2022年, 第46卷, 第7期　刊出日期：2022-07-15

  

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理论研究
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  一种呼吸机人机异步的识别与改善方法

  刘青华, 石岩, 李强, 任帅, 郝黎明

  液压与气动. 2022, 46(7): 1-10. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.07.001

  摘要 ( 68 ) PDF全文 可视化 收藏

  在治疗和抢救各类呼吸系统疾病患者时,呼吸机起着十分重要的作用;但目前国内外呼吸机在工作过程中都存在不同程度的人机异步,影响患者的治疗效果,造成安全隐患,主要原因是对患者需求认识不足和患者病情变化导致的呼吸参数设置不合理。针对人机异步问题,搭建了压力支持试验平台,基于呼吸波形,引入人机异步事件的量化定义和评价标准,提取6项呼吸波形特征,实现了人机异步事件的自动识别;利用模糊逻辑控制技术,实现了呼吸机吸气触发阈值、呼气切换百分比和呼气末正压的实时调整。经过试验,异步事件识别准确,参数调整适当。
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  高压螺纹插装阀结构参数对稳定性及动态响应的影响

  陈俊翔, 卢子艺, 赵煜, 祝瑞瀚, 艾超, 朱富良

  液压与气动. 2022, 46(7): 17-24. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.07.003

  摘要 ( 54 ) PDF全文 可视化 收藏

  为了研究工程机械用高压螺纹插装式溢流阀稳定性及动态响应性,针对高压螺纹插装式溢流阀结构特点,通过Routh判据给出了先导阀在任意工作点能够保持稳定的条件,分析出导阀稳定性影响因素。利用MATLAB/Simulink建立溢流阀状态空间方程仿真模型,以获得高响应、小超调为目标,对影响高压螺纹插装阀动态响应的多因素组合进行分析。针对多因素制定了12因素3水平正交试验表,并对12种结构分别利用状态空间方程进行计算仿真,得到影响溢流阀动态响应因素的主次顺序,为溢流阀的动态响应优化设计提供参考。
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  淹没环境下高压水射流喷嘴的结构优化

  李猛, 何雪明, 高彬, 邓如冰, 吴金鑫

  液压与气动. 2022, 46(7): 31-39. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.07.005

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  为提高高压水射流在辅助大型沉井沉降施工中的效率,对水射流关键元件喷嘴进行选型和结构优化,要求射流具备高能量、低衰减特性。从4类回转形喷嘴中优选速度衰减小的喷嘴,确定合理的速度衰减研究指标,再结合尺寸参数设计正交实验,利用回归分析建立预测模型,可以确定各个尺寸参数对速度指标的影响程度。由高压泵站输入压力和流量确定喷嘴的最大直径,再由预测模型确定最佳喷嘴是出口直径2.8 mm、入口直径5.26 mm、收缩角为12.3°的锥形喷嘴。
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  液压软体抓手包络抓取接触力建模与实验

  孙恩来, 吕浩斌, 王滔

  液压与气动. 2022, 46(7): 40-46. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.07.006

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  抓手的抓取模式包括指尖抓取和包络抓取,其中后者适用于体积较大物体,但受力状态较为复杂。以液压软体抓手为研究对象,提出了一种简化的包络抓取接触力建模方法。将软体执行器等效为若干刚性连杆,通过接触力分析获得了抓取物体的作用力矩。根据软体执行器的形变原理和抓取过程分析,获得了液压容腔驱动力矩与输入压力增量的关系,根据力矩平衡获得了接触力表达式。搭建了软体抓手包络抓取实验装置并确定了关键参数,分别开展了接触力模型验证实验和反馈控制实验,通过理论和实验结果对比,验证了所建模型在一定范围内的有效性。
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  多尺度能量熵与优化极限学习机的航空液压管路故障诊断方法

  薛政坤, 汪曦, 于晓光, 王宠, 张小龙

  液压与气动. 2022, 46(7): 64-73. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.07.009

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  针对航空液压管路故障特征难以提取问题,考虑到航空液压系统中振动信号存在非平稳性以及非线性等特点,提出了一种基于局部均值分解(Local Mean Decomposition,LMD)的多尺度能量熵(Multi-scale Energy Entropy,MEE)和麻雀搜索算法(Sparrow Search Algorithm,SSA)优化极限学习机(Extreme Learning Machine,ELM)的航空液压管路故障诊断方法。首先,采用局域均值分解方法将采集的振动信号自适应分解;其次,综合考虑相关系数-能量比准则,选取最佳PF分量;最后,计算最佳分量的多尺度能量熵,选取合适的尺度因子并将其对应的能量熵值作为特征向量,输入到麻雀搜索算法优化的极限学习机网络模型进行学习训练,实现对航空液压管路的故障进行分类识别。结果表明:该方法能够有效地实现对航空液压管路故障类型的准确识别,为区分航空液压管路故障提供了一种可行的诊断思路。
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  气动恒力控制系统的自抗扰控制

