2022年, 第46卷, 第8期　刊出日期：2022-08-15

  

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理论研究
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  轴向柱塞泵壳体降噪区域识别

  叶绍干, 李旭, 施嘉佳, 侯亮, 卜祥建

  液压与气动. 2022, 46(8): 1-10. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.08.001

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  为了精确识别轴向柱塞泵壳体降噪区域,首先,搭建液压-多体动力学耦合模型,求解结构噪声激振力;然后,分析零部件模态并试验验证,建立装配体有限元模型,开展基于模态的振动响应分析,通过振动实验验证模型准确性,搭建轴向柱塞泵声学边界元模型,分析其辐射噪声特性;最后,基于声学传递向量原理,开展模态及板面声学贡献量分析,对壳体噪声辐射板面进行合理划分,分析其对关键频率下辐射噪声的贡献量。研究表明:轴向柱塞泵振声模型具有良好的准确性;某板面在辐射噪声突出的1350 Hz频率下,其声学贡献量达到46.1%。精确识别了轴向柱塞泵壳体降噪区域,为其降噪优化设计提供有效指导。
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  液压马达变负载恒速控制动态特性对比

  刘杰

  液压与气动. 2022, 46(8): 11-16. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.08.002

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  对比分析了液压马达变负载恒速控制的3种形式:变转速电机控制、比例阀控制、比例泵控制。针对每种控制形式的控制方法和特点,分别建立了3种恒速控制形式的数学模型,并对其响应特性作出预测。通过实验得到3种控制形式的动态响应曲线,对比发现阀控系统超调量最大,响应时间最短;泵控系统超调量最小,响应时间最长;变转速电机响应特性处于两者之间。基于PID控制对3种恒速控制动态特性进行了对比,有助于液压马达在不同工况要求下选择不同的恒速控制模型。
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  闭式泵控新型液压-机械执行器位置控制特性

  倪豪, 葛磊, 权龙, 赵斌

  液压与气动. 2022, 46(8): 44-51. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.08.006

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  滚珠丝杠具有高精度、阻力小、效率高等优点,是工业上常见的变回转运动为直线运动的执行机构。为使其充分结合液压系统功重比大的特点,提出了一种新型的液压-机械执行器系统,该系统在电动缸的基础上,采用液压马达替代电动机驱动滚珠丝杠,并推导出其数学模型。在多学科仿真软件SimulationX中建立了该系统的物理模型,对系统的闭环位置控制特性进行了仿真研究。结果表明:闭式泵控新型液压-机械执行器系统可以实现快速、准确、稳定的位置控制;当正弦信号的幅值为50 mm时,系统的带宽为0.52 Hz;系统具有良好的抗负载干扰能力。
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  变螺距双螺杆压缩机性能分析

  宋健忠, 何雪明, 范海港, 龙骥, 卢立新

  液压与气动. 2022, 46(8): 52-57. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.08.007

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  针对双螺杆压缩机螺距更改时其性能参数的变化,首先,探索双螺杆压缩机性能主要影响因素,并推导主要因素接触线长度、泄漏三角形面积以及面积利用系数的计算公式;然后,使螺杆的螺距按照一定规律的变化,分析螺距变化对双螺杆压缩机性能的影响,通过MATLAB绘制螺杆的螺旋展开线并对螺旋线连续性进行分析;最后,得到一段式、两段式、三段式变螺距螺杆转子对压缩机性能的影响。结果表明,中间段变螺距对双螺杆压缩机性能有明显的提升效果。
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  升沉补偿系统多目标构型优化

  洪黎, 柏文峰, 张超, 钱于杰

  液压与气动. 2022, 46(8): 70-79. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.08.009

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  升沉补偿系统是海洋作业的重要保障装备,影响着海洋作业的稳定性和安全性。随着多样性任务需求的增加,结构多样、适用于不同量级的升沉补偿系统从工厂走向市场,补偿效率不再是评价升沉补偿系统好坏的唯一标准。在对升沉补偿系统工作原理分析的基础上,确定了优化的对象为补偿装置构型、液压泵数量和蓄能器数量,并获得了基本解集。在多目标优化阶段,以可靠性、成本和补偿效率为目标函数,通过非支配排序获得Pareto优化解集,最后通过层次分析法对Pareto优化解集中的每个构型进行打分,获得最优构型。
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  压力容器-管路-安全阀系统变保真度仿真模型研究

