的关节阻力矩特性,研制了一种能够消除重力、牵引轨迹误差等因素干扰的测试平台,并对航天服肘关节、膝关节、髋关节活动阻力矩进行测试,分析了关节阻力矩与航天服余压及关节活动速度的关系。在测试数据的基础上,采用改进型数值实现方法及线性插值方法建立了基于Preisach迟滞模型的航天服关节角度与关节阻力矩数学模型,并在MATLAB/Simulink中进行模型预测仿真计算,验证了所提出的改进型迟滞模型能实现对航天服关节阻力矩的精确预测,为航天服关节活动性能的改善提供了理论参考。
理论研究
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  基于高斯过程的阀控非对称液压缸模型预测控制

  孙浩, 陶建峰, 余宏淦, 刘成良

  液压与气动. 2021, 45(8): 26-33. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.08.003

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  针对阀控非对称液压缸系统在采用PID控制器进行位置闭环控制时,存在液压缸活塞位置超调和由伺服阀阀芯切换导致控制效果差的问题,设计了基于高斯过程的非线性模型预测控制器。采用高斯过程回归训练得到阀控非对称缸系统的离散数学模型,通过求解二次规划问题,控制器输出最优序列。仿真结果表明,该机器学习方法有效估计了位置增量中噪声的标准差,预测输出更接近真实值;在多约束条件下能有效提高系统响应时间,保证活塞位置无超调,位置控制精度满足0.1 mm。
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  全飞行剖面下的航空液压泵热载荷分析与温度预测

  杨毅博, 李运华

  液压与气动. 2021, 45(8): 34-38. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.08.004

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  基于理论分析和仿真实验,研究了影响航空液压泵温度变化的因素。首先,对航空液压泵的基本情况进行了简述,通过数学建模建立了航空液压泵的效率模型,对泵的功率损失进行了详细分析;然后,利用控制体方法建立了描述泵的各部分温度变化的热力学模型,通过理论计算分析了泵在不同工况下的温度变化;在此基础上,利用MATLAB对航空液压泵在飞行剖面下的温度变化进行了仿真计算。研究结果对泵的温度预测和控制具有指导意义。
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  先导式电液比例阀非线性位置自适应补偿控制

  陈立娟, 彭泽钦, 孙家庆, 高伟, 华钟, 艾超

  液压与气动. 2021, 45(8): 64-71. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.08.009

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  为了提高先导式电液比例阀的位置控制性能,解决大批量先导式电液比例阀生产带来的不一致性问题,首先,建立了比例阀的非线性数学模型,针对比例阀死区不一致且难检测的问题,提出死区在线检测方法,采集主阀开始运动时的先导阀电磁铁电流值来表征死区大小,将当前死区值通过上位机在线读出并进行补偿;然后,针对普通PID固定增益带来的控制效率和精度低下的缺点,设计了基于死区在线检测的模糊PID自适应位置控制器,实时动态调整控制器各项参数;最后,基于MATLAB软件和先导式电液比例阀测试平台,验证所提出的控制方法的有效性。研究结果为先导式电液比例阀的批量化生产奠定了理论基础。
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  基于永磁差动的桁架式高频力马达力-位移特性仿真分析

  卢仪, 孟彬, 戴铭柱

  液压与气动. 2021, 45(8): 72-76. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.08.010

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  针对传统力马达及比例电磁铁频响低的特点,提出一种新式力马达结构,该力马达运用永磁体和线圈差动控制的原理,实现双向高频控制。由于传统的经验公式对新结构设计具有低准确性,基于有限元法,建立了力马达的模型并利用Ansoft仿真软件来分析力马达的力-位移特性,对影响力马达力-位移特性的轴向气隙面积、轴向气隙距离等主要结构参数进行了分析比较,并在此基础上进行优化。
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  负载敏感变速同步驱动原理与特性研究

  丁海港, 刘永状, 赵继云

  液压与气动. 2021, 45(8): 77-81. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.08.011

