2022年, 第46卷, 第9期　刊出日期：2022-09-15

  

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专题
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  挖掘机多路阀阀口冲蚀磨损研究

  高泽坤, 潘鑫, 罗一牛, 李世振

  液压与气动. 2022, 46(9): 1-13. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.09.001

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  针对挖掘机多路阀阀口易发生冲蚀磨损导致性能下降及失效的问题,以回转联作为研究对象,建立了以DPM离散相模型和Edwards冲蚀模型为基础的计算模型,并通过Fluent软件模拟了不同流量、阀口开度和颗粒属性下的阀口冲蚀磨损情况,针对发生冲蚀磨损最严重的阀芯区域,分析并得到了冲蚀磨损分布和冲蚀磨损率随流量、阀口开度和颗粒属性的演化规律。结果表明:阀口的冲蚀磨损情况会随流量、阀口开度和颗粒属性的变化而规律变化,对于阀芯部位,磨损面积会随阀口开度变小而变小、随流量增大而增大;开度减小和流量的增加会引起阀芯冲蚀磨损率增大,其中冲蚀磨损率对阀口开度的变化较为敏感,在小开度情况下会出现磨损率的大梯度变化情况,而流量则对冲蚀磨损率影响较为平缓;当固体颗粒在油液中的质量一定时,颗粒直径的变化对阀芯冲蚀磨损率有较大影响。
理论研究
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  气动系统节能方法研究进展综述

  姜忠爱, 于赢水, 熊伟, 苏迅钊, 杜明泽

  液压与气动. 2022, 46(9): 14-21. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.09.002

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  针对影响气动系统效率的主要因素,从提高压缩空气制气效率、余热利用、分压供气、减少泄漏和残余能量回收再利用等节能手段,介绍了当前国内外气动系统节能的主要技术进展和新的研究成果,并进一步分析了各种节能方法的特点,提出了未来气动系统节能技术的研究重心和发展方向。有助于为探索新的节能理论和方法提供启发,推动行业技术进步。
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  旋挖钻机卷扬装置电液混合驱动系统特性

  刘华坤, 权龙, 郝云晓, 黄家海, 李运华

  液压与气动. 2022, 46(9): 22-29. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.09.003

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  现有旋挖钻机卷扬系统是由阀控液压马达驱动。作业过程中,该系统存在非常大的节流损失;而且工作装置下放过程中,大量重力势能经控制阀节流作用转化为热能耗散掉,造成整机能效较低。为此,提出一种卷扬装置电液混合驱动系统,电动机作为主驱动,控制工作装置运动,降低节流损失;液压泵/马达与蓄能器等组合,构成能量回收单元,回收利用重力势能,辅助电动机驱动卷扬装置。分析了液压卷扬、电动卷扬与电液混合驱动卷扬系统的工作原理和运行特性,建立了旋挖钻机机电液多学科联合仿真模型,对不同驱动系统的运行和能量特性进行研究。结果表明,电液混合驱动系统具有良好的运行特性,相较于液压、电动驱动的卷扬系统,可节能27%~66%。
工程技术
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  液压驱动下肢外骨骼系统设计与控制研究

  孙翰, 韩亚丽, 李沈炎, 史传棋

  液压与气动. 2022, 46(9): 30-37. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.09.004

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  研究基于液压驱动的下肢外骨骼机器人,旨在实现人体下肢的运动康复。设计结构紧凑型液压驱动下肢外骨骼整体机构。建立了下肢外骨骼多连杆机构模型,基于拉格朗日法对模型进行动力学分析。针对下肢外骨骼的快速随动控制提出了一种滑模控制器,并运用MATLAB进行了控制仿真模拟,仿真结果表明,外骨骼采用该控制算法具备良好的跟踪效果。搭建了外骨骼系统软硬件平台,通过预设步态跟踪控制实验,验证了机构的合理性与控制算法的有效性。
综合应用
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  液压阻尼回路在《液压传动》教学中的应用探讨

  刘成强, 姜继海, 罗念宁, 陈跃, 张磊

  液压与气动. 2022, 46(9): 38-44. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.09.005

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  液压传动在众多领域有着广泛的应用,是工科大学生的必修课程。典型液压阀与液压回路是液压传动课程的学习重点与难点。针对液压元件符号过于简化不能体现细节,液压元件结构图结构复杂多样、不够凝练和抽象的问题,对液压阻尼回路在液压传动课程教学中的应用进行了探讨。给出了典型液压阀、典型调速回路、LS系统、LUDV系统的阻尼回路原理图;通过阻尼回路可以更方便理解不同液压元件、液压回路的工作原理。提高了液压传动课程的教学效果及学习效率。
理论研究
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  基于转速转矩双闭环的液黏调速控制方法研究

