2021年, 第45卷, 第9期　刊出日期：2021-09-15

  

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专题
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  反渗透海水淡化能量回收装置的研究现状及展望

  尹方龙, 汪阳, 贾国涛, 聂松林, 纪辉, 马仲海

  液压与气动. 2021, 45(9): 1-16. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.09.001

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  能量回收装置是反渗透海水淡化系统的核心元件之一,通过回收高压盐水的压力能来降低能耗和节约成本,加强其基础研究并突破技术瓶颈是缓解我国水资源危机的战略选择。根据工作原理将反渗透海水淡化能量回收装置分成液力透平式、正位移式和泵-马达式3类,主要从结构、原理、效率和应用等方面对国内外研究进展进行综述和分析,并对我国能量回收装置的发展方向和关键技术进行总结展望。研究表明,液力透平式装置已逐渐被市场淘汰,占据市场主流地位的正位移式装置也存在技术缺陷,而泵-马达式装置的集成化设计和降低工作能耗是未来的重要研究方向。
理论研究
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  气/液相变驱动小型气动肌肉执行器实验

  陈粒, 刘宁

  液压与气动. 2021, 45(9): 17-23. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.09.002

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  气动肌肉执行器重量轻、柔性好,被广泛应用于工业与研究领域。然而,用于驱动该执行器的气动设备使系统的尺寸过于庞大,为解决此问题,提出利用氟碳化合物气/液相变时膨胀做功来驱动气动肌肉执行器,选用金属陶瓷加热器加热氟碳化合物,使用PI控制器控制执行器的内部压力,制作拮抗驱动装置改善执行器作用力的动态特性。结果表明:气/液相变气动肌肉执行器内部产生的压力可以较好地跟踪参考输入信号;与空气驱动方式相比,采用气/液相变驱动时执行器的收缩率呈等值减小趋势;拮抗驱动装置能够改善气/液相变气动肌肉执行器作用力消失过程中的动力学特性。
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  混合式步进电动机结构参数智能协同优化

  裘信国, 杨昆, 孟彬, 姜伟

  液压与气动. 2021, 45(9): 24-30. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.09.003

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  为了探究混合式步进电动机关键结构参数对其静态转矩的影响规律,找寻最优设计方案,提出一种基于正交试验、反向传播(Back Propagation,BP)神经网络和遗传算法的智能协同优化方法。通过对电机的磁路分析与ANSYS Maxwell-3D有限元仿真,讨论了电机结构和运行参数对输出转矩的影响,并据此对电机的气隙g、齿宽比b_t/t、齿高h_t和转子壁厚h_r进行协同优化,采用电机的最大静转矩T_m作为优化目标,运用智能协同优化方法得到最优解,并对优化结果进行有限元验证。结果表明:优化结果与仿真结果相近,最大静态转矩相对误差为4.8%,最优结构参数为:g=0.1 mm,b_t/t=0.37,h_t=0.84 mm,h_r=2.5 mm。
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  矿用电磁先导阀驱动策略

  董建麟, 廖瑶瑶, 袁红兵, 祁超

  液压与气动. 2021, 45(9): 31-37. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.09.004

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  针对液压支架矿用电磁先导阀存在动态响应速度慢、维持阶段功率损耗大等问题,在不改变电磁铁机械结构的情况下,对驱动策略进行了研究。在分析了电磁铁工作原理的基础上,通过Ansoft Maxwell软件搭建电磁铁的仿真模型进行静态特性仿真,把得到的电磁仿真数据结果导入AMESim仿真模型中进行动态分析,并通过实验验证了仿真模型的正确性;分别研究了双极性电压控制、三电压控制和PWM维持占空比控制方式下的电磁先导阀动态特性,并对仿真结果进行了分析。结果表明:双极性电压的控制方式可以明显提升电磁先导阀的动态响应,而三电压和PWM维持占空比的控制方式在提升动态特性的基础上,还有效降低了功耗。
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  超阈值模型中时域外推GPD估计方法选择

  王普长, 孙辉, 陈晋市, 张淼淼, 何春晖

  液压与气动. 2021, 45(9): 38-43. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.09.005

