2022年, 第46卷, 第12期　刊出日期：2022-12-15

  

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理论研究
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  软体机器人驱动技术研究进展

  王延杰, 赵鑫, 王建峰, 严钰婷, 骆敏舟

  液压与气动. 2022, 46(12): 1-11. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.12.001

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  软体机器人是一类新型仿生机器人,具有环境适应性强、运动灵活和本体柔软性等突出优点,在空间探索、灾害救援、医疗健康等诸多领域拥有广泛的应用前景。软体机器人主要由柔性本体材料和智能驱动/传感材料构成。聚焦软体机器人的驱动技术,首先介绍了以气/液流体弹性体材料为主体的流体驱动模式;然后,对气液相共同作用下的混合气液驱动技术进行介绍;接着,围绕现有研究较广泛的电驱动技术,重点分析了电动液压技术在软体机器人领域的最新进展及应用;最后,对电/磁/光/热驱动技术及其典型应用进行了分析和讨论;同时对未来软体机器人发展所面临的困难与机遇进行了展望。
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  安装状态的O形橡胶密封圈非线性有限元分析

  米雄伟

  液压与气动. 2022, 46(12): 18-23. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.12.003

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  在煤矿工程实践中,设备的工作寿命和密封性能与O形橡胶密封圈的装配工艺密切相关,因而有必要对O形圈的安装状态进行分析。以某型液压缸内O形圈为例,首先,基于橡胶材料的单轴拉伸实验得到其应力-应变曲线,通过对比发现Mooney-Rivlin模型能够很好的表征橡胶材料特性,并获得其材料参数;然后,利用ANSYS建立了O形圈安装状态的有限元模型并展开分析,获得了安装过程中的应力变化;最后,研究了不同摩擦系数、初始压缩率和安装圆角对O形圈所受应力的影响规律,指出其最佳安装状态。为O形圈的结构优化设计和失效分析提供了理论依据。
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  大排量柱塞泵滑靴副底面结构优化设计

  张良, 徐莉萍, 周小磊, 李东林, 张宇晖, 李健

  液压与气动. 2022, 46(12): 24-31. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.12.004

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  滑靴副作为大排量柱塞泵的重要摩擦副,其底面结构是影响大排量柱塞泵综合性能的关键因素。为设计一种适用于大排量柱塞泵的滑靴底面结构,改善大排量柱塞泵滑靴副的综合性能,通过构建剩余压紧力条件下滑靴副总效率数学模型,以滑靴副总效率为优化目标,引入黑洞-蚁群优化算法对大排量柱塞泵滑靴底面结构参数进行优化设计。通过仿真的方法分析了不同柱塞腔压力以及不同转速对优化前后滑靴副总效率的影响,结果表明,基于黑洞-蚁群优化算法得到的滑靴底面环结构有着明显的效率提升。
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  基于流固热耦合起重机双阀芯比例换向阀数值模拟研究

  张磊, 杨敬, 权龙

  液压与气动. 2022, 46(12): 32-41. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.12.005

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  针对汽车起重机变幅油缸快速运动压损高、定位精度差问题,基于泵阀协同压力流量复合控制策略,提出了双阀芯并联结构的双阀芯比例换向阀。不同直径的控制阀芯并联于同一换向阀体内,针对变幅系统的运行工况,采用ANSYS软件对阀的特性进行数值模拟。结果表明:双阀芯比例阀变幅阀芯全开时压损比现有多路阀降低0.45 MPa,最高温升减少5.9 K,变形量减少0.0097 mm,对于微小流量具有更高的控制分辨率。
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  可控式增压复合油缸设计及其性能分析

  杨茜

  液压与气动. 2022, 46(12): 50-56. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.12.007

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  针对大压力、小压力行程的重型液压设备的结构尺寸大、油泵功率大、利用系数低、液压系统复杂等问题,提出一种压力随机可调、工作效率高、结构紧凑、性能稳定可靠的复合式高增压油缸结构。对比分析了复合缸液压机和普通单缸液压机的工作过程;论述了复合缸液压机的运行原理和设计要求;介绍了可控式增压复合油缸性能及应用。结果表明:通过增压缸将液压系统提供的压力油转换为增压油提供给主油缸,使其产生大的压力输出,可有效地减小设备主机尺寸;通过控制缸随时进行高低压转换,各阶段速度压力按需配置,实现成形工艺的最优搭配,成形周期缩短;可以提高油泵的利用系数,减小泵站装机容量;液压系统工作负荷低,性能稳定可靠,寿命长。
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  船舶阀门电动静液作动器混合灵敏度鲁棒控制器设计

