2022年, 第46卷, 第2期　刊出日期：2022-02-15

  

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专题
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  偏导射流伺服阀前置级温度特性

  刘金鑫, 延皓

  液压与气动. 2022, 46(2): 1-7. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.02.001

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  利用Fluent软件对偏导射流伺服阀前置级流场进行三维数值模拟,对衔铁组件进行热流固耦合仿真模拟,根据模拟结果分析了入口油温不同时,左右接收腔压力、前置级液动力、黏性热效应以及各组件尺寸的变化情况。通过对比不同入口油温下流场的压力分布,发现温度升高会引起左右接收腔压力升高;左右接收腔压差随温度变化的曲线表明,前置级受到温度变化的作用后驱动性能有显著波动;基于仿真数据得到前置级横向液动力,表明温度升高会引起横向液动力的增大;流场温度分布表明,油液从入口到出口温度平均升高了约20.5℃;热流固耦合分析表明,反馈杆偏转板进出口面油液压差主要引起反馈杆弯曲变形,入口油液温度升高主要引起偏转板膨胀变形。
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  有限时间不确定性估计的电液伺服跟踪控制技术

  李帅, 郭庆, 蒋丹

  液压与气动. 2022, 46(2): 8-14. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.02.002

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  在实际工程应用中,参数不确定性是一种非常常见的外部扰动,会对受控系统的动态性能产生消极的影响,而电液伺服系统作为一类常规的机电系统,其控制问题的研究也必然伴随着参数不确定性的问题。首先,介绍了终端滑模观测器来估计电液伺服系统的参数不确定性,相较于其他观测器,其能够实现对系统参数不确定性的快速估计;然后,基于终端滑模观测器,构造了反步控制器,进而实现了对电液伺服系统的跟踪控制;最后,在实验平台上进行了验证,结果显示,终端滑模观测器相较于其他观测器能够更快地对电液伺服系统的参数不确定性进行准确估计,进而提高系统的受控性能。
理论研究
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  基于AMESim的微型精密比例阀迟滞性优化分析

  叶鑫宇, 胡竣翔, 胡小雄, 刘文, 曹建波, 章苗英, 刘丽娇

  液压与气动. 2022, 46(2): 15-23. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.02.003

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  针对微型比例阀流量控制精度低的问题,在结构设计上采用阻尼弹簧组件,分析比例阀系统的工作原理,利用AMESim建立了系统仿真模型,分析了线圈匝数、弹簧刚度、弹簧预紧力等参数对微型比例阀流量迟滞特性的影响。利用序列二次规划(NLPQL)优化算法,以线圈匝数为主变量,目标输出流量及最低迟滞性为优化目标,确定3组较优理论参数,将理论参数进行仿真,确定最优参数并进行实验验证。结果表明,带有阻尼弹簧组件的微型比例阀的输出流量平稳,流量迟滞性低,控制精度高。
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  喷杆喷雾机悬架负载敏感液压系统仿真分析

  陈金成, 张校康, 温浩军, 张惠, 王国梁, 纪超

  液压与气动. 2022, 46(2): 24-30. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.02.004

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  为克服喷杆位姿控制时液压系统冲击性大、压力稳定性差等问题,基于负负载、负载敏感与电液比例控制技术设计了喷杆喷雾机悬架液压系统。利用AMESim-ADAMS联合仿真技术,验证了喷杆悬架动载过程中各动作工况下液压系统的稳定性和左右大小折叠液压油缸动作的同步性。结果表明:喷杆液压系统动载情况下压力冲击小,大小折叠液压缸同步误差小于5 mm;基于负载敏感理论和负负载理论设计的喷杆喷雾机悬架负载敏感液压系统符合喷雾机作业要求。对喷杆喷雾机悬架液压系统的研发设计具有借鉴意义。
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  机载往复密封二元时变相关退化建模与可靠度评估

  柏文峰, 洪黎, 张超, 钱于杰

  液压与气动. 2022, 46(2): 31-38. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.02.005

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  往复密封件作为机载液压作动器的重要组成部分,对飞行安全有着重要的影响。机载往复密封件承受着高压、宽温、变载荷、强振动等机载工况,多场耦合作用下其失效机理复杂,现有数值模型难以完全揭示其失效机理。在基于自回归滑动平均(Auto-Regressive Moving Average,ARMA)模型的机载往复密封二元时变相关退化建模过程中,首先,基于维纳过程描述往复密封摩擦力和泄漏量退化轨迹,采用Copula函数连接2个性能退化指标之间的相关性;并用ARMA模型表征相关性系数的时变性,采用2段贝叶斯估计的方法对模型中的参数进行估计;最后,介绍了往复密封试验装置,并基于该装置的试验数据验证了所提出的往复密封退化模型的准确性。
综合应用
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  挖掘机先导控制负载敏感液压系统节能特性研究