  汪首坤, 王晓军, 王亮, 郭刘洋, 汪浒江

  液压与气动. 2022, 46(9): 45-52. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.09.006

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  液黏风扇调速系统存在滞环、死区、饱和区等多种非线性特性,在调速过程中,其输入输出关系曲线存在最大可达44%的滞环和大约为43%的死区,非线性度最大可达30%。设计了转速-转矩双闭环模糊控制策略:结合Stribeck摩擦理论,按照稳态曲线的分段线性规律将控制过程分段,获得模糊控制表;基于扩展卡尔曼滤波环节修正转矩测量值,从主动轴与从动轴之间的转矩传递关系分析输出转速变化规律,并进行试验验证。结果表明:相比于PID控制策略,所提出的控制策略将转速误差降低了75%,滞环减小至小于11%,消除死区,拓宽控制电压输入范围,有效改善了系统稳态调速过程中表现出的非线性滞环和死区现象。
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  声空化条件下传动液中空气析出与溶解过程的研究

  陈益宏, 徐刚强, 李孝禄, 陈源, 李运堂

  液压与气动. 2022, 46(9): 53-62. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.09.007

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  传动液中空气的析出与溶解影响传动系统的控制精度。传动液起到传递动力的作用,本身会溶解少量空气,溶解的空气随着压力的变化产生溶解和析出过程,破坏了液流的连续性,造成传动性能的下降,甚至影响传动系统的使用寿命。为此,基于斜压流模型,引入气体析出与溶解的气泡模型,建立传动管内的气液两相流含气率模型,考虑空气质量分数和体积分数,得到空化流动相关方程式。采用特征线法和一维有限差分法求解,获得了气液两相流主要参数的变化,包括空气析出与溶解时间常数、压力和温度对含气率的影响,并研究了含气率对体积弹性模量的影响。结果表明:传动管内的传动介质压力越大,空化程度越少;空气析出速率越小,含气率越低。传动介质受压引起其温度的变化;在空化区域,温度变化较小。当传动管内压力高于空气分离压时,传动介质的压力和体积弹性模量随含气率增大而减小;当压力低于空气分离压时,发生空化现象,含气率增加较快,但对体积弹性模量影响较小。
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  基于节流-分流耦合的高压高速节流口空化抑制方法

  于瑞, 韦文术, 胡经文, 卢海承, 马思宇, 郭宗凯, 周华, 杨华勇

  液压与气动. 2022, 46(9): 63-69. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.09.008

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  开展高压高速节流口的空化抑制方法研究是提升阀的寿命和可靠性的关键环节。针对高压高速节流口空化破坏严重的问题,提出了一种基于节流-分流耦合的空化抑制方法。该方法采用多级节流的方式,实现阀口压降的多级承担,有效减小阀口压力梯度并降低流速;通过在阀出口采取多排孔分流的方式,改善流线布局,减少流体冲击。以电磁卸荷阀为例,分析卸荷阀动态性能,获得高压高速节流口实际工况,开展高压高速工况下节流口流体仿真。仿真结果显示,相较多级节流方式和多孔分流方式,所提出的方法可显著改善流场的压力和流速分布,实现了阀口空化现象的有效抑制。
工程技术
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  一种新型复合式电磁驱动燃气喷射装置的设计与分析

  范新宇, 庞红岩, 姚寿广

  液压与气动. 2022, 46(9): 70-79. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.09.009

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  作为国际远洋船舶的主要动力装置,采用加入气体燃料的低速柴油机在实现节能减排方面拥有巨大潜力。燃气喷射装置作为缸内直喷的核心执行机构,对内燃机燃烧品质和热效率有着重要影响。针对现有电磁驱动喷射装置存在的流量小、驱动力弱等不足,提出一种新型复合式电磁驱动燃气喷射装置。首先,针对驱动机构及阀体提出新的设计思路,通过有限元方法分析了驱动机构的电磁特性及阀体流动特性,验证了设计可行性;其次,建立喷射装置的CFD仿真模型,归纳了流量特性规律;最后,建立试验平台,测试了驱动机构的稳/动态特性。仿真与试验结果表明,新型复合式电磁驱动燃气喷射装置具有高效节能、快响应、高精度的动态特性,对缸内预混特性等具有显著的改善效果。
理论研究
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  某型号液压打桩机环形阀组回油流场理论计算与仿真分析