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  液压分流同步驱动以分流元件(如分流阀、分流马达)为控制元件,通过等量分流原理来实现多执行器的同步驱动,具有结构简单、成本低的优点,但在时变负载或大偏载工况下分流元件的分流精度显著降低,难以满足高精度同步需求。据此,提出负载敏感变速同步驱动系统,其由负载敏感变量泵和负载敏感分流阀构成,其中负载敏感分流阀是一种新型的分流阀,其利用负载敏感压力补偿原理可以消除时变负载和偏载对同步精度的影响,并具有调速以及负载敏感的功能。首先,阐述负载敏感分流阀及变速同步驱动系统的结构和工作原理;然后,基于AMESim建立系统仿真模型;最后,在变速、时变负载、大偏载等工况下研究了新型分流阀及其同步系统的同步特性。结果表明:在时变负载和大偏载下,分流阀的分流误差小于1‰,其远远低于现有分流阀的分流误差,并实现了高精度的变速同步驱动,且系统效率较高,可取代一部分价格昂贵、维护困难的闭环同步驱动。为高精度的分流阀及变速同步驱动奠定了理论基础,可丰富液压同步驱动的理论和形式。
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  柱塞泵配流副滑摩界面摩擦磨损及热力耦合分析

  窦振华, 牛蔺楷, 赵二辉, 黄家海

  液压与气动. 2021, 45(8): 88-96. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.08.013

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  针对轴向柱塞泵配流副滑摩过程中由摩擦温升所引起的摩擦磨损问题,建立配流副轴对称非稳态热传导方程,利用ABAQUS有限元软件进行配流副摩擦磨损及热力耦合特性分析,并利用端面摩擦磨损试验机进行试验验证。结果表明:在滑摩初期,相比于中低压力,高压力工况更易发生磨粒磨损;随着滑摩进行,材料表面粗糙峰被磨平,加之温度上升,材料强度下降,高转速取代高压力成为接触面温度和摩擦系数增大的主要影响因素,此时的磨损机制主要为黏着磨损;在滑摩过程中,外径出现了应力集中现象,且接触压力高于内径;转速及压力对配流副摩擦温升及磨损特性的影响是非线性的,在相同PV值下,转速比压力的影响更为显著。
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  基于流固耦合的气体静压止推轴承动态特性研究

  于贺春, 贾硕, 张国庆, 王文博, 王进, 王东强, 王仁宗

  液压与气动. 2021, 45(8): 97-101. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.08.014

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  为了研究气体静压止推轴承的动态特性,运用有限元分析软件ANSYS中的流体分析模块和瞬态力学模块进行双向流固耦合仿真,对小孔节流气体静压止推轴承的动态特性的相关影响因素进行研究,得到了不同状态下的轴承动态特性的变化曲线。结果表明:当轴承受到干扰负载时,通过提高供气孔压力、增加节流孔个数均可以减小轴承气膜的振动幅度,同时提高轴承的动态承载力和动态刚度;增大节流孔的直径则会增大轴承气膜的振动幅度,不利于轴承的稳定性。
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  液压冲击器内部流动特性分析

  邓龙, 杨国来, 柴红强, 杨超, 白桂香

  液压与气动. 2021, 45(8): 115-121. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.08.017

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  为了研究液压冲击器内出现气蚀的原因,通过反馈随动原理,系统分析了冲击器工作过程。基于数学模型搭建AMESim仿真模型,得到活塞和阀芯对应的速度曲线,同时结合PumpLinx软件仿真得到冲击器内流道瞬态流场,分析单个运动周期内的压力云图及流线图,从而确定气蚀问题产生的位置及原因。通过试验分析,验证了联合仿真结果的准确性。对解决产品使用过程中出现的薄弱环节及潜在隐患,进而提高其工作可靠性具有十分重要的理论和现实意义。
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  某核电用上充泵关键部位抗震及应力分析与评定

  张世义, 赵藤, 王天周, 符义洪

  液压与气动. 2021, 45(8): 122-133. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.08.018

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  核电用相关设备、结构物都要求具有一定的抗变形能力,且要求机电设备及仪器在设计基准地震下能够安全稳定运行。建立了核电站水泵(离心式上充泵)的机组模型,采用有限元软件ANSYS对其进行力学分析,遵照标准RCC-M 2007和ASME相关规定进行评定,分析水泵自重、设计温度、设计压力、水压试验、地震和接管载荷,对泵体关键部位进行校核分析和评定,重点分析易损坏部件轴的动力特性、振动特性及疲劳强度,结果表明,该上充泵的设计满足要求。研究对核电用设备特别是泵组设备的抗震分析具有一定的工程意义。
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  商用车气压电子驻车系统坡道辅助控制方法

  杨凡, 顾杰, 黄凡, 李刚炎

  液压与气动. 2021, 45(8): 145-153. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.08.021