  曾亿山, 吕安庆, 赵志学, 刘旺, 刘常海, 胡敏

  液压与气动. 2022, 46(2): 39-46. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.02.006

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  负载敏感控制系统因其主泵出口压力高于最高负载回路压力,导致节能率较低。针对这一问题,从阀前补偿负载敏感控制系统出发,结合阀后控制和先导控制思想,提出一种基于负载敏感的先导控制挖掘机液压系统。在保证与负载敏感控制系统同样优良的复合操纵性能前提下,利用先导控制压力来降低主泵出口压力,以提高系统节能率,并建立先导控制压力的数学模型和负载敏感先导控制液压系统的AMESim仿真模型,对其节能性进行探究。结果表明:在一定先导控制压力范围内,先导压力越高,节能率越高,当双联负载回路均处于高压低流量工况时,系统的节能率最好,可节能4.3%,但此时节能功率很低;在系统节能率为2.53%时,节能效果最好,节能功率为528 W。
理论研究
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  调节阀附加耦合负载的形成机制

  潘子晗, 谢玉东, 韩家桢, 王勇

  液压与气动. 2022, 46(2): 47-55. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.02.007

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  舰船执行复杂战术动作时,舰船调节阀承受着流体振荡导致的附加耦合负载,导致阀门动作异常,危及舰船安全。为了保证舰船调节阀在调节过程中的安全及可靠,基于ANSYS Fluent建立了调节阀的有限元模型,分析舰船突变工况下调节阀的阀芯轴向受力及流体压力,讨论调节阀在不同的阀芯移动方向和不同阀门入口压力下的阀芯负载变化,揭示舰船调节阀附加耦合负载的形成机制与演化规律。结果表明:在一定工况下,调节阀的阀芯受到的附加耦合负载最大超过20 kN;阀芯从下向上移动时,其附加耦合负载逐渐减小,反之附加耦合负载逐渐增大;上游管道输入调节阀的流体压力对附加耦合负载的影响较大;附加耦合负载会造成调节阀执行机构所承受的载荷发生剧烈振荡。
工程技术
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  低压铸造中O形密封圈密封特性分析

  冉迪, 郑鹏, 王宁, 卞思文, 韩志, 王丹, 王晓凤

  液压与气动. 2022, 46(2): 56-62. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.02.008

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  为了分析低压铸造高温极端工况下O形密封圈的密封特性及密封失效问题,根据工况顺序,基于Mooney-Rivlin模型,采用ANSYS有限元分析了O形密封圈不同温度、压缩率、介质压力条件下的密封特性及密封失效位置。结果表明:温度升高、压缩率减小、介质压力增大均使易破损位置向密封槽上过渡圆角处移动;当介质压力为2 MPa,压缩率在10%~15%之间时,密封性能提高,破损机率降低;当温度为150 ℃,介质压力高于2.5 MPa,且压缩率低于5%时,破损机率升高;较小的压缩率不仅使密封性能降低,而且使破损机率增加。
理论研究
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  多级降压调节阀流激振动特性分析

  葛长榕, 徐东涛, 李颖, 安龙, 刘月娟

  液压与气动. 2022, 46(2): 63-71. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.02.009

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  分析某管路系统多级降压调节阀的流激振动问题,仿真得到调节阀小开度、中等开度、全开3种工况下压力、速度、漩涡速度云图、压力脉动时域与频域特性曲线及流激振动频率范围。利用热流固耦合模态分析得到调节阀固有频率。将流激振动主频与固有频率相对比,验证调节阀工作可靠性。分析得出:随着开度增大,各级降压效果明显,大涡逐渐形成小涡,且形成脱落状态;压力脉动主要由开度引起,出口压力脉动剧烈程度大于中部及入口,调节阀出口下端的近壁面压力脉动最为剧烈;调节阀模态频率没有落在流激振动频率范围内,调节阀不会发生流激共振。为设计安全可靠的管路系统提供保障。
工程技术
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  基于机器视觉采棉机作业速度控制与仿真分析

  钟春发, 倪向东, 韩双蔓, 魏晓朝, 陈华军, 叶好运

  液压与气动. 2022, 46(2): 72-81. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.02.010