  周海勇, 宋颜和, 王小强, 孔祥东, 王琳, 曹立钢

  液压与气动. 2022, 46(9): 80-85. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.09.010

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  液压打桩机是利用液压油压力来传递动力,驱动打桩锤进行打桩作业的装置,在海洋工程领域有着广泛应用,为获得某型号液压打桩机环形阀组回油流场特性,对其进行了理论计算与仿真分析。首先通过数学模型从理论上计算出回油流道的压力损失;然后利用Fluent仿真软件得到了回油流道在不同阀口开度下的压力云图以及速度云图;最后在不同阀口开度下将理论计算与仿真模拟结果进行了对比。结果表明:理论计算结果与仿真模拟结果趋势相同,并且流体在阀芯表面会形成局部高压,在阀口周围以及阀芯中部的局部表面会产生旋涡。研究成果为液压打桩机中环形阀组的设计提供了一定参考和借鉴。
综合应用
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  一种气动机器人垃圾分拣系统的设计与分析

  王华

  液压与气动. 2022, 46(9): 86-91. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.09.011

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  为解决垃圾分拣实现自动化分拣的问题,提高生产效率,降低生产成本,设计了一种气动机器人视觉垃圾分拣系统。利用气压控制回路实现对机械手运动的控制,采用棋盘格标定法对相机进行标定,标定结果误差相对较小。实验结果表明:利用气压控制的机械手定位和抓取效果良好。利用棋盘格标定的相机,机械手抓取平均误差小于3 mm。该分拣系统在一定条件下能够满足垃圾分拣,具有结构简单、易操作、分拣精准、效率高、成本低等特点,为后续实现垃圾智能化分拣设备研制提供参考依据。
理论研究
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  矿用自卸车两级压力式油气悬架特性分析

  王刚锋, 刘湘, 杜腾, 索雪峰, 张赟熙

  液压与气动. 2022, 46(9): 92-98. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.09.012

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  矿用自卸车具有载重量大、能够在恶劣路况行驶的特点,油气悬架因其刚度和阻尼的非线性特性能较好适应外载荷激励变化,在大型工程车辆中得到广泛应用。为解决单气室油气悬架在车辆重载时刚度过高的问题,设计了一种新型两级压力式油气悬架,并以某型矿用自卸车1/4油气悬架为研究对象,通过仿真和实验对比分析了单气室油气悬架与两级压力式油气悬架在通过路面障碍物时的系统输出特性。结果表明:通过高度120 mm的路面障碍时,与单气室油气悬架相比,两级压力式油气悬架的油缸峰值压力降低了12.54%;活塞压缩行程的最大位移增加了37 mm,这将更有利于保持车身姿态,提高防侧倾能力;车辆振动的加速度峰值降低了26.10%,功率谱密度峰值降低了27.52%,车辆行驶平顺性得到明显改善。
工程技术
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  二维活塞泵空间凸轮的建模与实验

  丰章俊, 陈勇, 阮健

  液压与气动. 2022, 46(9): 99-105. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.09.013

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  电静液作动器是当下十分热门的液压技术,与传统液压系统相比,在集成度、效率、功率密度方面具有明显优势。电动泵是EHA技术的关键,二维活塞泵的结构紧凑简单,摩擦副可靠性高,能够适应EHA的工况。空间凸轮是二维活塞泵最重要的零件,其建模和加工误差会影响泵的性能。为了获得更高精度的凸轮,通过三维空间的包络法,计算出滚子与凸轮的接触位置,结果说明接触线为一条空间曲线;建立了空间凸轮廓面的数学模型;通过先拟合再求解的数值方法,得到了凸轮廓面三角形网格上的平均曲率;用加工中心加工了凸轮,装配后与滚子的贴合度较好,机械效率较高。
理论研究
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  高速轴向柱塞泵柱塞腔空化机理研究

  陈远玲, 张阳, 闫明洋, 金亚光

  液压与气动. 2022, 46(9): 106-115. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.09.014

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  针对高速轴向柱塞泵内的空化问题,以某型号高速轴向柱塞泵为研究对象,搭建了其CFD数值仿真模型,研究柱塞泵旋转过程中的空化机理及演变规律。首先,对额定工况下柱塞泵的空化现象进行可视化分析,揭示空化的发生位置及在该位置处产生空化的机理;其次,以转速为变量,研究转速对空化的影响规律及其影响机理。结果表明:空化主要发生在柱塞腔内,充液率不足和流体漩涡影响是空化的主要原因;空化程度随着转速的升高而不断升高,这是由于流体流速的提高导致静压低,另一方面流体的离心力增大造成了充油率不足,同时还使流体进入柱塞腔的射流角增大;最后,根据空化机理对柱塞缸体底孔进行结构改进。在额定工况下,改进后柱塞腔内的空化程度与改进前相比下降了59.3%,空化抑制效果显著。
工程技术
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  基于Triplet loss的电磁阀故障识别方法

