2023年, 第47卷, 第1期　刊出日期：2023-01-15

  

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理论研究
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  基于ANFIS的电磁换向阀寿命预测

  郭锐, 何丝丝, 叶欣, 刘光恒

  液压与气动. 2023, 47(1): 1-11. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.01.001

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  以电磁换向阀的出入口压降作为失效判据,从流量退化角度深入分析,进行电磁换向阀的寿命预测研究。首先使用改进的集合经验模态分解(Modified Ensemble Empirical Mode Decomposition,MEEMD)方法多尺度分解测试数据,以欧式距离的IMFs分量筛选规则完成噪声信号的降噪重构。随后利用时域分析、频域分析和时频域分析提取特征参数,并用核主元(Kernel Principal Component Analysis,KPCA)方法融合处理,经过3次指数平滑处理,构建了电磁换向阀退化评估指标。融合退化评估指标,训练自适应模糊神经网络(Adaptive Network-based Fuzzy Inference System,ANFIS),通过对未失效样本进行压降趋势预测,实现了电磁换向阀的寿命预测。结果显示,ANFIS的预测指标与实际指标的差异性较小,预测结果准确。
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  多约束下高压螺纹插装型溢流阀启闭特性研究

  陈俊翔, 孔祥东, 卢子艺, 王虎, 艾超

  液压与气动. 2023, 47(1): 12-21. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.01.002

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  高压螺纹插装阀在工程机械中应用广泛,其启闭特性直接影响系统压力波动、泵头能量损失、噪声大小等。为了探究结构参数对高压螺纹插装阀启闭特性的影响,基于其结构特征,推导启闭特性数学模型。由于结构参数改变的同时会对动态响应性、稳定性、内泄漏产生交叉影响,以提高启闭特性为目标,以动态响应性、稳定性、内泄漏为约束条件,在不改变其三方面性能的前提下,通过理论建模、仿真分析、试验验证,提高螺纹插装阀的启闭特性。研究结果可为螺纹插装阀综合性能优化提供理论指导和工程实用价值。
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  膨胀比对活塞式膨胀机工作特性影响的研究

  虞启辉, 李晓飞, 李晓东

  液压与气动. 2023, 47(1): 44-51. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.01.005

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  活塞式膨胀机在压缩空气储能领域具有广泛的应用,但是效率低,很大程度上限制了其发展。为改善活塞式膨胀机的工作性能,通过MATLAB建立活塞式膨胀机的仿真模型,通过实验方法验证仿真模型的准确性,以输出功率和效率作为性能指标对活塞式膨胀机进行研究,分析了进气压力、间隙容积、进气持续角对膨胀机输出特性的影响。结果表明:在恒定工况下,随着进气压力的增大,膨胀机的输出功率增大,但效率降低;在稳定的进气压力下,膨胀机存在最优间隙容积与进气持续角;活塞式膨胀机的效率随进气持续角的增大而降低,进气持续角越大膨胀机输出功率随转速的升高下降斜率增大;3 MPa的进气压力下,膨胀比为2.18时膨胀机的效率最佳,进气持续角为90°时膨胀机输出功率最优,在转速为570 r/min时输出功率达最大4.29 kW、效率达到19.6%。为可变膨胀比活塞式膨胀机的设计提供了理论依据。
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  仿鳐式软体驱动器弯曲预测方法的研究

  李旭, 刘胜, 徐青瑜, 张远飞, 霍前俊, 张耀耀

  液压与气动. 2023, 47(1): 63-69. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.01.007

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  相对于传统的刚性机器人,由硅胶等柔性材料制造的软体机器人在结构上具有自由度高且能够进行连续形变的特点。目前,多数软体驱动器的气腔形状为等截面形态,而对于变截面软体驱动器的研究却少有涉及。为了解决这一问题,从鳐鱼的运动受到启发,设计了一款气腔截面纵向变换仿鳐式软体驱动器。驱动器限制层设计为不可压缩的薄层,结合应变能密度等理论,提出一种预测驱动器的弯曲变形角度的方法。通过3D打印技术制作模具,浇注模型,制作出仿鳐式软体驱动器。通过理论分析、有限元仿真、实验对比验证其数学模型,绘制仿鳐式软体驱动器在0.02~0.07 MPa气压下的中心线轨迹,分析输入气压与末端输出力的关系,验证了驱动器的理论分析、有限元仿真与实验结果在一定的误差下基本一致。其预测方法表现良好,为进一步研究仿鳐式软体驱动器在空间形变提供理论方法。
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  基于状态反馈线性化的阀控非对称缸系统模型预测控制

