2022年, 第46卷, 第11期　刊出日期：2022-11-15

  

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专题
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  阀配流水压柱塞泵的回冲射流及其容积损失

  冀宏, 赵宏科, 刘耀卓, 刘银水

  液压与气动. 2022, 46(11): 1-8. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.11.001

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  为揭示水压柱塞泵配流阀对泵容积效率的影响程度,设计了阀配流柱塞泵可视化实验装置。通过高速摄像系统清晰观测到柱塞泵中回冲射流现象及形态特征。以阀芯瞬态位移、泵腔压力实测数据为边界条件进行配流阀动网格流场仿真,并进行瞬时流量积分,获得了排水阀回冲射流引起的柱塞泵容积损失数值。结果表明:在1500 r/min转速下,回冲射流时长占柱塞排水周期的30%,约为6 ms,阀芯存在多次振荡且伴随着射流空化;回冲射流造成泵容积效率的损失约为5.3%。
理论研究
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  组合型节流槽对多路阀内流场特性影响的仿真研究

  曹文斌, 侯宝宝, 牛壮, 苗瑞林, 王传民

  液压与气动. 2022, 46(11): 17-25. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.11.003

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  针对工程机械用多路阀阀口压损大、流速高,极易出现阀芯冲蚀磨损的问题,以某型号工程机械多路阀为例,设计不同组合形式的节流槽,研究多路阀阀口节流槽结构形式对阀口流阻损失及多路阀内部流场特征的影响。采用数值分析的方法研究了不同阀口节流槽形式在阀芯开启过程中阀口前后压差、流量、流速等流场特征。结果表明:阀芯采用不同组合型节流槽的流场特征明显不同,VU形节流槽较其他阀口出流线性特性更好,且具有良好的预升压效果,可进一步降低液流对阀芯的冲蚀,减小噪声、振动,保证多路阀工作的稳定性。对高压、大流量多路阀阀芯节流槽口的设计及提升多路阀综合性能具有一定的参考意义。
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  直动式比例减压阀功率放大器对其控制品质的影响

  强彦, 冯整顺, 孙辉, 杨丹丹, 魏晋华, 魏列江

  液压与气动. 2022, 46(11): 34-41. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.11.005

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  比例减压阀功率放大器存在谐波干扰、占空比突变、颤振信号频率选择不当等问题,影响其出口压力控制品质。针对该问题,通过建立某型直动式比例减压阀的动态数学模型,并用Pspice与AMESim软件协同仿真,研究了PWM控制信号谐波干扰信号、占空比突变及不同频率的颤振信号对比例减压阀控制品质的影响。结果表明:放大器PWM开关电路产生的高频谐波干扰信号将导致减压阀出口压力出现小幅低频波动;降低PWM信号占空比的突变可以减小出口压力的瞬时尖峰;提高颤振频率可有效改善稳压精度,但上限频率受改善滞环效果限制。
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  阀控充液式液力偶合器瞬态充液流场及转矩特性预测

  李莉, 崔红伟, 王国强, 李健, 任维微, 黄龙

  液压与气动. 2022, 46(11): 42-50. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.11.006

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  阀控充液式液力偶合器常被安装布置于刮板输送机的电机与减速器之间,利用其充液调速特性,实现刮板输送机的软启动。为了预测阀控充液式液力偶合器瞬态充液过程的流场及转矩特性,以循环圆直径为 500 mm的偶合器为分析模型,应用仿真软件CFX(Computational Fluid Dynamics X),采用非均一化两相流模型与SST(Shear Stress Transport)湍流模型,对充液过程的瞬态特性进行了数值模拟研究,获取了不同工况下的压力场、速度场及转矩值,根据压力、速度分布及变化规律分析了不同工况下泵轮转矩变化趋势,并得到了不同充液率下泵轮转矩系数的拟合公式。结果表明,整体上转矩随着充液率的增大而呈抛物线形式递增,随着速比的增大而减小,并由于环流状态的改变,出现转矩下降速率跌落现象。分析结果预测了阀控充液式液力偶合器的流场及转矩特性,为液力偶合器的使用与设计提供了合理的参考。
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  水液压柱塞泵摩擦副材料极限pv值

  李东林, 刘明伟, 张良, 郭富航, 刘银水

  液压与气动. 2022, 46(11): 51-59. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.11.007