  张文啸, 孟国香, 叶骞

  液压与气动. 2022, 46(9): 116-125. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.09.015

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  针对电磁阀故障识别对专家知识依赖过高,现有智能诊断系统多需要人为提取信号特征等问题,以某型号电磁阀作为研究对象,人为设置故障工况,采集各种工况下的多通道运行数据,利用TensorFlow平台搭建了对该电磁阀的端对端故障识别模型。此外,在此基础上又提出了基于Triplet loss函数的改进模型,并进行了验证测试。结果表明,基于Triplet loss的故障识别模型除具有更高的识别准确率之外,对于在不同动作频率下工作的电磁阀信号有更好的泛化能力。
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  水下可移动多弹气动发射系统设计与仿真分析

  康会峰, 宣佳林, 代浩然, 王会程, 王景田, 马秋生

  液压与气动. 2022, 46(9): 126-131. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.09.016

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  针对水下可移动多弹气动发射的研究需求,对水下可移动多弹气动发射系统进行了整体设计,重点研究了弹丸的气动发射技术,建立了水下可移动多弹气动发射结构模型。通过对发射单元的有限元分析,发现发射筒与分割气室上下接触面的应变和变形量最大,但最大应变和变形量数值较小,3个发射筒往中心微偏,对发射过程没有影响。最后进行了试验研究,通过分析图片中弹丸的移动距离,绘制了水下弹丸发射的位移-时间曲线和速度-时间曲线,验证了多弹发射系统设计的可行性及可靠性,对水下发射过程中的空化现象、多弹干扰技术、水下弹道控制以及流场显示等方面的研究有重要的意义。
理论研究
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  面向飞机刹车压力伺服阀的电磁切断阀开启特性优化研究

  陈龙, 葛声宏, 包逸平, 朱玉川

  液压与气动. 2022, 46(9): 132-137. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.09.017

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  电磁切断阀是飞机刹车系统的重要组成部分,电磁切断阀的动态响应对刹车压力快速控制有着重要影响。通过构建电磁切断阀AMESim模型,利用仿真分析研究切断阀的动态响应特性,并找出主要影响因素;为解决切断阀开启过程中负载腔出现的压力振荡现象,通过活塞左端油路添加节流阻尼孔、主阀芯重叠处开先导槽两种优化结构进行仿真分析,发现增加节流阻尼孔,能够降低压力振荡的最大压力值,但是会延长压力上升时间;而阀芯重叠处开先导槽的方法尽管对于压力振荡基本没有影响,但能在一定程度上缩短压力上升时间,加快压力响应,进而实现更快速的刹车压力控制。
工程技术
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  气动肌肉关节的刚度分析及变刚度运动控制

  王悠草, 周祎博, 崔小红, 周坤, 王斌锐

  液压与气动. 2022, 46(9): 138-148. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.09.018

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  根据人腿髋关节、膝关节骨骼结构及拮抗肌肉运动发力特点,设计一种拮抗气动肌肉驱动的仿生单腿机器人;由三元素模型求单根肌肉及关节摆动下被动刚度特性,分析关节角度/刚度关系;为实现仿生腿膝关节刚度可控的角度控制,建立仿生关节关于角度/刚度的基本气压解算模型;基于计算力矩控制对非线性对象具有高度补偿线性化性,提出含力矩项补偿的改进气压解算模型。搭建仿真及样机实验平台,结果表明,含两种气压解算模型的双闭环控制算法均能较好跟随膝关节角度/刚度,含带力矩项补偿模型的双闭环控制算法对膝关节的角度/刚度控制精度优于含基本模型的双闭环控制算法。该算法适用拮抗气动肌肉关节的类人运动,可满足人机协作时可靠性、柔顺性、仿生性等要求。
理论研究
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  气液联合式碎石器建模与仿真分析

  赵彦军, 毛文亮

  液压与气动. 2022, 46(9): 149-157. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.09.019