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  针对采棉机作业速度与单位面积棉花产量和采摘作业质量自适应匹配问题,提出机器视觉结合变论域模糊PID控制算法。首先,通过最大类间方差法(OTSU)提取棉花特征,测算单位面积棉花产量和采棉机采净率;其次,构建采棉机采净率梯度边界、变论域模糊PID控制模型和采棉机作业液压调速数学模型;最后,基于MATLAB平台,搭建模糊PID控制器和采棉机作业液压调速仿真模型,通过模糊PID控制器自适应控制采棉机作业速度。结果表明:采棉机通过机器视觉、作业速度和棉田单位面积棉花产量与采棉机采摘作业质量实现自适应匹配,能降低采棉机驾驶员劳动强度,提升采棉机采收质量和效率,提高采棉机智能化水平。
理论研究
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  电比例斜轴式柱塞泵特性仿真分析及试验

  文晨阳, 李毅波, 潘晴, 王照卓

  液压与气动. 2022, 46(2): 82-93. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.02.011

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  电比例斜轴式柱塞泵为工程机械液压系统的典型液压元件,建立其准确的数字化仿真模型对于液压泵性能预测与结构优化具有重要意义。在分析阀控缸变量机构的变量原理和先导控制阀的结构特性的基础上,建立了某型电比例斜轴式柱塞泵的数学模型。通过对电比例斜轴式柱塞泵进行机械结构参数测绘,获得了柱塞泵的基本结构参数,利用AMESim软件平台建立了电比例斜轴式柱塞泵的数字化仿真模型,揭示了柱塞泵变量机构中反馈弹簧刚度、复位弹簧刚度等结构参数对柱塞泵工作性能的影响规律。为了验证模型的准确性,通过对转速、负载压力以及控制电流等工况参数组合匹配,对柱塞泵的稳态与瞬态性能进行仿真测试与试验验证,对比结果表明,电流-流量曲线的最大误差为6.67%,压力-流量曲线的最大误差为4.44%,仿真模型的瞬态响应时间历程曲线与实测曲线吻合,验证了此次搭建的电比例斜轴式柱塞泵数字化仿真模型的准确性。
工程技术
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  偏载状态下集束式潜孔锤气流调节机构同步特性分析

  娄磊, 陈孟举, 秦伟业, 吴万荣, 芮红艳

  液压与气动. 2022, 46(2): 94-100. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.02.012

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  针对现有集束式潜孔锤钻孔凿岩作业时集中气流无法调节的问题,设计了一种集束式潜孔锤气流调节机构,采用多油缸驱动,为保证气流能够均匀调节及分配,要求驱动油缸运动时保持同步。试验验证了不同负载模式下,调节机构在不同控制阀作用下的同步特性。结果表明:在均匀负载状态下,分流集流阀及比例阀的同步特性较好;随着负载偏载载荷加大,分流集流阀的同步性能变差,平均误差增大。
理论研究
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  液压支架抗冲击立柱系统特性仿真分析

  张赛, 张德生, 李明忠

  液压与气动. 2022, 46(2): 101-107. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.02.013

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  针对强冲击载荷作用下立柱卸荷系统响应慢导致缸筒胀缸等形式的失效破坏,设计了一种基于气体缓冲机理的抗冲击立柱。建立其数学模型,推导了立柱的等效刚度表达式,分析了初始充气压力和充气体积对立柱等效刚度的影响规律;利用仿真软件建立冲击试验模型,对其缓冲性能进行了分析,研究了各结构参数变化对冲击效果的影响。结果表明,抗冲击立柱的刚度随活塞位移的变化而变化,合理设置预充气压力和气室体积能调节立柱刚度。与传统立柱相比,该抗冲击立柱缓冲过程平稳,冲击初期及时让位,通过降低系统压力峰值及系统平均压力能够有效减小压力冲击10%左右。
综合应用
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  大型矿用液压挖掘机动臂运行及能效特性

  庚金晓, 夏连鹏, 葛磊, 权龙, 张晓刚

  液压与气动. 2022, 46(2): 108-115. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.02.014

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  作为大型矿用液压挖掘机的主要工作装置,重型机械臂在作业中主要做往复循环运动,下降过程中所具有的动势能会因控制阀口的节流效应转化为热能损失掉,该部分能量占发动机输出能量的20%以上,造成巨大能量浪费和废气排放。针对以上问题,提出在原双液压缸动臂驱动系统的基础上增设一个与液压蓄能器相连的独立储能液压缸,实现对重载机械臂动势能的回收及再利用。首先搭建260 t大型矿用液压挖掘机的仿真模型,其次对比两种系统驱动动臂时的运行和能效特性。结果表明:在空载和满载作业过程中,与原系统相比,采用独立储能液压缸系统分别可降低系统能耗85.11%和62.22%,节能效果显著。
理论研究
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  面向空间站复杂环境的尖端生长型气动软体机器人设计