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  针对水润滑摩擦副材料极限比功(pv值)不明导致水液压柱塞泵的设计缺乏依据的问题,对1Cr17Ni2与碳纤维增强聚醚醚酮(CFRPEEK)配对副材料开展了极限pv值研究。首先对泵内三大摩擦副进行了运动和受力分析,获得了各摩擦副的接触比压和比功;基于此,采用销-盘接触形式,研究了不同接触比压和滑动速度下1Cr17Ni2与CFRPEEK的摩擦系数和磨损率的变化规律,提出了以摩擦性能显著恶化为判据的极限pv值评价方法,得到了CFRPEEK的极限pv值为20~30 MPa·m/s;最后,经过200 h耐久性考核,泵的总效率为90.2%,各摩擦副摩擦表面光滑,磨损极小。结果表明,基于极限pv值的泵摩擦副材料选用合理,泵可长期高效运行。
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  基于机器学习的水液压高速开关阀退化趋势预测

  聂松林, 刘庆同, 纪辉, 洪睿东, 马仲海

  液压与气动. 2022, 46(11): 60-66. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.11.008

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  高速开关阀以其结构简单、响应速度快、抗污染能力强、稳定性好等优点得到了广泛的应用。水液压高速开关阀的工作介质黏性低,更容易因性能退化发生故障。提出了一种基于机器学习的水液压高速开关阀性能退化状态识别及退化趋势预测方法。搭建了高速开关阀性能测试试验台,将电流信号的变化作为高速开关阀的性能退化指标。根据高速开关阀性能退化程度,将其退化状态定义为正常期、退化期和严重退化期3个阶段。采用BP神经网络(BPNN)方法对高速开关阀的退化状态进行了识别,并采用粒子群优化长短期记忆模型(PSO-LSTM)方法对高速开关阀的退化趋势进行了预测。使用高速开关阀的性能退化试验数据对提出模型的有效性进行了检验,结果表明该方法具有较高的预测精度。
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  闭式泵控液压回转-机械直线执行器的效率特性

  倪豪, 葛磊, 权龙, 赵斌

  液压与气动. 2022, 46(11): 67-73. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.11.009

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  新型液压回转-机械直线执行器采用液压马达代替电动机驱动滚珠丝杠,解决了电动缸功率密度低以及非对称液压缸流量不匹配等问题。为了进一步研究该系统的效率特性,推导其效率模型,后在SimulationX中建立其物理模型,通过理论分析与仿真结合的方法,研究了泵的排量比、泵的输入转速、系统的负载力、减速器传动比等参数对系统效率的影响。结果表明:系统的总效率受液压回路的效率影响最为显著;系统在大排量、中高转速、较大负载力下具有良好的效率特性;正常作业时,系统的总效率通常不会低于60％,最高可达68％。
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  高频响比例阀非线性补偿控制策略

  俞奇, 陈立娟, 魏立忠, 李瑞阳, 彭泽钦, 陈文婷, 高伟, 艾超

  液压与气动. 2022, 46(11): 74-81. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.11.010

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  为了解决单向电磁铁比例阀的非线性特性对系统位置控制精度和动态响应速度的问题,设计了不严格依赖于精确数学模型且具有较好控制精度的非线性补偿策略。基于系统的位置反馈偏差和偏差的变化率,提出了速度和加速度反馈的补偿思想,同时引入了前馈校正提高比例流量阀的跟踪精度。在AMESim仿真平台上验证了非线性补偿策略的有效性。结果表明:非线性补偿算法的引入,消除了比例阀存在的滞后性和不稳定性,提高了高频率下的响应速度和跟踪精度。
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  高精密点胶螺杆泵的参数分析与性能研究

  韩帅月, 刘志奇, 王少川

  液压与气动. 2022, 46(11): 90-97. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.11.012

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  针对电子封装对胶液分配具有高精度的控制要求,基于单螺杆泵的运动学特性建立边界条件,采用三维计算流体力学软件对精密螺杆泵流场模型进行数值分析,研究了螺距、偏心距、转速和压差等参数对高精密点胶螺杆泵压力和流量稳定性的影响,得到使螺杆泵性能较优的T/D,T/e区间和适宜的转速区间,为确定合理的高精密点胶螺杆泵的结构参数和运行参数提供了理论依据。
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  齿轮螺旋线修形优化研究

  司国雷, 李侃, 陈君辉, 王嘉磊, 朱旭, 李思作

  液压与气动. 2022, 46(11): 116-123. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.11.015