  张树忠, 吴安根, 戴福全, 刘路杰, 陈添益

  液压与气动. 2022, 46(7): 83-89. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.07.011

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  针对磨削和抛光等对恒力控制装置的迫切需求,开展气动恒力控制系统研究。由于气动系统存在比例流量阀死区、气缸摩擦力以及气体可压缩等非线性问题,提出了一种二阶线性PID自抗扰控制器,并加入了死区补偿器。该控制器采用跟踪微分器对输入信号进行过渡,利用扩张状态观测器对非线性参数影响进行估计,并通过线性PID反馈控制律进行补偿,同时引入死区补偿器快速跳过死区范围。试验结果表明,相比传统PID控制和积分型线性自抗扰控制(I-LADRC),线性PID自抗扰控制具有更好的动态响应以及更强的鲁棒性,并且稳态误差小于2 N。
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  蠕动式气动软体管道机器人设计与实验

  宋懋征, 刘晓敏, 赵云伟, 田德宝, 秦鹏

  液压与气动. 2022, 46(7): 90-97. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.07.012

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  仿照蠕虫运动机理,利用自主研发的径向膨胀和轴向伸缩软体驱动器,研制了一种蠕动式气动软体管道机器人。研究了两种驱动器的结构设计和工艺流程;并进行了静力学实验,获得了驱动器静力学特性;依据轴向伸缩软体驱动器的形变原理,建立了机器人的运动学模型,获得了在不同气压、频率和负载情况下机器人的运动性能。结果表明,管道机器人具有较好的灵活性和适应性,可在一定直径范围的管道内自由爬行,爬行最大运动速度可达4.64 mm/s,负载能力为1000 g。
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  齿顶间隙对双圆弧螺旋齿轮泵泄漏及空化特性的影响

  朱景龙, 董庆伟, 李阁强, 王义城

  液压与气动. 2022, 46(7): 104-111. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.07.014

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  为了研究在高速高压工况下双圆弧螺旋齿轮泵齿顶间隙对齿轮泵泄漏及空化特性的影响,建立了双圆弧螺旋齿轮泵最佳齿顶间隙数学模型,计算出最佳齿顶间隙。利用PumpLinx对考虑空化后不同齿顶间隙的齿轮泵内部流场进行数值模拟,结果表明:当齿顶间隙为0.02 mm,齿轮泵的流量脉动和压力脉动相对较小,流量输出品质好,与理论分析最佳齿顶间隙为0.0207 mm基本一致,验证了最佳齿顶间隙模型建立的正确性;齿顶间隙会影响齿轮泵内部流场的空化程度和泄漏量,齿轮泵内部的空化程度随着齿顶间隙的增大而减小,齿顶间隙处的泄漏会随齿顶间隙的增大而增大;齿轮泵齿顶间隙处的空化具有密封作用,可以减小齿顶间隙泄漏。研究结果对双圆弧螺旋齿轮泵结构优化及应用具有一定的参考价值。
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  超声滚压对铝合金表面质量和耐磨性影响研究

  尚方方, 周振宇, 朴钟宇, 叶国云, 叶青云, 秦红玲, 夏庆超

  液压与气动. 2022, 46(7): 112-122. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.07.015

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  使用多珠平面滚压加工刀具对叉车举升液压缸表面实施滚压加工和超声滚压加工。通过激光共聚焦显微镜、光学显微镜和显微硬度仪对加工后的试样进行表面三维形貌、金相组织和硬度表征的研究。开发相应的分子动力学模型并对加工前后的试样进行干摩擦试验,对比研究超声滚压对液压缸铝合金表面摩擦磨损性能的影响。试验结果表明,与滚压加工相比,超声滚压加工进一步降低了表面粗糙度。磨损结果表明,超声滚压加工改变了试样表面的微观结构,改变了试样的磨损机制,提升了试样的抗磨损性能,可有效提高液压缸使用寿命,降低泄漏量。
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  河道水体化学需氧量检测方法分析与验证

  宁宏阳, 孙丽霞, 李鹏, 张玉峰, 白岩

  液压与气动. 2022, 46(7): 123-130. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.07.016