  杜伟, 汪成文, 赵赞魁, 赵俊奇

  液压与气动. 2022, 46(12): 63-70. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.12.009

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  以电动静液作动器系统为研究对象,建立系统数学模型;针对油液弹性模量摄动设计基于H_∞混合灵敏度控制器;利用MATLAB/Simulink与AMESim仿真平台,搭建船舶阀门电动静液作动系统联合仿真模型。针对电动静液作动器应用于驱动船舶中线型蝶阀实际应用背景,计算中线型蝶阀不同开度下启闭总阻力矩,并拟合为连续曲线作为系统负载特性,并对控制器算法的位置跟踪性能进行仿真验证。仿真结果表明,所设计的基于混合灵敏度H_∞控制器位置跟踪性能显著优于PID控制器,对外部干扰有较强的鲁棒性。
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  机械密封端面T形槽液膜压力脉动特性分析

  张泉艺, 穆塔里夫·阿赫迈德, 李振华, 宋海

  液压与气动. 2022, 46(12): 71-77. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.12.010

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  针对机械密封端面液膜流场的压力脉动,以机械密封端面T形槽液膜为研究对象,进行了机械密封摩擦副端面液膜微尺度区域的压力脉动特性分析。基于流体润滑理论,建立了机械密封端面T形槽三维液膜模型。求解端面液膜流体雷诺方程,计算分析了不同工况下端面液膜的压力脉动特性和频谱特性,探讨了端面流场压力周期性变化的影响因素。结果表明:在不同转速下机械密封端面液膜流场压力均呈现周期性脉动,压力脉动的振幅沿T形槽槽区径向方向增大;端面液膜的开启力受到槽区和非槽区动静干涉的影响;端面液膜流场压力脉动受到主轴转速和槽数的影响。
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  基于格子Boltzmann方法的静压转台流场动态分析

  常斌, 段鸾芳

  液压与气动. 2022, 46(12): 84-90. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.12.012

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  基于一种双环形静压转台结构,采用格子Boltzmann方法(LBM)系统分析了转台内的油液流动,重点讨论了封油边间隙高度、入口速度及油液黏度对转台内油液流动的影响,利用压力分布曲线表征承载能力的情况。结果表明:3个参数对流线图中主涡的强烈程度、封油边径向速度分布及承载能力均有不同程度的影响;只有封油边间隙高度较小时,环形设置对转台的承载能力才有显著地提升;入口速度越大,油液黏度越小,中心凹槽与外侧凹槽的承载能力均有相应提升。
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  1000 t惯性摩擦焊液压多缸同步控制策略研究

  郑景鸿, 李官平, 张宏

  液压与气动. 2022, 46(12): 91-100. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.12.013

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  针对大吨位惯性摩擦焊机多缸液压顶锻系统强干扰、强非线性的特点,面向多缸系统同步性能的高精度、强抗干扰的要求,基于自行设计的一套具有位置反馈的三缸液压顶锻系统,建立了阀控缸系统以及位置反馈同步系统的动态响应数学模型,并且提出了以伺服阀控液压系统为基础,在偏差耦合控制方式下采用模糊PID对控制参数进行优化的多缸同步控制策略。在MATLAB Simulink中对该控制算法进行仿真研究,并与传统PID控制算法进行对比。结果表明,所设计的控制策略实现了千吨级负载下多缸系统同步误差小于0.05 mm的稳定输出,具有较好的鲁棒性和较高的同步控制精度,为国产大吨位惯性摩擦焊机液压伺服系统提供设计参考。
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  新月形内齿轮泵空化流场仿真分析

  毛文亮, 赵彦军, 柴红强

  液压与气动. 2022, 46(12): 101-108. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.12.014

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  实际液压系统工作条件一直处于动态演变过程。为了分析变工况后新月形内齿轮泵空化流场的演进规律,提出了一种分布式参数模型,该模型利用动网格技术及两相流模型相结合来模拟齿轮泵中含气油液的流动状况。根据因子水平表及正交表性质设计了正交试验方案,在此基础上计算了不同试验对应的三维内流道模型并获得了流场特性及空化演进规律。结果表明:该类型齿轮泵中无明显困油区域,转子区是整个泵内压力最高也是最低的区域;转速一定时,油温对最低压力的影响最大,含气量次之,工作压力的影响可忽略;啮合区中的空化演进规律最为明显,气相整体呈现出先均匀分布,再分散集中,最后又均衡分布的变化规律;压力演变是气相发生运移的根本原因。
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  复杂时变环境高速开关阀自适应控制算法