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  商用车气压电子驻车系统是用来替代传统机械式手刹的电子设备,可提升驾驶体验与行车安全性,是实现车辆制动智能化的核心装置。针对气压电子驻车系统坡道辅助功能进行研究,首先,针对气压电子驻车系统进行理论建模,并基于该模型设计商用车坡道辅助快速起步控制策略与控制方法;然后,构建基于IPG/TruckMaker-MATLAB的商用车电控气压驻车制动系统控制方法联合仿真平台。仿真验证了商用车电子驻车系统坡道辅助起步控制策略,并对基于逻辑门限的坡道辅助快速起步控制的逻辑门限值、占空比和频率等控制参数进行了仿真优化,验证了控制方法的有效性和实用性,可为商用车气压电子驻车制动控制系统的开发提供理论与实践参考。
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  减压阀球形节流孔板降噪效果的数值研究

  陈珉芮, 金志江, 钱锦远

  液压与气动. 2021, 45(8): 154-159. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.08.022

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  由于减压元件的节流作用,流体流经减压阀时压力降低,湍动程度增加,易引发剧烈噪声。在减压阀后设置降噪孔板是一种常用的降噪方式,具有经济简便,降噪效果优良的特点。提出一种球形降噪孔板,研究球形降噪孔板的设置方向及其锥角对过热蒸汽的流动特性和噪声声源的影响。借助Fluent软件,采用k-ε和宽频噪声模型,对在直角形多级套筒式减压阀后设置降噪孔板的流道进行数值模拟。在相同工况下,分析过热蒸汽的流动情况及声功率级,研究不同结构降噪孔板的降噪性能,为减压阀降噪措施的研究提供参考。
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  限矩型液力偶合器多流动域耦合流场特性模拟

  王阳, 李志鹏, 唐欣怡, 孙军红

  液压与气动. 2021, 45(8): 171-176. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.08.024

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  限矩型液力偶合器内部两相介质在多流动域内做着复杂的耦合流动。为掌握限矩型液力偶合器内部流动规律,更好地指导限矩型液力偶合器的设计与优化,以YOX500型限矩型液力偶合器为研究对象,采用Mixture两相流模型及RNG k-ε湍流模型对其在3种典型充液率不同工况下的流场进行瞬态模拟。结果表明:随着转速比的升高,偶合器内部流动逐渐由大环流转变为小环流,压力趋于均匀带状分布;同时对其外特性进行计算,模拟所得结果与试验结果吻合较好,证明了该方法的有效性;但该方法不能直观地体现偶合器转矩的跌落情况,因此具有一定的局限性。
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  阀控非对称缸系统中气穴现象分析及解决方法

  刘念, 王帆

  液压与气动. 2021, 45(8): 177-182. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.08.025

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  针对阀控非对称缸系统中,油缸无杆腔容易产生气穴的问题,开展了理论与实验研究。推导建立了阀控缸系统稳态数学模型,得到了稳态运动时油缸两腔压力的理论计算公式。根据理论推导,指出在油缸结构参数固定不变时,选用和油缸匹配的控制阀、降低外负载力和提升油源供油压力,可以在一定范围内避免气穴现象的发生。实验结果证明了理论分析的正确性。
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  航空燃油离心泵内流特性分析

  唐庆, 单金光, 周振华, 周龙, 万方

  液压与气动. 2021, 45(8): 183-188. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.08.026

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  针对航空发动机燃油离心泵内流特性研究,采用雷诺平均方法和滑移网格技术,在多工况下进行数值模拟,得到了内部流场细节和压力流量曲线。结果表明:由于流体绕过叶根时加速,可能出现局部低压区并导致气蚀;随着流量的增大,叶轮中相对速度增大,根据速度合成法可知,叶轮边缘出流速度随之减小,最终导致泵内静压降低;随着转速的提高,泵内速度和静压增大,且叶根附近出现局部高流速低压区并逐渐扩张,此区域也是局部低压区。根据压力流量曲线可知,随着流量的增大,泵输出的压力降低;随转速的提高,泵输出的压力升高;在低转速条件下,大流量运行无法实现。
工程技术
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  一体化双作用水压人工肌肉直线执行器设计

  贾云瑞, 张增猛, 车进凯, 宁大勇, 杜洪伟

  液压与气动. 2021, 45(8): 46-50. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.08.006