  李朋春, 陈萌, 彭福军, 郭国仁, 周德开

  液压与气动. 2022, 46(2): 116-123. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.02.015

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  空间站内部具有空间狭小、仪器精密的环境特点,检修中广泛采用的刚体机器人或机械臂,存在环境顺从性差、刚性冲击大等局限性。提出一种气压驱动的仿“藤蔓”生长型软体机器人,其生长通过内部气压驱动的薄膜尖端外翻实现,并利用线驱动转弯关节实现机器人的尖端转向,这种新型的运动方式不仅使机器人具备了更加优越的运动性能,也实现了其主动控制下可调的连续转向。建立了转弯运动学模型,以90%以上的精度预测了机器人的转弯角度,进一步改善了软体机器人的控制精度;通过有限元手段进行了机器人的转弯性能分析,完成了原理样机的制作并开展多障碍运动实验。实验中机器人实现了目标的趋向和障碍的躲避,在空间站的无伤探测和维修等任务中具有极高的应用潜力。
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  射流管电液伺服阀滑阀冲蚀磨损特性分析

  孟令康, 朱玉川, 王玉文, 丁建军, 陆军

  液压与气动. 2022, 46(2): 124-130. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.02.016

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  射流管伺服阀的油液被污染后,其中的颗粒在高速射流下会对滑阀产生冲蚀磨损,从而影响伺服阀的工作性能。针对上述问题,建立射流管伺服阀的AMESim模型;结合计算流体动力学与冲蚀磨损理论,建立滑阀的冲蚀磨损数学模型。通过有限元仿真软件,模拟颗粒对滑阀的冲蚀磨损;基于射流管伺服阀的AMESim模型,分析滑阀磨损对伺服阀工作性能的影响。有限元仿真结果表明,滑阀冲蚀磨损的主要部位是阀套和阀芯的控制面刃边,并且阀芯控制面刃边的磨损比阀套严重;AMESim仿真分析结果表明,滑阀在冲蚀磨损后,伺服阀的空载流量增大,零位压力增益减小。为射流管伺服阀冲蚀磨损部位预测、故障诊断以及结构优化提供一定的参考依据。
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  液压支架大流量安全阀冲击特性影响因素仿真分析

  赵怀志, 王晓东

  液压与气动. 2022, 46(2): 131-137. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.02.017

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  随着我国煤炭资源开采强度、深度的增加,液压支架受到冲击地压的强度和频率大大增强。提高大流量安全阀的冲击特性是应对冲击地压的重要手段,为研究大流量安全阀冲击特性的影响因素,建立了FATA1000安全阀数学模型,通过AMESim软件搭建冲击特性仿真模型,对其弹簧刚度、阀芯质量、溢流孔数量和直径等影响因素仿真分析。结果表明:弹簧刚度增加,阀芯振动幅度减小,振动周期增加,稳定性增强;阀芯质量增加,会导致安全阀响应灵敏度降低;溢流孔面积增加,进液口压力会随之减小,压力稳定值和稳定时间也会有所降低。
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  不同工况下涡旋泵空化与性能的数值模拟

  田素根, 谢晓煜, 赵远扬

  液压与气动. 2022, 46(2): 138-144. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.02.018

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  针对涡旋泵建立了含有实际间隙的三维流体域模型,采用CFD技术对其进行了三维非定常模拟,研究了不同转角下的内部流场,分析了不同工况下的泵内空化现象及其性能。结果表明:由于涡旋泵结构特点和运动方式,导致泵的2个工作腔内的流动具有不对称性;在吸液末期和排液初期,工作腔内产生较高的压力脉动,严重影响泵的稳定性;在高压差的作用下,动静盘啮合间隙处存在高速射流现象,受其影响在间隙下游产生大面积空化;在低吸油压力下,随着转速的增加,动盘对油液扰动增强、空化加剧,从而导致泵的容积效率下降;提高吸油压力,可以有效改善空化程度、提高泵的容积效率;保持涡旋泵排量不变,则泵的回转半径越大,其空化越严重。
工程技术
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  球形腔小孔节流空气静压轴承优化设计

  李一飞, 尹益辉

  液压与气动. 2022, 46(2): 145-151. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.02.019