  毛景禄, 王聪, 张彦伟, 苗峰, 崔雷

  液压与气动. 2022, 46(12): 109-114. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.12.015

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  为满足高速开关阀在复杂时变环境下的控制需求,通过数学模型分析,提出阈值占空比自学习的高速开关阀自适应控制算法。自学习阶段,通过自学习方波自适应调整阈值占空比,满足复杂时变环境控制需求;压力控制阶段,采用混合脉宽激励——“积分+斜率”控制算法,在缩短压力响应时间的同时,减少动态调节时的超调量。实验验证表明,在不同环境温度下,方波跟随响应时间不超过350 ms,超调量不超过0.25 MPa,稳态误差不超过0.1 MPa;1 Hz正弦波动态跟随性能良好,因此高速开关阀自适应控制算法在复杂时变环境中具有良好的自适应和鲁棒性。
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  一种气压自适应伺服活门的结构和特性

  孙景凯, 王顺吉, 高帅, 吴彦旭

  液压与气动. 2022, 46(12): 115-122. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.12.016

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  提出了一种适用于航空发动机控制的气压自适应伺服活门结构。基于该结构的工作原理建立了数学模型,利用AMESim进行了仿真分析,得出了该结构的气压自适应伺服特性,对弹簧刚度、杠杆比、真空膜盒有效面积等关键设计参数的影响和选取进行分析研究。结果表明,基于真空膜盒构建的伺服活门结构可以实现气压自适应控制,该结构具有控制线性好、气压跟随好等特点,并成功应用于某型活塞位置控制系统。通过合理选取杠杆比参数可以获取不同的控制特性,在航空发动机控制领域有广泛的应用前景。
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  超音速喷嘴流出系数仿真分析

  解俊良, 郝小龙, 张明根, 唐慧慧, 赵经明

  液压与气动. 2022, 46(12): 123-128. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.12.017

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  为获得超高速涡轮泵中超音速喷嘴流出系数随其入口收敛角、喉部直径等几何结构参数的变化规律,采用ANSYS CFD仿真分析工具,以氦气为工质,给定喷嘴入口总压11 MPa、总温300 K、排气背压0.105 MPa,对3种特定喉径的喷嘴分别在7种入口收敛角度下的流场进行仿真分析,获得其压力场、速度场分布及氦气质量流量,并将其与理论质量流量比较,得出喷嘴流出系数。3种特定的喉径分别为2,5,10 mm,7种入口收敛角分别为30°,45°,60°,90°,120°,150°,180°。结果表明:喷嘴流出系数随入口收敛角的增加而降低,随喉径的增大而增加,在2 mm喉径下流出系数最低为83.9%,在10 mm喉径下流出系数最高为99.1%,对后续设计超高速涡轮泵喷嘴结构形式具有指导作用。
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  分段插值算法在注塑机背压控制中的应用

  张栋, 李春, 彭京启, 张玄

  液压与气动. 2022, 46(12): 145-151. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.12.020

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  注塑机螺杆在回退储料过程中,要求回油背压尽可能低且稳定。市面上的PQ阀和比例溢流阀的起调压力普遍偏高,很难实现零背压控制。为了实现极低背压控制的目的,设计了一种基于分段插值算法的注塑机背压控制系统,分析了根据注射油缸回退速度和设定回油压力调节比例换向阀开度控制回油背压的原理公式;根据公式得到以流量和压力为坐标的表格;再根据流量曲线斜率对表格进行分段插值,斜率较大时采用拉格朗日插值,曲线平稳时采用最邻近插值,从而减少了表格的数据容量;通过联合仿真对算法进行了验证,结果表明,该系统最低背压小于0.1 MPa,压力精度达到0.005 MPa,接近闭环的控制性能,具有较大的实用价值。
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  气室加载式先导减压阀动态特性分析与参数影响研究

  姜一通, 赵玲, 费一尘, 赵俊杰, 田宁

  液压与气动. 2022, 46(12): 160-167. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.12.022