  宗超勇, 李清野, 周威豪, 宋学官, 颜少华

  液压与气动. 2022, 46(8): 80-86. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.08.010

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  针对能源工业领域中常见的压力容器-管路-安全阀系统(以下简称:压力系统)开展了系统级变保真度模型的研究。从提高模型的仿真效率同时保证计算精度的角度出发,分别基于等效压力点方法、特征线理论和CFD技术对压力系统中的压力容器、连接管路和安全阀进行了元件级模型的构建和系统级模型的耦合。为了验证提出的建模方法的准确性,结合已有的实验结果进行了模型的精度验证,结果表明,构建的系统级变保真度模型具有较好的压力系统动态特性仿真能力,能够对压力容器和管路内的压力波动以及弹簧式安全阀的动态响应进行准确的计算。
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  喷油对双螺杆压缩机的温度场和油分布的影响

  李哲辉, 赵永强, 田智永, 刘石, 王大海

  液压与气动. 2022, 46(8): 87-94. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.08.011

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  为了研究双螺杆压缩机在不同喷油工况下流场力学特性和优化喷油效果,建立了双螺杆空压机工作过程的数值计算模型。采用计算流体力学(CFD)和多相流(VOF)模型对螺杆压缩室内的油分布和温度场进行研究。通过对喷油口的直径、位置、个数进行比较分析,研究发现,2个喷油口注油比单个喷油口注油存在明显优势,单侧喷油即使增加喷油量,对油液分布影响不大且会增加功率;双侧喷油使得压缩机腔室油液分布和温度分布更加均匀;在相同的喷油量下,双侧喷油比单侧喷油降低1.27%的功率。
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  2D伺服阀矩形和弓形先导级气穴特性及影响因素

  陈伟杰, 陆倩倩, 黄程威, 阮健

  液压与气动. 2022, 46(8): 95-100. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.08.012

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  二维(2D)伺服阀因其阀芯集旋转和平移运动于一体,且具有先导控制和功率放大的特性,被广泛应用于航空、军工等领域的液压系统中。由于伺服阀先导级的节流口面积非常小,流体流经此处后会因压力骤降而产生气穴现象,将直接影响伺服阀的工作特性。利用Fluent软件,在不同的阀口开度、敏感腔体积、入口压力下,对矩形和弓形2D伺服阀的先导级阀口和流道进行了两相流仿真。结果表明:矩形和弓形先导级阀口均存在一个最佳开度,对气穴现象的抑制能力最强;矩形先导级结构内的气穴现象,受敏感腔体积变化的影响较明显;入口压力越大,敏感腔体积越大,气穴现象越显著,先导级内气体含量越多。
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  沥青洒布车喷嘴雾化特性数值模拟及参数优化

  同志学, 李晨宇, 解妙霞

  液压与气动. 2022, 46(8): 101-107. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.08.013

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  针对沥青洒布车横向洒布不均匀现象,对喷嘴的结构参数进行优化,以改善沥青洒布过程中的雾化质量。基于正交试验原理设计以喷嘴半球直径、切槽深度、切槽角为优化参数,以索特尔平均直径D₃₂及分布均匀性指数N为雾化特性指标的仿真方案。将VOF(Volume of Fluid)方法与DPM (Discrete Phase Model)方法进行耦合,通过VOF-to-DPM方法对喷嘴的试验方案进行仿真分析,并结合响应面法建立回归模型,优化求解获得最佳参数组合。结果表明:喷嘴的半球直径、切槽深度、切槽角对雾化特性有显著影响,且半球直径与切槽角之间存在显著的交互作用;喷嘴优化后在雾化质量上有显著提升,D₃₂减小了25.26%,N增加了10.27%。
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  汽车暖通空调气动噪声仿真

  梁晨, 秦傲, 赵云龙, 黄钦明, 张帅

  液压与气动. 2022, 46(8): 108-115. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.08.014

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  为研究汽车暖通空调气动噪声特性,以某车型汽车暖通空调为研究对象,通过风阻试验对滤清器和蒸发器进行等效处理,建立仿真模型;基于流体动力学和气动声学理论,结合宽频带噪声源模型和FW-H模型,预测声源分布和噪声特性;将仿真结果与试验结果进行对标验证,出风口风量最大误差为6.7%,最小为2.1%,噪声频谱特性具有较高的一致性。结果表明,Curle噪声源主要分布在鼓风机和空调箱壁面,近场以旋转噪声为主,远场宽频噪声占主导。可适当通过减小叶片与空气接触面积、增加叶片数量、调整蜗舍角度和间隙、增加导流装置等措施降低暖通空调工作时产生的噪声,为汽车暖通空调前期开发提供一种研究方法。
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  对置式机动往复泵流量脉动及影响因素