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  为解决河道水体检测过程中试剂消耗大、样品分析时间长、二次污染等问题,利用微流控技术和臭氧化学发光原理,研制了微流控芯片,搭建河道水体化学需氧量检测的硬件系统和软件系统。化学需氧量是利用化学方法检测水体中被氧化的还原性物质的量,是评价水体受污染程度的综合指标。利用该系统进行试验研究,分析数据采集系统采集化学发光信号,并进行数据拟合分析。根据化学发光强度与化学需氧量的对应关系,间接获得化学需氧量值,并与标准重铬酸钾法进行比较;结果表明,两者的平均偏差小于±5%,验证了该化学需氧量检测系统的可靠性和准确性。
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  高压氢气环境下橡胶O形圈静密封结构有限元分析

  王璐, 徐鹏, 陶家辉

  液压与气动. 2022, 46(7): 143-149. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.07.019

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  利用ABAQUS软件建立了高压氢气环境下橡胶O形圈静密封结构的有限元分析模型,研究了高压氢气作用下由于橡胶材料的吸氢膨胀对O形圈变形及应力的影响,探讨了不同初始压缩率、氢气压力、沟槽间隙、有无挡圈等工况下O形圈最大Von Mises应力、最大剪切应力和最大接触应力的变化规律。结果表明:高压氢气环境下,吸氢膨胀会导致橡胶O形圈的截面高度和面积的增加,但对O形圈的应力基本无影响。增加O形圈压缩率会提高初始安装工况下的接触应力,有利于初始密封的形成,但当介质压力较大时,过高的压缩率会显著增加剪切应力,导致O形圈发生剪切破坏。相较于低压工况,高压下密封沟槽间隙对O形圈的Mises应力和剪切的影响非常显著,较大的沟槽间隙会使O形圈发生挤出和剪切破坏,而安装密封挡圈可明显改善O形圈的变形和应力情况,有效防止O形圈被挤入沟槽间隙,同时提高密封性能。
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  基于四连杆的承罐稳罐装置设计与AMESim仿真分析

  季红涛

  液压与气动. 2022, 46(7): 156-162. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.07.021

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  为保证承罐稳罐过程的平稳与安全,防止罐笼装卸载过程产生剧烈振荡,利用平面四连杆机构死点特性,设计一种基于四连杆的承罐稳罐装置。综合考虑多因素分析,开展承罐稳罐装置方案设计,并基于AMESim平台建立仿真模型,针对罐笼承受空载和动载两种工况进行仿真分析。仿真结果表明:所设计承罐稳罐装置在较低液压动力驱动下便能安全平稳地实现罐笼的承接及稳定功能,有效地避免了大型罐笼装卸载过程中的剧烈振荡及反弹现象,具有良好的承罐稳罐效果。
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  随车起重机变幅液压系统故障诊断仿真

  王欣, 魏苏杰, 王盼盼, 宋晓光, 李万里

  液压与气动. 2022, 46(7): 173-181. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.07.023

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  针对液压系统中元件复杂、故障隐蔽性强而造成的诊断难题,提出了基于模型的故障诊断方法,为验证方法的可行性,进一步提出了故障诊断的仿真验证方法,搭建了其仿真模型。以某型随车起重机变幅液压系统的工作原理为基础,分析了变幅液压系统常见故障及故障注入方法,选取换向阀阀芯卡死故障进行诊断,通过阀芯液阻控制模块注入阀芯卡死故障,建立其功率键合图模型;其次,利用扩展遍历路径法生成一组解析冗余关系(ARR)的公式,并推导出阈值计算公式,采用MATLAB/Simulink平台搭建的故障诊断仿真模型计算出系统残差;最终,根据残差估计结果,对带有换向阀卡死故障的变幅液压系统进行诊断。通过诊断结果与初始故障注入对比,以及对随车起重机实验台的故障实验结果分析,验证了基于模型的液压系统故障诊断方法的可行性和高效性,为工程机械液压系统的故障诊断提供了新思路,并为预测液压系统剩余寿命奠定基础。
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  飞机前起落架转弯寿命试验台的设计

  赵超泽, 许波, 吕少力, 姚静, 魏鹏, 闫莉佳

  液压与气动. 2022, 46(7): 182-188. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.07.024