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  针对在航空航天领域广泛应用的气室加载式先导减压阀,建立了能够模拟其动态工作过程的数学模型。在模型有效性校验的基础上,对该类型减压阀在不同使用场景、不同结构参数下的动态输出特性进行了计算仿真。根据已有使用经验,结合仿真计算结果表明:采用“分级加载”模式能够提升气室加载式减压阀使用寿命,长时间大流量的连续供应将使阀出口压力逐步抬升,阀座处密封填料倒角将显著影响阀门输出特性。此外,对于既定结构减压阀,可通过优化弹簧腔及控制腔阻尼孔直径来快速调节其动态特性。
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  飞机起落架油气式缓冲器的行程计算研究

  李忠钰, 娄锐, 路红伟, 黄立新

  液压与气动. 2022, 46(12): 177-183. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.12.024

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  飞机起落架油气式缓冲器的行程计算是起落架设计与研制中的重要内容,现有的行程计算理论欠考虑起落架的实际使用工况,致使计算值与实际值存在较大的偏差。针对上述不足,综合考虑了起落架在高低温和充填参数容差条件下的使用工况,对起落架的着陆能量守恒行程计算理论进行了改进与完善,并结合某型号飞机主起落架的行程计算算例,综合对比其工程计算值、动力学模型仿真值和落震试验值,表明改进后的行程计算精度相对改进前提高了19%,由此验证了所提出行程改进计算理论具有较好的预测精度,这将有利于减少落震调参试验和收放结构优化的次数,对缩短飞机起落架的研制周期和节约研制费用具有重要意义。
工程技术
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  层叠型双腔并联压电泵性能研究

  陈亮, 孙晓锋, 林燕霞, 王盈学, 刘勇

  液压与气动. 2022, 46(12): 57-62. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.12.008

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  为提高层叠型双腔并联压电泵的输出性能,在出口通孔处设计了隔板结构,以阻止流体同时出流时产生的正向碰撞和向对面腔内回流问题。采用液体水和空气作为输送介质,对试验样机进行了试验测试,结果表明:隔板结构可以大幅度提高层叠型双腔并联压电泵输送液体介质的能力,在80 V正弦交流电驱动下,最大输出流量可达460 mL·min^-1,与没有隔板结构比较,输出流量可提高约30%。对该结构压电泵单个振子驱动与2个振子驱动时的关系进行了试验验证,结果表明:当工作介质为气体时,不管是同步驱动或异步驱动,2个振子工作时输出流量约为2个单个振子独立工作时输出流量之和;当工作介质为液体时,在2个振子同步驱动时输出流量出现小于单个振子工作时的输出流量情况,而异步驱动输出流量约为2个单个振子独立工作时输出流量和的1.4倍。
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  双向齿轮泵泵体裂纹分析及优化

  王飞, 刘杰

  液压与气动. 2022, 46(12): 78-83. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.12.011

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  为探究双向齿轮泵泵体发生裂纹的原因,对泵体进行金相分析与拉伸试验,并使用有限元分析软件ANSYS Workbench对泵体进行强度分析,同时使用着色法对泵体裂纹进行探伤;得到泵体材料化学成分和抗拉强度值、确定了最大应力点和泵体裂纹起始位置。结果表明,泵体材料符合标准要求,泵体裂纹起始位置在出油口内壁。为避免泵体裂纹的产生,提出5种结构优化方案,采用有限元仿真软件ANSYS Workbench确定方圆过渡方案为最优方案,经过试验验证后泵体没有裂纹出现。试验证明了优化结构方案的可行性,通过有限元仿真可以提高液压元件理论计算精度,缩短研发周期,节约研发成本。
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  直流式旋风分离器参数优化仿真与试验

  王超, 于光临, 甘新海, 闫周易, 赵磊霆

  液压与气动. 2022, 46(12): 129-134. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.12.018

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  为了在产品方案设计阶段验证直流式旋风分离器性能,利用罗辛-拉姆特函数对试验粉尘(ISO 12103-A4)粒径分布进行拟合。利用Fluent软件对直流式旋风分离器进行性能仿真,为满足分离效率不低于85%,降低流阻的需求,利用Optislang软件对旋风分离器结构参数进行优化,结果表明:粉尘平均粒径为42.27 μm,粒径分布指数1.126;分离器入口粉尘浓度由1%增至5%,分离效率不变,流阻由31.09 kPa增大至31.45 kPa;旋流叶片螺距对流阻敏感度为99.7%,对分离效率敏感度为94.3%,旋流叶片长度对流阻不敏感但对分离效率有5.8%的敏感度;通过匹配旋流叶片螺距及叶片长度,实现流阻由31.09 kPa降到12.12 kPa,分离效率仅降低4.01%。
  