  宫志康, 魏修亭, 朱昶昊, 荆学敏, 王永琪, 刘川

  液压与气动. 2022, 46(8): 123-131. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.08.016

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  为降低对置式机动往复泵流量脉动率,根据对置式机动往复泵的结构特点和工作原理,建立瞬时流量数学模型和仿真模型,探究不同结构参数对流量脉动的影响。研究表明:该类泵流量脉动周期受柱塞对数m影响,柱塞对数m为奇数时流量脉动较低,m越大脉动越小;曲柄错角在180°和360°均布时,流量脉动最小;连杆比对流量脉动没有影响。该研究为该类泵的优化设计提供了理论基础。
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  新型双腔油气式磁流变减震器阻尼特性分析与仿真

  祝世兴, 李佩窈, 魏戬

  液压与气动. 2022, 46(8): 142-147. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.08.018

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  针对双腔油气式减震器无法根据外部环境激励的改变而调节自身阻尼特性变化的问题,基于磁流变原理,设计了一种适用于飞机起落架系统的双腔油气式磁流变减震器。为提升该减震器的减震性能,增加可控阻尼力初始值及其变化范围;在现行双腔油气式减震器的基础上优化了内部结构参数;采用孔缝结合的方式对双腔油气式磁流变减震器阻尼通道进行了重新设计;依据阻尼通道形式完善了磁路设计与优化;利用有限元方法分析了内部磁场特性;并对比分析了不同阻尼通道形式下的最大输出阻尼力与可控阻尼范围。结果表明:优化后的节流通道处磁感应强度分布更为均匀,孔缝结合的阻尼通道形式实现了较大初始阻尼力的输出,增加了可变阻尼力调节范围。
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  基于变幅信号前馈和倾角反馈的调平性能提升

  赵燕, 王骏, 焦祥, 吴广宁

  液压与气动. 2022, 46(8): 155-161. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.08.020

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  为解决初始变幅起升时消防车工作平台与水平面的夹角超调量大的问题,结合测试数据及电液系统参数,利用多学科耦合仿真分析的方法,搭建变幅起升和调平系统的仿真模型,对影响调平性能的潜在影响因子进行了定量分析并提出改进方案。仿真结果和整机测试数据均表明:在工作平台倾角反馈控制的基础上,引入电液比例变幅阀的控制信号作为前馈信号,同时设置合理的电液比例调平阀的死区补偿量,可有效提高初始变幅起工况下的调平性能。对提升消防车的调平系统性能具有借鉴意义和参考价值。
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  离心式液氢泵的动力特性与传热特性分析

  邵雪, 李承霖, 胡康, 黄鑫

  液压与气动. 2022, 46(8): 162-170. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.08.021

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  对输运液氢的离心式液氢泵进行低温结构设计与动力单元分析,叶轮是速度能转变为压力能获得高压流体的重要部件,对离心泵的稳定输出特性有较大的影响。其中,转子(包括转轴和叶轮)是连动部件,也属于低温泵结构性传热部件。对应用于储运系统的某小流量高压头的离心式液氢泵的叶轮和转轴部件,进行功能分区,利用CFD内嵌模块对其进行数值计算。根据运行系统中输送载荷,对低温条件下的转子部件进行热-结构耦合瞬态应力应变分析,获得其动力特性;采用流固耦合方法,对叶轮区的流体域进行数值计算,分析不同流体载荷下叶轮表面应力分布;对低温离心泵轴-叶轮的传热区进行设计,分析低温-室温隔热效果,为离心式液氢泵的设计研发、结构优化和性能改进提供理论依据和参考。
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  聚焦型微通道内气泡生成特性数值模拟

  康宇, 胡晓玮, 来星辰

  液压与气动. 2022, 46(8): 171-177. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.08.022