  摘要 ( ) PDF全文 可视化 收藏

  介绍了飞机前起落架转弯寿命试验台的基本功能,对试验台的机械加载原理进行了阐述;针对起落架液压主系统存在高低温工况,在主系统中设计出一种高低温液压隔离回路,能有效避免高低温液压元器件的使用,加热(冷却)功率变小,起到节能作用,成本降低,可靠性提高;针对加载工况,设计出液压加载回路,可以满足3种轴向力和转弯力矩的需求,并对转弯角速度进行了仿真验证,满足试验要求。
工程技术
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  旋压机液压伺服系统位置压力复合控制研究

  刘浩, 赵春江, 宁圆盛, 边强, 王蕊, 龙涛

  液压与气动. 2022, 46(7): 11-16. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.07.002

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  通过研究大直径薄壁管旋压机旋轮的压下控制,提出对液压系统采取位置闭环控制为主、压力闭环控制为辅的复合控制策略。液压缸与负载接触时,压力传感器将采集到的动态压力通过压力-位移转换模块反馈到系统的输入端,同时位移传感器的输出也作用于系统的输入端。首先建立了旋压机液压伺服系统位置-压力控制数学模型,然后利用AMESim软件进行仿真分析,验证该控制方式的可行性。结果表明:利用该控制方法不仅实现了压力、位置之间的实时测量、转换与调整,同时提高了大直径薄壁管旋压机液压伺服系统的响应速度、位置精度。
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  液压支架供液系统压力波动特性分析

  郭凯宇, 吴娟, 李宇琛, 许鹏

  液压与气动. 2022, 46(7): 47-53. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.07.007

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  为提高综采工作面支架各执行机构的精确控制,以支架供液系统压力波动特性为研究起点,基于卸荷阀压力控制原理,利用SimulationX建立了支架供液系统的机液联合仿真模型。通过仿真供液流量、管路长度和支架典型动作过程,分析总结了在支架不同动作模式下的压力波动规律,并通过井下实测压力数据和搭建实验平台进行验证。结果表明:支架不动作时,压力波动在卸载阀调定范围内波动;频率受泄漏孔和管路长度影响较大,受供液流量影响较小;支架动作时,降柱压力波动最大,卸荷阀频繁开启;升柱用液量最大,系统压力下降到最低。
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  甘蔗联合收割机切段辊液压系统的节能设计

  陈远玲, 陈承宗, 彭卓, 陈浩楠, 王肖

  液压与气动. 2022, 46(7): 54-63. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.07.008

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  针对切段式甘蔗联合收割机切段辊液压系统耗能大,效率低的问题,提出将负载敏感技术应用于切段辊液压系统,并与采用节流调速的液压系统进行对比,研究其节能效果。首先通过试验测得甘蔗收割机在行走速度为1, 2, 3 km/h 3种典型工况下切段辊马达的载荷谱及相应功耗数据;然后将实测所得的载荷谱数据导入AMESim模型,对2种液压系统进行仿真。结果表明:负载敏感系统的耗能和系统效率分别为节流调速液压系统的54%和1.8倍,且负载敏感系统马达速度稳定性好。基于实测载荷谱,在行走机械液压综合实验平台进行实验验证,所得负载敏感系统的耗能和效率分别为节流调速系统的52%和1.85倍。仿真和实验结果都表明,将负载敏感技术应用于切段辊液压系统,节能效果显著。
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  调速阀外控恒压结构优化设计及仿真分析

  陶柳, 徐化文, 李忠利

  液压与气动. 2022, 46(7): 98-103. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.07.013

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  传统调速阀利用压力补偿作用来保持其节流口前后的压差不受负载变化的影响,进而稳定流量,然而其压差受到补偿弹簧压缩量的影响并非绝对的恒定值,对于速度控制精度要求高的场合,传统调速阀的性能就无法满足其要求。鉴于此,设计了一种外控恒压调速阀,对阀的动态特性进行了分析,推导建立了系统的数学模型,利用AMESim仿真软件建立了仿真模型,对比分析了两种阀控液压回路流量稳定特性。仿真结果表明,外控恒压调速阀对系统流量稳定性的提升有显著作用。
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  模糊PID控制的液驱平流泵仿真

  谭平, 熊瑞平, 霍开子, 苏俊, 温记明, 李云秋

  液压与气动. 2022, 46(7): 136-142. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.07.018

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  针对如何减小往复泵瞬时流量脉动,首先分析了曲柄滑块式往复泵瞬时流量脉动的原因,然后提出了一种液压驱动的平流泵,并利用AMESim和MATLAB搭建了联合仿真模型。由于常规PID难以适应系统的变化,设计了用于3个液压缸控制的自适应模糊PID控制器,利用模糊控制规则,对PID参数进行在线自适应调整。仿真分析表明,液驱平流泵具有良好的流量平稳特性,一个周期内约80%的时间能保持严格意义的平流,其余时间内存在最大幅度约为8.4%的流量脉动,当出口压力在0～0.58 MPa之间变化时,也有良好的流量平稳特性。液驱平流泵与现有平流泵产品结构不同,可为平流泵的设计提供新思路。
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  双向切换电磁阀复位特性的优化设计