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  单体水压人工肌肉仅能提供收缩作用。基于双作用液压缸的工作原理,设计了一体化双作用水压人工肌肉直线执行器。利用水压人工肌肉的力-位移特性,分析执行器运动行程与水压人工肌肉结构参数之间的关系,并确定执行器的相关参数。对导流件和动密封部件进行结构设计,使2个水压人工肌肉的工作压力独立控制。在此基础上,分析水压人工肌肉的工作条件对执行器运动的影响,并对导向元件和运动元件进行强度分析,为一体化双作用直线执行器样机研制奠定基础。
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  四腔并联压电泵结构设计

  陈亮, 孙晓锋, 林燕霞, 王盈学, 刘勇

  液压与气动. 2021, 45(8): 58-63. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.08.008

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  为提高压电泵的输出性能,设计了一种层叠型四腔并联有阀压电泵。在80 V正弦交流电驱动下,40~400 Hz工作频率内,以水和空气作为介质,分别选用不同数量的压电振子进行驱动,在不同的驱动方式(指振子间工作时的相位差)下对泵的输出性能进行试验测试。结果显示,当泵送空气时,不管多少个振子进行驱动,驱动方式对泵的输出流量几乎不产生任何影响,在测试频率范围内,输出流量随频率成线性变化,最大输出气体流量可达3600 mL/min;当泵送液体时,驱动方式对泵的输出流量影响很大,当同侧的压电振子为异步驱动时,输出流量的效果更好,在工作频率180 Hz时,最大输出液体流量可达830 mL/min。试验结果为多振子驱动压电泵选择合适的振子间驱动方式提供了参考依据。
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  下肢外骨骼伺服电机驱动控制方案设计

  陈振雷, 熊汇雨, 郭庆, 王歆然, 蒋丹, 刘干

  液压与气动. 2021, 45(8): 82-87. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.08.012

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  介绍了可穿戴式下肢外骨骼运动总体控制方案。针对人体髋关节和膝关节运动机理,采用了盘式伺服电机驱动二自由度下肢外骨骼模拟人体下肢摆腿运动控制技术来提高关节运动的响应性能,同时利用4个三维力传感器分别测量人大腿和小腿与外骨骼相互作用力,可用于外骨骼“人主机辅”控制模式算法设计中。在外骨骼2个关节处利用编码器获得关节角度、角速度信息既可用于外骨骼拉格朗日模型参数辨识,也可以作为反馈控制信号用于外骨骼“机主人辅”控制模式中。下位机采用LabVIEW驱动NI主控器实现信号传输与控制,上位机采用MATLAB/Simulink环境设计反馈控制算法与下位机进行实时通信,保证可穿戴式下肢外骨骼能够完成两种运动控制模式的目标,同时提高试穿员的可穿戴舒适性。
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  混合动力农业装载机能量回收系统分析

  罗艳蕾, 周山旭, 杜黎, 罗坤

  液压与气动. 2021, 45(8): 109-114. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.08.016

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  针对农业装载机运行过程中动臂液压缸能量浪费问题,设计一种以蓄能器与超级电容为储能元件的混合动力能量回收液压系统,提高能源的利用。使用AMESim搭建农业装载机液压系统仿真模型,研究在不同负载下能量的回收效率。仿真结果表明,在液压缸下降时,随着负载的增加,负载产生的势能越大,需要液压泵提供的能量越小,能量回收效率随负载增大先增加后减少,在负载为5 t时能量回收效率达到最高,可达57.47%,该系统可以有效实现能量回收功能。
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  气动仿生蜈蚣外管路攀爬机器人研制

  吴立波

  液压与气动. 2021, 45(8): 134-137. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.08.019

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  小外径管材在生产生活中较为常见,其侦测勘察一直以来是亟需解决的难题。提出一种外管路攀爬的机器人设计方案,采用蜈蚣多足结构,提升攀爬能力。采用气动作为驱动,增加抓握力,有效减少重量。通过建立虚拟样机,并利用Mechanica对重要零件脚趾进行受力分析和有限元计算,优化了脚趾的结构和尺寸。通过研制实验模型进行测试,验证了总体设计方案的可行性和分析的有效性,为外管路攀爬机器人的进一步研究奠定了基础。
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  小型救助船舶主动式液压互联悬架系统的设计与仿真

  王默, 度红望, 熊伟

  液压与气动. 2021, 45(8): 138-144. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.08.020