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  在进行载荷谱时域外推时,为更好地估计超阈值载荷数据所服从的广义帕累托分布(Generalized Pareto Distribution,GPD)参数,分别对比极大似然估计(Maximum Likelihood Estimation Moments,ML)、矩估计(Method of Moments,MoM)及概率加权估计(Probability Weighted Moments,PWM)对GPD分布参数选取的影响,并选取最优参数估计方法。首先搭建了挖掘机压力测试系统,并采集挖掘机在典型工况工作下载荷数据;其次以最小均方根误差所对应值为最优阈值,分别计算3种参数估计方法所对应最优阈值及GPD拟合参数;最后分别绘制3种参数估计方法下超阈值载荷数据和GPD拟合CDF图和Q-Q图。结果表明:3种参数估计方法的拟合结果和超阈值样本之间的相关系数均在0.99以上,都可以较好地拟合超阈值载荷数据的GPD分布,但PWM参数估计方法能够包含较多有效载荷数据且拟合效果更好。
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  液压旋耕机工作装置负载敏感系统分析

  罗艳蕾, 杜黎, 李屹

  液压与气动. 2021, 45(9): 52-57. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.09.007

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  根据液压旋耕机的工况特点,基于定流量阀后补偿负载敏感原理设计液压旋耕机的工作系统,分析该系统工作原理,采用AMESim平台搭建该工作装置负载敏感系统仿真模型,仿真分析该系统分别处于变负载工况、多路阀不同开口工况与流量饱和工况下的工作特性。由仿真可知,该负载敏感系统各执行机构所需流量主要取决于多路阀开口面积,与负载无关。且当系统发生流量饱和时,会根据多路阀前后压差按比例分配定量泵输出流量,使各执行机构独立地工作。证实了将负载敏感系统运用在旋耕机中,使旋耕机能够实现单泵驱动多个动作,实现升降液压缸与回转液压马达的复合动作,使其工作系统便于控制。
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  喷嘴挡板式压电气动微阀阀口密封宽度对流场特性影响的分析

  任建颖, 王金林, 闵为, 杨漫, 陈开窍

  液压与气动. 2021, 45(9): 58-67. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.09.008

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  为了探究喷嘴挡板式压电气动微阀阀口密封宽度对阀口流动特性的影响,应用CFD技术,采用SST k-ω湍流模型,对不同密封宽度下阀口的流动特性进行了数值模拟计算。结果发现,阀口端面密封宽度对压电气动微阀阀口的流动特性有显著的影响,选取合理的阀口端面密封宽度,可降低阀口的压力损失,提升气动微阀阀口的过流能力;同时发现微阀流量-压力系数不受阀口端面密封宽度的影响。该研究为阀口设计提供了重要参考。
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  不同气室充气容积对油气弹簧动态特性影响分析

  刘同昊, 石运序, 曹常贞, 戚积财, 王兴旺, 贾炎冰

  液压与气动. 2021, 45(9): 82-88. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.09.011

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  以矿用宽体车前悬单气室油气悬挂缸为研究对象,对悬挂缸非线性动态特性进行了深入分析,建立了悬挂输出力数学模型,搭建了单气室油气悬挂缸AMESim仿真模型;在此基础上研究了工作参数对动载压力随行程变化的影响规律和悬挂系统的缓冲原理。结果表明:初始气室充气容积越大,达到额定动载压力时的行程长度越长;当悬挂行程恒定时,初始气室充气容积与悬挂输出力及刚度呈反比。以某型号悬挂缸为例,当预充气体积为1.25 L,预充气压力为5.2 MPa时,缓冲效果适中,且行程长度不宜超过67 mm。研究为产品设计及其使用寿命提供了理论依据及重要手段。
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  罗茨转子轮廓的双对称图解构造法

  李玉龙, 秦运栋, 张安民, 赵岩, 李光宇

  液压与气动. 2021, 45(9): 96-100. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.09.013

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  为实现罗茨转子便捷高效的轮廓构造,提出了一种双对称图解法。首先由转子副轮廓间的共轭关系,得出同一转子各轮廓分段间关于中轴和节圆切线的双对称构造关系;其次由给定的共轭段依序图解出待定共轭段和外过渡段及内过渡段;最后就抛物线例展开详细阐述。结果表明:双对称图解法的图解质量好,拟合精度高,更易于一般工程技术人员所理解;全轮廓段参与的共轭泄漏和径向泄漏更少。成果为同类转子便捷高效的轮廓构造提供了方法依据。
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  大流量交替双向锁流道优化设计及仿真计算

  孟令宇, 周如林, 王伟, 郭宗凯

  液压与气动. 2021, 45(9): 101-107. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.09.014