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  气穴是流体机械中常见的一种有害现象。针对气液联合式碎石器中出现的气穴现象以及目前使用的仿真模型均未考虑内油道形状与对应液阻,在分析主运动件及内流道数学模型的基础上搭建了包含局部阻尼损失的整机仿真模型,根据影响气穴的参数类型及对应取值范围设计了正交试验方案,在此基础上进行了仿真分析。结果显示:活塞运动周期基本不受因子及对应水平组合的影响;活塞质量及氮气室初始容积是影响活塞后腔最低压力及冲程最大速度的主要因子,同时后腔最低压力及最大速度均与活塞质量及氮气室初始容积呈负相关;由于回弹力作用,活塞打击钎杆后并未作停顿而是立即加速回程。
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  超高速切线泵扬程系数试验

  郝小龙, 赵经明, 张明根, 唐慧慧, 解俊良

  液压与气动. 2022, 46(9): 158-165. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.09.020

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  为获得切线泵在超高工作转速下的扬程系数、摩擦功耗损失、温升特性与工作转速关系,针对外径42 mm的8叶片切线泵开展了试验研究,将切线泵装配至涡轮轴系上,通过高压氦吹驱动涡轮轴系进行超高速运转试验。试验过程中通过控制高压气源压力及切线泵输出流量,获得了切线泵在52.8×10³~80.8×10³ r/min转速范围内的输入轴功率、输出压力、输出流量及温升特性数据。通过对实测数据的分析与计算,取得了外径42 mm的切线泵在超高转速条件下泵扬程系数、功耗损失及工作过程中温升特性试验数据。试验结果表明:外径42 mm的8叶片切线泵在52.8×10³~80.8×10³ r/min转速范围内,转速每增长1000 r/min,功耗损失约增加1.486 kW,所耗功率全部用于泵叶轮搅油摩擦损失,同时转速增加内泄增大,导致扬程系数由0.70缓降至0.66,零输出流量时由摩擦损失导致的液体介质温升速率达2.38 ℃/s,试验结束时油温最高达到274.5 ℃。试验研究提供了一种切线泵特性测试方法,可作为切线泵及涡轮泵设计和分析的依据。
工程技术
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  大型液压作动筒用弹簧改进设计

  刘政宏, 代龙, 范建博, 金磊

  液压与气动. 2022, 46(9): 166-170. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.09.021

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  针对大型液压作动筒异响现象,互换性试验表明异响由其内部的弹簧引起。为解决液压作动筒异响问题,对液压作动筒的工作原理以及弹簧在压缩过程的受力进行分析后,提出弹簧改进设计方案。仿真结果及试验验证均表明,在工作过程中,改进后的弹簧稳定性得到明显提高。改进设计有较广的应用,对工程中出现的该类异响现象有一定参考价值。
理论研究
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  新型钢板桩液力自旋式喷嘴设计及流场分析

  邓智超, 赵鲲鹏, 王贵和, 贾苍琴, 冯梓波

  液压与气动. 2022, 46(9): 171-179. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.09.022

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  针对钢板桩遇密实土层难以沉桩的问题,设计了一种新型液力自旋式喷嘴结构。基于流体力学理论,利用Fluent软件,通过改变斜射流口的偏心距、斜射流口与水平面的夹角等结构参数,得到了该喷嘴内腔的压力、流速及旋转体转矩的变化规律。结果表明:随着偏心距的增大,旋转体转矩增大;斜射流口的出口平均流速在小偏心距变化微小,在大偏心距逐渐减小;随着水平夹角的增大,旋转体转矩减小;斜射流口的出口平均流速随着水平夹角的增大先增大后减小,且随着偏心距的增大其峰值点逐渐后移。
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  馈能磁流变半主动悬架模糊滑模控制

  葛宇超, 刘刚, 苗丰, 张弘扬

  液压与气动. 2022, 46(9): 180-188. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2022.09.023

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  为优化悬架减振性能和馈能性能,提出了一种馈能磁流变减振器结构,并设计了相应的半主动悬架模糊滑模控制策略。建立了磁流变减振器力学模型和馈能模型,以及相应的二自由度半主动悬架系统数学模型。针对半主动悬架系统的不确定性,基于混合天地棚阻尼控制系统,设计了滑模变结构控制器。使用饱和函数缓解系统抖振,并运用模糊控制优化滑模控制器。用谐波叠加法生成路面激励输入,分别对被动悬架、基于混合天地棚阻尼控制的半主动悬架以及基于模糊滑模控制的半主动悬架进行对比仿真。结果表明:基于模糊滑模控制的半主动悬架减振性能更好,能耗更小,且有良好的馈能性能,验证了馈能磁流变减振器结构的可行性和模糊滑模控制策略的有效性。