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  针对球形腔小孔节流空气静压支承轴承,为提升其静、动力学性能,基于轴承间隙流场特性的分析结果进行优化设计。首先,采用数值仿真对轴承间隙,尤其气腔内的流动特性进行研究,分析其中跨音速流动特性及超音速区、漩涡流动等出现的机理,明确优化目标;其次,基于径向基神经网络模型,建立轴承力学性能关于设计参数的近似模型;最后,建立力学性能优化设计的数学模型,考虑一定轴承负载,寻求使轴承气膜刚度最大、产生微振动最小且气锤振动风险最小的轴承参数组合。针对多目标优化问题,在多组轴承负载下获取最优设计并进一步对轴承力学性能进行了讨论。该型轴承的间隙流场分析、优化建模流程可为工程设计提供参考。
理论研究
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  甲醇喷油器结构参数对液力响应的正交试验研究

  张步勇, 朱建军, 刘鹏, 王柯莹, 杨涛, 陈琛, 柴帅

  液压与气动. 2022, 46(2): 152-159. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.02.020

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  甲醇喷油器作为高压共轨喷射系统的核心部件,其性能优劣对甲醇发动机的各项特性有重要影响。通过对甲醇喷油器主要结构进行数学建模,得出影响液力响应的结构参数。利用AVL Hydsim软件对甲醇喷油器建立了仿真计算模型,结果表明:进油孔孔径、柱塞直径、针阀直径、柱塞弹簧预紧力是影响喷油器液力响应的4个关键因素。由此,选择合理范围的结构参数进行正交试验,得出各个参数对喷油器液力响应各个阶段的影响程度,其中进油孔孔径对液力响应4个动态指标影响均极为显著,由此优选出最佳参数。优化方案对提高液力响应有明显的效果。
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  循环球转向器助力特性曲线影响因素分析

  马园杰, 周旭

  液压与气动. 2022, 46(2): 160-168. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.02.021

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  针对影响循环球转向器转向助力特性曲线的主要因素,结合出厂时测定转向助力特性曲线的试验方法,通过AMESim软件搭建转向器的参数化模型,根据实测的转向器参数对模型内部结构参数进行设置。采用控制变量法对实际生产中流量、扭杆刚度、阀口短切口宽度、油品特性及温度等主要因素对转向助力特性曲线的影响进行仿真,得到各参数对助力特性曲线的影响规律。为实际生产中循环球转向器的设计及整车匹配提供理论参考。
综合应用
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  装载机智能减阻铲装控制策略及实验研究

  卢一鸣, 刘昕晖, 曹丙伟, 陈伟, 李昊旻

  液压与气动. 2022, 46(2): 169-175. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.02.022

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  为了降低装载机铲装作业时因轮胎滑转而造成的功率损失,提出了一种以破坏物料致密性为基础的智能减阻铲装控制策略。基于理论分析明确了装载机铲装时的作业阻力形成机理,确立了通过自动提升动臂来破坏密实核以达到减阻插入的新思路。提出了基于现有液压系统的改进方案,并设计了基于轮速差值的装载机智能减阻铲装控制策略。后续铲装实验证明,该控制策略能够在铲装过程中出现打滑时自动提升动臂来破坏物料致密性,降低作业阻力并减少轮胎打滑时间,避免了功率损耗。
理论研究
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  伺服阀滑阀副径向间隙和圆角估计方法

  王卓, 王聃, 闫立东, 王民, 张宇

  液压与气动. 2022, 46(2): 176-183. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.02.023

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  电液伺服阀滑阀副的径向间隙影响泄漏流量,阀口棱边圆角影响开口处非线性区流量,目前对电液伺服阀滑阀副的径向间隙和圆角难以实现快速和低成本测量。基于叠合量气动流量曲线,提出了一种采用支持向量机回归的径向间隙和圆角估计方法。采用流体力学有限元仿真方法,获取不同径向间隙和圆角的气动流量仿真曲线;对不同的仿真曲线进行机器学习,采用人工蜜蜂算法对比不同核函数(多项式、RBF和Sigmoid)的估计效果;选取最佳核函数,实现径向间隙和圆角的参数估计。通过验证,提出的方法能有效估计径向间隙和圆角的大小。
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  快锻压机主泵供液系统仿真分析

  魏海涛, 张晓丽, 魏海锋, 王生金, 马志刚, 王拴庆

  液压与气动. 2022, 46(2): 184-188. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.02.024

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  快速锻造液压机是锻造生产的重要设备之一。结合实际应用,针对快锻压机工作时主泵变量出现瞬时压力突降造成主泵停止工作的现象,运用AMESim液压系统仿真技术,着重分析出现该现象的原因。结果表明:提高持压阀响应速度、增加供液泵流量或增大主泵投泵间隔时间可以减小压力突降幅度,避免主泵因为进口压力过低而停止工作。为快锻压机液压系统设计提供依据,以实现对快锻压机主泵供液系统的快速、精确和稳定控制。