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  随着煤炭行业的高速发展,千万吨级矿井不断投产。在自动化综采工作面高产高效的要求下,装备的大型化要求不断提高。针对连接一、二级护帮千斤顶的交替双向锁在实际工作环境中面临公称流量小、压力损失严重、关闭压力低的问题,对其结构进行改进、流道进行优化。通过Pro/E对改进前后的交替双向锁进行实体建模,利用ANSYS进行模型流道抽取、网格划分及边界条件加载,运用ANSYS Fluent进行求解计算,获得介质在工作中的速度矢量图、静压云图等。将仿真结果与实验数据进行对比更新求解模型,利用迭代后的精确模型对新型结构设计进行指导。研究结果表明,通过改变阀芯结构设计和阀体流道布置,新结构交替双向锁流道90°弯折减少两处,阀体体积缩小1/3,压力损失减少65%,流量升级为125 L/min,有效降低了生产成本,提高了其在工程应用中的使用性能。
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  一种人形机器人气动导航主动控制系统

  李峰, 李伟锋, 张跃进, 朱文慧, 岳云

  液压与气动. 2021, 45(9): 108-114. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.09.015

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  为解决人形机器人导航控制智能化水平较低,自适应程度不高的问题,设计了一种基于北斗导航的人形机器人气动导航主动控制系统。建立了人形机器人运动学数学模型,研发了机器人气动导航控制系统,通过国家2000坐标下导航实验,对模型和系统进行了实验验证。结果表明:建立的运动学数学模型和导航控制算法是合理的,研发的气动导航主动控制系统可满足人形机器人的气动导航主动控制要求,有效提升了人形机器人导航控制的智能化程度。
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  立体车库载车器液压缓冲系统设计

  陈小怡

  液压与气动. 2021, 45(9): 115-121. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.09.016

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  针对立体车库载车器过放缓冲定位不精准问题,设计了一种新型立体车库载车器液压缓冲系统。利用节流阀过流面积可变函数使载车器缓冲位移可控,实现了载车器过放缓冲定位精准,给出了立体车库载车器过放缓冲机理,搭建了立体车库载车器缓冲过程数学模型,基于AMESim建立了载车器液压缓冲系统仿真模型,研究了载车器液压系统缓冲特性,分析了载车器过放速度、质量、节流阀过流面积可变函数及其零点值与载车器缓冲位移的关系,最后进行了缓冲系统试验验证。研究结果表明:过放缓冲过程,载车器速度先迅速降低,后缓冲减速;载车器过放速度和质量变化,载车器缓冲位移不变;载车器缓冲位移即为过流面积函数零点值;试验数据与仿真数据吻合度极高,对仿真结论具有支撑作用。
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  二阶可微型线对涡旋压缩机性能的影响

  方占萍, 许世鹏

  液压与气动. 2021, 45(9): 122-128. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.09.017

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  针对传统变截面涡旋型线在构造形式上采用一阶可微连接方式时存在型线不光顺的问题,提出一种基于二阶可微的涡旋型线连接方法。利用该方法建立了吸气腔、压缩腔和排气腔的容积模型,并对作用在动涡旋上的轴向、切向和径向气体力在实际工况参数下进行了模拟计算。计算结果表明:涡旋型线的连接方式对涡旋压缩机容积性能和动力性能的影响比较显著;相比于一阶可微,采用二阶可微连接方式,行程容积和压缩比分别提高了19.20%,17.13%,轴向力、切向力和径向力均明显减小。可见,采用二阶可微连接方式的变截面型线涡旋压缩机,容积性能较高,动力学优势会更加突出,研究方法和结果可为涡旋压缩机设计提供参考。
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  节流口结构对超高压插装阀液流特性的影响

  张晋, 黄橙橙, 程逾豪, 姚静, 孔祥东

  液压与气动. 2021, 45(9): 136-144. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.09.019

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  超高压是液压系统未来发展的方向之一,因此分析超高压液压元件的性能非常重要。针对DN25超高压插装阀3种不同阀芯节流口结构的液流特性进行了分析。以Fluent软件为平台,建立了3种不同节流口结构的DN25超高压插装阀流场有限元模型,结合阀口的节流特性分析了流体的速度场和压力场,得到了不同阀口开度下的流量以及阀芯所受液压力,为超高压插装阀结构设计提供了理论基础。
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  涡旋液压泵内部流动与压力脉动的数值模拟

  田素根, 赵远扬, 李连生

  液压与气动. 2021, 45(9): 145-150. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.09.020

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  采用CFD技术对涡旋泵内部流场进行三维非定常模拟,得到了不同转角下工作腔内压力、速度、气相体积分数以及进出口流量等参数,并进一步分析了泵内的压力脉动。研究结果表明:由于泵进口位置的不对称以及高速旋转下动盘对油的扰动作用,导致2个工作腔内流动的不对称;在高压差的作用下,动静盘啮合间隙处存在高速射流现象,并在间隙下游产生大面积的空化;在吸液末期和排液初期工作腔内会产生较高的压力脉动,严重影响泵的稳定性;通过降低转速、增大轴向间隙、缩短型线长度等方法可有效改善压力脉动现象。
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  双螺杆压缩机热力结构特性分析