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  齿轮传动由于受制造和安装误差、齿轮弹性和热变形等因素的影响,在啮合过程中不可避免地会产生振动、冲击和偏载,从而造成齿轮效率和寿命偏低的问题。针对该问题,运用虚拟仿真验证手段,以典型外啮合直齿圆柱齿轮为研究对象开展螺旋线修形优化。结果显示,优化后齿轮表面应力分布均载程度提高78.31%,传动误差降低41%,螺旋线载荷分布系数降幅达到39.3%,接近于1。可见,螺旋线修形能够显著改善因各种因素综合引起的螺旋线偏差,改善传动状态,提高啮合质量。
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  喷水减温阀离心喷嘴雾化性能的优化研究

  孙泽刚, 胡自强, 何德文, 吴笑天

  液压与气动. 2022, 46(11): 124-131. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.11.016

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  为了探索喷水减温阀喷嘴结构参数变化对其雾化效果的影响,优化喷嘴结构参数,根据Fluent软件VOF模块对喷水减温调节阀的离心喷嘴进行气-液两相仿真分析。以喷嘴出口直径、旋流槽倾斜角、旋流室收缩角作为优化因素,以雾化锥角、流量系数作为雾化性能的评价指标,进行正交实验设计。基于响应面法建立雾化锥角和流量系数的代理模型,再运用粒子群优化算法对代理模型进行寻优,得到一个最优结构参数。结果表明:当出口直径为2.55 mm,旋流槽角度为40°,旋流室角度为110°时,雾化性能得到最优,雾化锥角比原模型增大17.7％,流量系数增大32.53％,为喷嘴的设计提供了一个新的方案。
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  联体泵-马达壳体内流场功率损失特性

  冀海, 王娟, 袁怀杰, 孙德灿, 孙成珍, 赵亮

  液压与气动. 2022, 46(11): 132-139. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.11.017

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  联体泵-马达工作过程中由于流场功率损失过大,造成摩擦副磨损、压力供给不足、旋转部件发热等问题,降低整机的可靠性和寿命。采用了Mixture多相流模型及自编程的网格变形运动控制程序,建立了联体泵-马达壳体内部流场功率损失特性数值仿真模型。通过分析连体泵-马达壳体内油-空气两相流场中涡结构和湍流参数,揭示了壳体内流场功率损失产生机理及分布特性,并研究了转速和泵斜盘倾角对功率损失的影响规律。结果表明:流场涡结构及湍动能较高区域均集中在柱塞及缸体转动区域,该区域的搅拌损失占比为98.91%,湍流耗散损失占比为60.66%,是壳体内流场功率损失主要来源区。转速的增加导致流场湍动能升高,流场总损失增加;转速从955 r/min增大至3000 r/min后,流场总损失增加了1441.36 W。泵斜盘倾角的变大,使马达侧转速增加,流场更紊乱,流场总损失增加;泵斜盘倾角从0°增大至17.5°,流场总损失增加了1077.04 W。
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  高压高转速服役特征下唇形油封失效机制

  李斌, 邢杨涛, 李胜男, 翟富刚

  液压与气动. 2022, 46(11): 140-146. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.11.018

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  坦克车综合传动系统中油封经常处于高压、高转速的工况,出现短时失效泄漏且在工况条件降低后密封性能恢复。针对这一问题,以唇形油封的泵汲理论作为其失效评判标准,首先,通过分析不同介质压力下油封的变形特征和接触特性,发现油封受压后腰部向轴侧塌陷、唇部翘曲,导致其接触宽度增加、最大接触应力减小,不利于产生或失去泵汲效应;其次,基于高速下油封摩擦升温现象,指出转速增加使油封橡胶材料的弹性模量下降,导致油封的抵抗变形能力减弱,其受压时腰部变形量增大;最后,对高压高转速服役特征下的油封进行分析,发现转速作用下油封升温导致其腰部抵抗变形能力下降,同时施加介质压力后加剧其腰部的塌陷程度,降低其工作可靠性,进一步得出了油封的可靠介质压力与转速之间的匹配关系。研究成果可为设计优化耐高压高速油封及油封选型提供参考和理论支持。
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  高压力增益偏转板射流伺服阀正交仿真试验研究

  周振锋, 包逸平, 宋伟山, 贾秀杰

  液压与气动. 2022, 46(11): 147-152. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.11.019