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  基于机器学习的斜流压气机多目标优化

  汪林生, 宋丹路, 吕文

  液压与气动. 2022, 46(12): 135-144. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.12.019

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  针对100公斤级涡喷发动机,为了提高斜流压气机性能,利用编码搭建的BP神经网络-遗传算法平台,对叶轮入口轮毂半径、叶轮叶片数、扩压器轴向长度和扩压器叶片数进行压气机级的多目标优化。结果表明:优化后的压气级总压比提高了3.2%,等熵效率提高了7.9%,工作稳定性大幅度提高;优化后的斜流压气机叶轮出口处的泄漏流得到明显的改善,扩压器转弯段逆压梯度和附面层影响减小。
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  基于全连接神经网络的旋挖钻机缓冲平衡阀故障诊断

  闻岩, 徐俊, 高伟, 陈立娟, 常明明, 艾超

  液压与气动. 2022, 46(12): 152-159. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.12.021

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  回转装置是旋挖钻机的主要结构之一,而缓冲平衡阀是回转装置的重要部件。针对缓冲平衡阀故障诊断中故障类型复杂多变、早期微弱故障特征难以提取等问题,提出了一种基于全连接神经网络的故障诊断方法。以VAA-B-SICN-PDRM-VF-150平衡阀为研究对象,针对平衡阀故障数据难以获取的问题,进行加速退化实验,获取故障数据;然后,根据阀的特性建立故障评价指标,结合全连接神经网络方法,建立了平衡阀故障诊断模型,并进行模型训练,验证故障诊断模型的准确性。结果表明,基于全连接神经网络的故障诊断模型能够快速、准确地检测出缓冲器平衡阀的故障,从而避免发生事故导致停工停产。
综合应用
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  二维柱塞泵扭矩特性分析

  赵文亮, 朱登魁, 阮健, 徐钰, 周洪学, 黄帅宗

  液压与气动. 2022, 46(12): 12-17. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.12.002

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  二维柱塞泵采用弹簧预紧结构消除轴向间隙。装配实践发现,弹簧预紧力与二维柱塞泵扭矩呈正相关,与理论分析结果不同。针对扭矩异常开展了理论分析,并设计了工艺装备,使用显著性水平对理论分析结果进行检验。结果表明:弹簧预紧力对二维柱塞泵扭矩特性无影响;导轨、滚轮具有一定锥面时,加工、装配误差导致柱塞-同心环间产生了额外的法向力,是降低二维柱塞泵机械效率的重要原因。
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  水压人工肌肉驱动喷水矢量推进系统设计与试验

  刘艳飞, 张增猛, 杨勇, 贾云瑞, 弓永军

  液压与气动. 2022, 46(12): 42-49. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.12.006

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  传统喷水矢量推进系统的驱动器存在密封困难、易腐蚀、使用寿命短、结构复杂等问题。为了解决这些问题,开发了水压人工肌肉驱动的喷水矢量推进系统。基于水压人工肌肉调节关节转角的驱动方式,对二自由度喷水矢量推进系统进行设计,并建立水压人工肌肉工作压力与喷嘴偏转角度的对应关系,先后进行了喷嘴矢量调节试验和水下自航试验。喷嘴矢量调节试验结果显示,当人工肌肉压差分别为0.310,0.614,0.898,1.158,1.386,1.584 MPa时,喷嘴实际偏转角度为13.56°,21.66°,33.24°,44.21°,52.80°,56.88°,试验结果与理论计算结果平均偏差为10.8%。水下自航试验表明,水压人工肌肉作为驱动器不仅能够满足喷嘴偏角矢量调节的要求,同时能够实现喷水矢量推进机器人的矢量运动,为研发能耗低、结构紧密的水下智能装备提供了新的思路。
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  火箭增压输送系统减压阀出口压力性能改进研究

  张明, 臧辉, 郭志海, 杨丽曼, 石玉鹏

  液压与气动. 2022, 46(12): 168-176. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.12.023

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  为解决液体火箭增压输送系统气体减压阀在生产和飞行试验中出现的出口压力长时间持续下降问题,基于实测摩擦力提出了O形圈黏弹摩擦特性对减压阀出口压力的影响机理。使用修正摩擦力后的减压阀仿真模型复现了该减压阀出口压力长时间持续下降现象,并提出改进方案。样机验证试验表明,改进后减压阀出口压力长时间下降现象明显改善,减压阀精度提高约30%,验证了改进方案的有效性和O形圈黏弹摩擦特性对减压阀出口压力影响机理的正确性。