  支明宇, 李志峰, 万旭东, 赵永强

  液压与气动. 2021, 45(9): 172-179. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.09.024

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  针对双螺杆压缩机在实际工作过程中的热力变形结构特性问题,以双螺杆压缩机的阴、阳转子为研究对象,考虑转速对螺杆压缩机工作性能的影响,采用间接耦合方法通过插值技术将温度场作为体载荷施加于阴、阳转子,并进行热力耦合数值模拟分析。通过求解阴、阳转子静平衡方程,对螺杆转子在静力场、稳态温度场和热力耦合场进行模拟分析对比,得到螺杆转子的应力、变形分布规律。研究结果表明:在静应力场下,阴转子的变形量大于阳转子,且静应力的仿真与耦合场下仿真差异明显。在双螺杆压缩机工作过程中,热变形是转子变形的主要原因,且轴向的变形量最大,热分析和热力耦合情况下转子的变形趋势相同,且在耦合场下阴转子的齿面变形较大。
工程技术
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  涡轮式膨胀机正交设计及特性分析

  虞启辉, 张旭晓, 王前程, 李晓飞

  液压与气动. 2021, 45(9): 68-75. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.09.009

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  以某涡轮式膨胀机为研究对象,开展影响其性能设计参数的研究。以输出功率、旋转扭矩为性能目标,采用正交设计方法,设计了16组方案,基于Fluent研究了转速等设计参数对涡轮式膨胀机输出性能、内部流场的影响,并借助SPSS(Statistical Product and Service Solutions)对仿真结果进行极差分析。结果表明:压力0.8 MPa、温度270 K、转速3000 r/min时,输出功率最大,约为8.76 kW;压力0.8 MPa、温度300 K、转速1500 r/min时,旋转扭矩最大,约为40.63 N·m。为使性能目标同时达到最优,基于多目标优化设计,在合理的范围内择优选取,选定压力0.8 MPa、转速2250 r/min、温度285 K为最佳方案组合,并通过涡轮式膨胀机测试平台完成实验验证。
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  起落架收放系统动力学仿真

  魏亮亮, 范建博, 何煜文

  液压与气动. 2021, 45(9): 76-81. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.09.010

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  飞机起落架收放系统是以液压控制系统驱动起落架机构运动的综合复杂系统,涉及运动学、多体系统动力学、液压控制等方面内容。为研究起落架收放系统特性,以某型机工作原理和数字样机为例,采用Simcenter 3D Motion和AMESim建立了基于全机的起落架机构和液压控制系统的联合仿真模型。将起落架收放机构的负载仿真结果与某型飞机实测数据进行对比,两者基本吻合,说明该仿真可作为起落架收放系统设计及深入研究的依据。根据仿真结果,对起落架收放机构负载、收放速度以及液压控制系统的压力、流量响应特性进行了深入研究,同时对飞机各起落架相互作用的影响进行分析。
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  力平衡型多速双定子马达泄漏与容积效率分析

  冯俊学, 何振杰, 张青松, 王远, 魏宗强, 束世辰

  液压与气动. 2021, 45(9): 151-157. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.09.021

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  根据力平衡型多速双定子马达研究的基本原理,对其泄漏情况进行分析,研究了马达在2个和4个单马达同时工作时的容积效率变化,以及马达的3种主要泄漏:滑靴与定子表面、柱塞与转子柱塞孔以及配流壳筒与转子外表面的间隙泄漏,并进行了样机原理性实验。结果表明:随着进口油压的逐渐升高,泄漏量增大,马达容积效率呈下降趋势。该研究为力平衡型多速双定子马达的结构优化提供了参考。
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  弹簧式液压脉动衰减器特性研究

  杨庆俊, 董日治, 罗小梅, 吕庆军

  液压与气动. 2021, 45(9): 164-171. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.09.023

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  车辆液压系统脉动式流量输出会造成管路的疲劳破坏。脉动衰减器作为输流管路的辅助部件,在压力吸收方面起重要作用。建立了脉动衰减器的数学模型,根据实际情况确立了脉动衰减器的参数,进行数值模拟,分析了无脉动衰减器时管路的压力波动情况;通过实验测量了脉动衰减器前后管路的压力波动变化情况。研究证明所设计脉动衰减器能够有效降低管路压力脉动,且对宽频域压力波动均有明显抑制效果,为液压系统管路波动抑制提供了方法支撑。
综合应用
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  导向式气力采摘系统流动特性结构优化与试验