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  为提升偏转板射流伺服阀前置级的压力增益,采用正交试验设计与流场仿真相结合的方法,开展优化射流结构参数研究,综合考虑射流盘厚度、射流槽宽度、喷嘴宽度以及接收孔圆角半径4个结构参数对前置级压力特性的影响。结果表明,通过正交仿真试验得到的一组优化参数,相较于初始参数,其前置级的中位压力提高了15.9%,压力增益提高了19.1%,实现了前置级压力增益提升的目标,为偏转板射流伺服阀射流结构参数设计提供了依据。
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  优先阀颤振啸叫问题仿真分析

  赵峰, 孙世磊

  液压与气动. 2022, 46(11): 181-188. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.11.023

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  优先阀配套于商用飞机液压系统,用于优先保证系统中主飞控系统的供油。在液压系统的实际工作过程中,当主飞控系统供油压力突然降低、液压系统中蓄能器放油时,常常会产生颤振、啸叫(鸣叫)等现象。建立了优先阀的数学模型及AMESim仿真模型,仿真分析了相关结构参数对阀动态特性的影响,并进行了参数优化。仿真分析结果表明,在优先阀其他结构参数不变的情况下,主阀阻尼孔径、先导阀座阻尼孔径及导阀弹簧刚度分别选为0.9 mm,1.5 mm,6.0 N/mm时,阀的动态特性效果最佳,当阀工况发生变化时,可有效改善阀芯颤振现象。
工程技术
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  大型低速风洞多通道电液伺服阵风发生器协同驱动控制策略研究

  于金革, 王建锋, 吴帅, 李明阳, 董韶鹏, 马占元, 明强

  液压与气动. 2022, 46(11): 9-16. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.11.002

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  为在FL-10大型低速风洞开展飞机模型阵风影响相关试验研究,建立了4通道电液伺服马达驱动的摆动叶片式阵风发生器。4个通道独立控制方式,简化了系统结构,使发生器具备了多频率与多波形阵风模拟能力,但对多通道同步性也产生了更高的要求。针对4通道电液同步伺服控制,提出了一种改进的共反馈同步误差校正控制方案。共反馈同步误差校正控制方案利用主反馈误差来实现对跟踪误差的控制,并通过同步误差完成马达控制系统的反馈补偿,以达到更高的同步控制精度并提升运动性能。通过仿真和试验验证了同步控制算法的有效性。风洞流场校测结果表明:电液伺服摆动马达驱动能力强,动态高,生成的正弦波精度高,研制的发生器在来流风速70 m/s下可稳定工作,叶片最大摆动频率为16 Hz。
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  基于高压锂电的电动叉车行走动力控制系统研究

  刘平国, 陈俊屹, 陈其怀, 任好玲, 林添良

  液压与气动. 2022, 46(11): 26-33. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.11.004

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  随着全球变暖和能源危机等问题日益严重,零排放、低振动、无污染的电动叉车越加受到消费者的青睐,纯电动系统是工程机械发展的必然趋势。尽管电动化技术早已在叉车领域得到广泛的应用和认可,但目前的电动叉车多是基于低压,造成功率元器件、连接器、电缆与电机产生较高热损,同时,电流变化率高,容易产生电蚀现象。对此,提出以高压锂电池作为储能单元的高压锂电电动叉车动力总成方案,根据叉车使用工况制定整车行走控制策略,确定驱动电机控制器使用转矩模式控制叉车行走,并探究基准扭矩与油门踏板开度的关系。利用模糊推理规则,实现对驾驶员油门踏板开度控制的意图识别,使用补偿扭矩快速达到驾驶员操作意图。通过MATLAB/Simulink仿真软件验证了高压锂电电动叉车行走动力总成控制策略的可行性。
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  基于变模糊PID控制器的阀控非对称缸复合控制策略

  蒲虹云, 蒋刚, 郝兴安, 邹海锋, 刘思颂, 陈清平, 徐文刚

  液压与气动. 2022, 46(11): 82-89. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.11.011

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  针对非对称液压缸正反向运动的不对称性对位移控制精度的影响,为了提高阀控非对称液压缸伺服系统位移控制精度,设计了根据液压缸运动方向选择对应模糊PID位移控制器的位移闭环及速度前馈复合控制方案。搭建了基于ADAMS,AMESim和Simulink的阀控非对称液压缸伺服系统联合仿真模型。研究表明,采用速度前馈控制系统响应更快;采用对应变模糊PID位移控制器控制策略,非对称缸换向跟踪期望位移的精度更高。
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  具有负载柔性的液压伺服系统整形滑模控制

  王伟平, 杜文芳

  液压与气动. 2022, 46(11): 98-107. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.11.013