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  微气泡因具有比表面积小和稳定性好等特点被广泛应用于污水处理和矿物浮选等领域。为了高效获得稳定的微气泡,利用COMSOL软件研究了聚焦型微通道中气、液相流速、表面张力、液相黏度和壁面润湿性对气泡生成的影响。结果表明:当气相流速增加时,气相克服表面张力的能力增强,气泡的脱离尺寸和频率增大,脱离时间减小;液相流速增加时作用在微气泡上的惯性力和剪切力增大,气泡脱离时间和脱离尺寸均减小;表面张力增大时气泡脱离时间和脱离尺寸增大,脱离频率减小;液相黏度增大时,作用于气泡的黏性力随之增大,气泡的脱离时间和脱离直径均随之减小,脱离频率增大;接触角从40°增大到180°,气泡的脱离尺寸和脱离时间整体先增大后减小,脱离频率先减小后增大。
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  变工作条件下齿轮泵特性分析

  王霞琴, 邓龙, 柴红强, 曹川川

  液压与气动. 2022, 46(8): 178-188. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.08.023

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  实际液压系统的工况条件始终处于动态演变过程。变化的工作条件使得介质基本属性产生重大改变,由此造成齿轮泵流动特性出现变动。为了研究齿轮泵特性随工作条件的变化规律,在正交试验方案基础上基于动网格技术及两相流模型对考虑内泄漏的三维内流道有限元模型进行数值计算。详细分析了在0~0.01005 s的时间内不同试验对应的瞬时流量、瞬时压力以及瞬时输入功率曲线的变化进程,准确获取了影响流量脉动率、容积效率及总效率的各因子主次关系及对应的变化规律。得到了流量脉动率很低,容积效率及总效率尽可能高的工作条件。
工程技术
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  遗传算法与LuGre摩擦模型的非线性摩擦力观测器设计

  黄智鹏, 徐悦鹏, 曹瑞康, 付承伟, 任旺, 孔祥东, 李文锋

  液压与气动. 2022, 46(8): 58-69. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.08.008

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  广泛存在于机械系统中的摩擦现象在系统处于低速运动时会表现出复杂的强非线性特征,将大幅度降低系统位置控制性能,因此需要将摩擦现象进行模型化分析并纳入系统特性。对常见的摩擦模型进行了介绍和分析;并以能够较为全面描述摩擦现象丰富特性的LuGre摩擦模型作为基础,讨论并分析了其数学特性;采用遗传算法对其6个未知参数进行识别,设计了一种非线性摩擦力观测器。通过仿真与试验,对遗传算法的有效性和摩擦力观测器的效果进行了验证。试验表明,提出的摩擦观测器与传统摩擦模型相比,能使系统跟随滞后量减小40%,实现系统理想的控制性能和轨迹跟踪精度。
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  可移动燃油自动加注装置设计

  郝振兴, 刘金涛, 朱永刚, 王基月, 康喜富

  液压与气动. 2022, 46(8): 116-122. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.08.015

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  为了解决某特种装备缺少高效安全可靠的燃油自动化加注装置的问题,提出了一种可移动燃油自动加注装置的设计方案。针对加注装置对其机械系统进行了设计,利用触摸屏和接口控制技术设计了加注装置的电控系统。电控系统硬件基于西门子触摸屏和S7-200 Smart PLC,使用触摸屏编写软件WinCC flexible SMART V3及下位机PLC程序编写软件STEP7-Micro/WIN SMART编写算法程序来完成数据的采集和控制等功能,并通过以太网接口实现上位机触摸屏和下位机PLC之间的实时通信。结果表明,设计的可移动自动加注装置高效、安全、可靠,且定量加注精度达到±0.3%,为液体加注提供了一定的方法和参考。
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  联体泵-马达壳体内部流动传热特性

  王娟, 王涛, 袁怀杰, 孙成珍, 赵亮

  液压与气动. 2022, 46(8): 132-141. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.08.017

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  联体泵-马达在正常运行过程中,冲洗冷却流动并非直接作用于摩擦副发热位置,使壳体内部的流场存在局部过热的风险,影响整机可靠性和寿命。因此采用了Mixture多相流模型及自编程的网格变形运动和轴承出口控制程序,建立了泵-马达壳体内部流场流动传热特性数值仿真模型并进行了实验验证,模拟分析了油-空气两相流场和温度场,揭示局部热点形成位置和机理,最后设计了冲洗冷却方案。结果表明:泵侧温度沿周向均匀分布,马达侧温度呈上高下低分布,流场最高温度在球碗表面;分散布置泵侧和马达侧出口位置及增大冲洗量可降低流场最高温度,冷却冲洗入口分散布置可改善流场温度分布的均匀性。
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  考虑3D打印工艺约束的液压流道拓扑优化设计