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  传统小型救助船舶悬架系统一般采用被动式弹簧阻尼悬架,船舶的舒适性和操纵稳定性较差,应用范围具有局限性。针对这一问题,提出一种新型主动式液压互联悬架系统。该悬架系统充分利用互联的液压回路,削弱波浪对救助船舶本体造成的冲击和振动,并能主动地调节船体姿态,以提高救助船舶对波浪的适应能力。基于AMESim平台,搭建液压悬架系统的动力学模型,并对模型进行联合仿真,分析不同海况下悬架的动态特性。研究结果表明:与传统被动式弹簧阻尼悬架相比,主动式液压互联悬架系统的波浪自适应能力较好,能提高救助船舶在极端海况下的安全性。
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  民机发动机驱动泵的长寿命设计技术

  陈金华, 郭生荣, 卢岳良

  液压与气动. 2021, 45(8): 160-170. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.08.023

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  针对民用飞机特点,提出了民机发动机驱动泵长寿命设计技术。分析了入口内置涡轮增压泵、出口集成压力脉动衰减缓冲瓶、壳体回油腔设置主动抽油泵对发动机驱动泵寿命的影响,并进行了仿真分析和试验验证。结果表明:入口腔内置涡轮增压泵可将入口压力增加0.15 MPa,出口集成缓冲瓶可将液压泵压力脉动控制在额定输出压力±3%以内,且缓冲瓶容积越大,对压力脉动衰减越明显,壳体回油腔设置主动抽油的摆线齿轮泵可将液压泵壳体回油相对入口的温升控制到小于6 ℃,壳体回油温度甚至低于泵出口温度。
综合应用
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  电动重型叉车工况自识别势能回收控制系统

  黄素德, 陈海斌, 任好玲, 林添良

  液压与气动. 2021, 45(8): 39-45. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.08.005

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  针对电动重型叉车在轻载和重载举升时具有速度范围宽且蕴含丰富重力势能的特点,同时为避免单一大排量液压马达发电机在重载低速时对重力势能的回收效率较低的问题,提出一种基于双液压马达发电机的势能回收系统。所提出的势能回收系统包含2套液压马达发电机,依据操作手柄信号进行单/双液压马达发电机回收模式切换。讨论了举升油缸在带载下降时的工作模式决策规则和控制策略,并搭建了AMESim势能回收系统模型,对比分析了传统节流、单液压马达发电机、双液压马达发电机系统的举升油缸速度和无杆腔压力曲线,并通过样机试验验证了势能回收系统的节能性。试验结果表明,所提出的势能回收系统在大负载工况下具有较高的回收效率,可达74%;在不同货叉下降速度下,均可保持60%以上的回收效率。
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  微型土压平衡盾构机液压系统故障分析

  郭京波, 刘宇豪, 刘文栋, 韩梦泽

  液压与气动. 2021, 45(8): 51-57. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.08.007

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  以微型土压平衡(Earth Pressure Balance,EPB)盾构机推进液压系统作为研究对象,介绍了推进系统的工作原理,对混入空气后的油液黏度和有效体积弹性模量进行分析,建立了推进系统数学模型,并对混入不同百分比空气的系统进行仿真运算,得到了液压缸位移响应和速度响应随系统含气量变化的关系。研究表明:随着液压系统空气含量的增加,液压缸位移响应发生迟滞,速度响应变慢,液压缸在运动时产生振动。结合各液压元件工作原理,依次对实际盾构机推进系统元件进行排气,最终排除了液压系统中混入的空气,为实现盾构机平稳推进提供了理论依据。
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  基于粒子群算法的复合储能式系统控制优化

  徐大雨, 林慕义, 陈勇

  液压与气动. 2021, 45(8): 102-108. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.08.015

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  由于复合储能式系统装载机的结构复杂,所以对系统的模糊控制策略要求较高,而现有的利用专家经验对控制器设定的模糊控制规则主观性较强,很难实现系统的最优控制。利用粒子群算法对模糊控制策略进行优化,并将优化后的控制策略通过MATLAB/Simulink所搭建的装载机整车的后向仿真模型进行试验仿真分析。结果表明:通过粒子群算法优化后的控制器控制性更好,且整车的燃油经济性更佳;通过dSPACE进行硬件在环试验,试验与仿真结果基本一致,进而验证了优化结果的有效性。