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  针对柔性臂等具有一定结构柔性的负载对液压伺服系统控制性能的影响,提出了一种基于输入整形器和代理滑模控制的复合控制策略。首先,为了克服负载连接刚度所引起的振动对最终控制性能的影响,采用输入整形器对期望信号进行修正;其次,将扰动观测器和代理滑模相结合并根据无源性理论及Lyapunov理论证明了控制系统的稳定性。该方法一方面可以避免高增益PID控制在跟踪方波等误差变化较大的信号时的超调及振荡等问题;另一方面从理论上取消了不连续符号函数,从而避免了滑模抖振问题。此外,利用基于辅助变量的扰动观测器以及动态面控制可以弥补传统代理滑模控制在扰动抑制方面的不足,并克服状态变量的微分信号对测量噪声的放大作用;基于以上研究,得到一种整形滑模控制方法,并且通过理论及仿真证明了该方法的有效性。
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  基于代理模型的液压螺栓拉伸器优化设计

  陈国炎, 钱亚平, 胡莺, 石茂林

  液压与气动. 2022, 46(11): 108-115. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.11.014

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  液压螺栓拉伸器是用于火电、核电、风电等大型设备螺栓连接的专用工具,具有结构紧凑、操作方便等优点。活塞是液压螺栓拉伸器中承受载荷的关键部件,如何减少结构应力是设计中最为关注的问题。针对高精度仿真模型在优化过程中需要耗费大量时间成本的问题,采用三维建模软件SolidWorks和有限元分析软件ANSYS构建活塞的参数化模型,对其进行静力学分析;然后,构建代理模型替代高计算成本的仿真模型,对活塞应力进行优化。结果表明,在活塞体积增大2.52%情况下,最大应力降低5.61%,证明基于代理模型的优化方法对液压螺栓拉伸器优化设计具有一定的指导意义。
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  实验室评定滤芯元件实际寿命的方法

  熊丽媛, 韩凤娟

  液压与气动. 2022, 46(11): 153-165. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.11.020

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  针对国内外现有的试验方法不能用于评定滤芯元件实际寿命的现状,对滤芯元件实际寿命的评定方法进行了深入研究。基于压差相等原则,将滤芯实验室试验数据与实际在线采集数据结合起来,拟合回归出相应的数学模型,对滤芯元件的实际寿命进行结果评定。将评定结果与实际在线采集数据进行统计分析和对比,验证了该评定方法的有效性。可用于评定滤芯元件在不同压差下的实际寿命,并对在实验室评定滤芯元件实际寿命工作的开展提供重要导向。
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  盾构机液压推进系统故障分析与仿真研究

  徐恒吉

  液压与气动. 2022, 46(11): 166-174. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.11.021

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  针对盾构机液压推进系统的故障诊断问题,以在芜湖长江隧道项目过程中所使用的大型液压驱动型泥水盾构机为研究对象,分析了盾构机液压推进系统的工作原理,总结了推进系统中液压缸泄漏、换向阀泄漏及溢流阀泄漏故障模式的发生机理及其对推进系统造成的影响。利用AMESim平台建立推进系统模型,对液压缸泄漏、换向阀泄漏及溢流阀泄漏3类故障进行仿真分析,并提取液压缸推进速度、推进行程、无杆腔流量和系统压力4种推进参数的仿真数据。仿真结果表明:发生液压缸泄漏故障时,活塞杆无法伸出,推进速度为0;发生换向阀泄漏故障时,液压缸出现自走现象,推进速度明显降低;发生溢流阀泄漏故障时,系统压力明显降低,液压缸无法克服阻力向前推进。为后续盾构机推进系统的故障诊断和预测提供了有价值的参考。
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  高承压泥水平衡盾构机主驱动压力补偿系统研究

  刘晓瑞, 俞培德, 张龙飞, 顾永升

  液压与气动. 2022, 46(11): 175-180. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.11.022

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  基于高承压泥水平衡盾构机的市场需求,研究了一种主驱动压力补偿系统。首先对组合密封形式的承压能力进行了仿真分析;其次对两种不同控制方式的压力补偿系统设计方案进行了对比研究;最终确定了一种性能稳定、可靠性高的全气动控制的主驱动压力补偿系统,从而提高了泥水平衡盾构机的整机承压能力。通过模拟盾构机掘进过程中各密封腔体压力变化,搭载自适应密封压力补偿系统试验台进行实验分析,并成功应用于国内多个超大直径泥水平衡盾构机。