  张全忠, 热合买提江·依明, 买买提明·艾尼

  液压与气动. 2021, 45(9): 44-51. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.09.006

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  针对采棉机在作业过程中采摘不干净、落地棉多、采摘效率低等问题,以附加功能为设计理念,通过研究采棉机采摘头导向系统结构和工作原理,提出一种导向式气力采摘系统,再根据棉花生长特性确定导向式气力采摘系统结构参数及优化模型;对不同结构和边界条件下的气力采摘系统,运用Fluent软件与风洞实验平台进行数值模拟与试验测试,确定其不同边界条件和结构参数的较优参数。数值模拟与实验结果表明:当吸棉装置锥体面为100 mm,吸棉口数量为16,吸口速度为60 m/s时,吸棉口平均速度42.33 m/s,平均压力为-1096 Pa,达到了气力吸棉装置设计需求。该研究对采棉机气力采摘系统研发提供了参考。
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  商用车气压制动系统快放阀优化设计

  霍皓灵, 吴庆定, 陈华, 邹敏

  液压与气动. 2021, 45(9): 89-95. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.09.012

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  针对商用车气压制动系统快放阀排气气压延迟问题,对快放阀进行优化设计以降低延迟气压与时间。应用系统仿真软件AMESim对快放阀进行模拟仿真,获得对排气延迟影响较大的变量,利用正交试验法研究了快放阀膜片厚度、排气口流通面积、排气口气隙宽度对快放阀排气延迟的影响。结果表明:最优快放阀结构的排气口气隙宽度为3 mm,膜片厚度为2 mm,下阀口支撑筋面积为70 mm²;通过快放阀结构的参数优化,可有效降低排气延迟气压与时间,压差同比降低约110 kPa,时间缩短0.65 s,同时提升了制动系统的稳定性。
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  基于AIC准则的气动位置控制系统辨识

  权宁, 徐志鹏

  液压与气动. 2021, 45(9): 129-135. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.09.018

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  为了解决气动位置控制系统的精确定位,提出了一种基于AIC准则的气动位置控制系统辨识。通过对气动位置控制系统分析,建立了系统数学模型,并进行了线性化处理。基于AIC准则建立了白噪声和有色噪声两种模型,找到了满足两种模型最小的阶次,采用增广最小二乘法实现对有色噪声参数的无偏估计;通过自相关系数检验了系统残差序列的白色性,验证了气动位置控制系统辨识模型的可靠性。实验结果表明:当幅值分别为1000 A和1200 A时,两种系统的传递函数基本等价,说明在相同阶次的逆M序列且幅值在一定范围内,不同系统对模型参数的辨识影响较小。
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  动力转向器总成综合性能试验台液压系统设计

  陈诚, 顾晋, 刘永

  液压与气动. 2021, 45(9): 158-163. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.09.022

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  动力转向器总成出厂前必须进行综合性能试验,试验台架既要模拟汽车转向系统中的供油功能,还需要给转向器被动或主动加载,工作压力高,流量变化大,对液压系统的设计提出了较高要求。将试验台液压系统分为2个独立的子系统进行设计,使用电磁比例溢流阀根据程序设定自动调节系统压力,通过并联2个单向节流阀获得较大的流量调节范围,满足多种试验要求,采用定值减压阀和换向阀卸荷等多种措施保护仪器仪表。实践验证,液压系统设计合理,有效避免了液压冲击,工作稳定,噪声小,各试验参数便于设置和标定,满足试验要求,为类似设备的研发提供了可借鉴的经验。
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  建设科技强国——流体传动与控制课程思政“全链条”教学模式

  路珍, 夏连鹏, 束世辰

  液压与气动. 2021, 45(9): 180-188. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2021.09.025

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  思想政治理论课是落实立德树人根本任务的关键课程,传统先验知识传授在一定程度上成为制约新技术和思想发展的掣肘。流体传动与控制技术课程是机械专业核心基础课程,世界科技竞争、中国科技强国建设等多重背景为流体传动与控制技术教学提供新机遇也赋予新使命。该研究提出以建设科技强国为教学目标的课程思政“全链条”教学新模式:运用显性与隐性教育法相结合,以全员、全程、全方位参与的教育体系,融合真善美、知情意、点线面、赛创研的教学理念,挖掘背景精准、专业课程精准、图表精准、公式精准、应用精准的思政元素,如同车轮链条紧密结合、环环相扣、驱动向前。助力培养具有“科技素养、爱国情怀、专业知识”的高科技专业人才,为建设科技强国提供支持。