  官杰, 张文群

  液压与气动. 2022, 46(8): 148-154. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.08.019

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  为了解决传统液压阀块体积笨重、制造工艺繁琐且效率损失大的问题,使用3D打印和流体拓扑优化相结合的方法对液压流道进行优化设计。以入口和出口处压差最小为目标,通过流体拓扑优化对常见的液压阀体T形通道进行优化,得到更加符合流体特性的流道,并设计了可以无支撑进行3D打印的圆角正方形截面形状,进行了3D打印试验,优化后的流道3D打印成形效果较好。利用Fluent进行流体仿真,结果显示,当入口流速在2~5 m/s时,优化后的流道有效避免了气穴的形成,最大压力减小了40%以上,入口和出口处压差减小了28%以上,湍流改善了85%以上,流体性能得到显著提升。
综合应用
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  支架安装车保压夹具系统设计分析

  施发永, 张富榕, 刘志双, 李科军, 代四飞, 吴建建, 苏杰, 杨岳

  液压与气动. 2022, 46(8): 17-25. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.08.003

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  针对核岛内支架安装车夹持支架焊接安装时易发生掉落的现象,设计一种能够适应不同支架截面尺寸且有效保持夹持力的保压夹具系统。通过分析夹具系统结构组成和工作过程,建立夹持系统键合图模型和动力学方程,基于AMESim仿真分析支架夹持过程中油缸泄漏工况下系统工作特性,并在样机上搭建试验平台进行测试。结果表明:由于负载敏感系统的压力流量自适应作用,变量泵输出流量稳定,活动夹勾转动平稳;夹具夹持支架焊接过程中,蓄能器能及时补充系统泄漏的油液,保持工件夹持力在安全值之上,且当油缸夹持压力低于安全值时,高压待命的变量泵可及时为蓄能器充液;所建动力学模型仿真结果与试验数据吻合较好,为进一步优化保压夹具系统提供参考。
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  基于VMD和LSTM模型的航空液压管路卡箍故障诊断

  张小龙, 汪曦, 于晓光, 薛政坤, 崔芷宁, 吕佳文

  液压与气动. 2022, 46(8): 26-33. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.08.004

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  航空发动机液压管路-卡箍系统中卡箍振动信号具有非线性和非平稳性的特点,难以从卡箍故障信号中准确识别出其故障类型。针对该问题,提出了一种基于变分模态分解(Variational Mode Decomposition,VMD)-长短时记忆(Long Short-Term Memory,LSTM)神经网络模型的智能故障诊断方法。首先,利用遗传算法对VMD的模态分量k值和惩罚因子α进行参数优化;然后,将优化后的VMD对卡箍故障振动信号进行分解处理;最后,将分解后的模态分量输入LSTM网络中进行特征学习,从而实现卡箍故障的识别。实验表明:该方法实现了对卡箍螺栓松动状态、根部断裂状态、衬垫磨损等3种典型故障的精准识别,故障总体识别准确率能够达到98.5%以上,有效地提高了航空液压管路卡箍故障识别的准确率。
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  活塞式膨胀机的性能分析与试验验证

  虞启辉, 李晓东, 李晓飞, 田利, 谭心, 张业明

  液压与气动. 2022, 46(8): 34-43. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.08.005

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  针对活塞式膨胀机的工作过程,利用能量方程、气体状态方程、拉格朗日方程等建立了非线性瞬时的热力学和动力学模型,实现对系统的精确建模和性能研究。利用MATLAB/Simulink得到的仿真转速/功率与实验平台测得的转速/功率进行比较,验证了数学模型的正确性。通过仿真模型研究了进气压力、负载扭矩对活塞式膨胀机系统性能的影响,并分析了进气温度对系统性能的影响。研究表明:在一定压力条件范围内,随着负载扭矩的增加,活塞式膨胀机的输出功率和效率分别增大到一定峰值后减小,最大峰值功率为3.97 kW,最大峰值效率为38.8%;负载扭矩40 N·m,进气压力2 MPa时,排气阶段的压力为 0.55 MPa,占进气压力的27.8%;提高进气温度会提高系统的输出功率和效率。