  王营军, 樊蕾, 文小平, 刘照智, 谢建明

  液压与气动. 2022, 46(7): 150-155. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.07.020

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  双向切换电磁阀广泛应用于运载型地面供气系统,阀位直接影响供气系统的压力变化。利用试验和仿真方法对双向切换电磁阀进行了研究,发现在先放气后断电再供气时,常闭侧存在窜气现象,通过在常闭侧背压腔增加复位弹簧的方式对结构进行了优化。结果表明:在常闭侧背压腔增加复位弹簧可以有效避免复杂工况下的窜气现象,常闭侧窜气量随着复位弹簧力的增加而减少。通过试验和仿真方法可以优化电磁阀的动态特性,对双向切换电磁阀的产品设计具有指导意义。
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  水下导向攻泥器钻进过程动力学建模及实验验证

  徐宝林, 杨双喜, 王俊杰, 陈英龙

  液压与气动. 2022, 46(7): 163-172. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.07.022

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  水下导向攻泥器是沉船打捞过程中重要的攻千斤洞作业工具,钻孔轨迹和导向精度直接决定了攻打千斤洞的质量。分析了水下导向攻泥器的钻进导向过程,运用土力学原理建立钻头负载力学模型,并提出采用圆孔扩张理论推演土壤的钻进形变力矩;在静力学分析基础上,采用牛顿-欧拉法建立钻头动力学方程,并在MATLAB对钻进过程进行仿真;最后对所建立的钻进动力学模型进行了实验研究。实验与仿真结果对比验证了所提出的水下导向攻泥器钻头数学模型的准确性。
综合应用
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  基于变溢流压力的电液机械臂节能控制策略

  张啸甫, 施光林

  液压与气动. 2022, 46(7): 25-30. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.07.004

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  针对电液系统能量效率过低的问题,以一款多自由度液压机械臂为研究对象,提出了一种可变溢流压力的非线性控制策略,实现电液机械臂位置跟踪的同时,降低系统的能量消耗。同时考虑了液压系统动态特性与机械臂动力学,建立了电液机械臂的数学模型,基于该模型搭建了动态面非线性控制器。通过模型中位移与压力的关系,反推出理想位移对应的理论溢流压力,由该压力控制比例溢流阀,实现可变溢流压力。通过仿真对比分析,该控制策略在保证液压机械臂位置跟踪精度的同时,与传统的定溢流压力相比,降低了能耗,从而验证了该方法的有效性。
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  基于增量非线性动态逆的液压执行器力控制策略研究

  解占新, 闫政

  液压与气动. 2022, 46(7): 74-82. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.07.010

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  针对液压执行器力控跟踪要求高度的非线性及不确定性的动力学模型问题,导致液压驱动系统高精度运动控制存在困难,提出采用一种基于传感器的增量式非线性动态逆控制方法来解决液压执行器的力跟踪问题。建立液压执行器动力学模型,理论分析了INDI控制策略在力控制模型上具有稳定性好、抗干扰能力强、系统标定范围大的优势。利用该控制器压力差导数作为反馈,不依赖于精确的液压执行器数学模型和参数标定,对模型不确定性具有固有的鲁棒性。仿真试验和理论分析表明: 采用高频率采样的INDI控制器力跟踪误差始终稳定在6%左右; 最大跟踪误差也不超过8%;对参数不确定性具有极强的鲁棒性。
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  基于加速寿命试验方法的伺服阀污染卡滞寿命分析

  王洪波, 黄智鹏, 张向英, 曹瑞康, 徐悦鹏, 孔祥东

  液压与气动. 2022, 46(7): 131-135. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.07.017

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  电液伺服阀因具有可靠性高、寿命长等特点而被广泛应用在飞机液压系统中,作为核心控制元件在系统中起电液转换和功率放大作用。在电液伺服阀服役期间油液污染会对整个阀的性能造成影响并大大降低使用寿命。针对此问题,分析了电液伺服阀的卡滞失效模式,得到不同尺寸颗粒的污染卡滞敏感度,利用加速试验方法,确定加速因子,采用污染卡滞加速寿命模型对不同污染度等级下电液伺服阀进行寿命评估。