  戴博见, 陶建峰, 孙浩, 刘成良

  液压与气动. 2023, 47(1): 70-76. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.01.008

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  针对使用PID方法对阀控非对称液压缸位置控制中出现的超调问题,以及传统非线性模型预测控制优化求解计算时间较长的问题,提出了一种基于状态反馈线性化的阀控非对称缸模型预测控制方案。首先建立了阀控系统状态空间模型,运用微分几何理论讨论系统可反馈线性化的充要条件,并将非线性系统映射为新坐标空间内的线性系统模型;设计了反馈线性化模型预测控制器(Feedback Linearization Model Predictive Controller,FLMPC),讨论了线性系统下的约束问题,其中由于系统仿真预测时域远小于系统响应时间,对模型预测控制的损失函数加以修正。结果证明,在相同输入情况下,反馈线性化系统与原系统的位置误差满足控制需要,且在保证被控对象快速稳定控制的条件下,对比该算法与非线性模型预测控制的单步计算时间,证明该算法能够缩短计算时间。
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  基于NARMAX模型的阀控非对称缸神经网络预测控制

  袁磊, 蒋刚, 郝兴安, 刘思颂, 陈清平, 徐文刚

  液压与气动. 2023, 47(1): 86-93. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.01.010

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  针对非对称缸位置跟踪控制精度较差,提出了一种基于非线性自回归平均滑动离散模型(NARMAX)和量子粒子群算法的神经网络预测控制策略(QPSO-NNMPC)。利用NARMAX模型表示阀控非对称缸的动态模型,使用粒子群算法优化BP神经网络(PSO-BP)对阀控非对称缸系统在线预测,使用量子粒子群算法(QPSO)对目标函数非线性优化。仿真结果表明,在不同频率期望信号与变干扰力情况下,该控制策略具有良好的跟踪效果和鲁棒性。
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  潜孔冲击器非线性动力学建模

  冯定, 赵钰, 孙巧雷, 王健刚, 吴何洪

  液压与气动. 2023, 47(1): 111-121. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.01.013

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  潜孔冲击器在工作过程中,气源压力进入工具中驱动活塞做高频高速的轴向往复运动,并冲击钎头使其进行破岩钻进。首先,以无缸潜孔冲击器为例,结合其结构特点分析工作原理;其次,基于计算流体力学、热力学和应力波传递相关理论,考虑气体的压力、温度和密度的变化,分别建立了气室气体的瞬变流模型、绝热模型以及活塞的冲击回弹模型;然后,基于活塞的运动状态和气室气体状态,将潜孔冲击器1个运动周期分为11个不同阶段,结合上述3个模型和活塞的运动学方程,建立了完整的潜孔冲击器的非线性动力学模型;最后,基于该模型对实际算例进行计算。结果表明,活塞运动参数、气室压力数值变化与潜孔冲击器的工作原理与运动学规律一致。对潜孔冲击器的设计与研发提供研究基础与方法,为相关工具的动力学模型和仿真模型的建立提供参考。
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  基于网络的液压控制阀性能实验教学系统设计

  郭温, 王博, 赵东平

  液压与气动. 2023, 47(1): 122-128. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.01.014

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  伺服阀和比例阀是液压控制系统的核心元件,其性能的优劣直接决定了控制效果。基于互联网的液压控制阀性能实验教学系统根据现代教学特点和《液压伺服与比例控制系统》、《液压控制技术》等课程的实验教学及其扩展创新要求而设计。它采用灵活多变的模块化设计思想,为实验教学系统功能可扩展性提供基础。由于传统教学中理论与实践的时空隔离,对于抽象深奥的理论,学生的学习效率不高,基于此,该教学系统结合了网络远程控制技术,使教师能够在课堂上讲解理论的同时,还能快速的通过网络连接实验室的实验设备,完成配合理论讲解的实验内容,使课堂更生动,帮助学生的课堂学习。
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  基于AMESim的液压缸活塞位置超调量仿真分析

  赵叔吉, 周杰, 张帅, 黄彦德, 侯伟

  液压与气动. 2023, 47(1): 138-145. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.01.016

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  液压缸停止时的活塞位置超调量会影响其位置控制精度。为减小液压缸位置控制误差,对超调量进行理论分析,发现载荷质量、初速度、黏性阻力和摩擦阻力均会对超调量产生影响。利用AMESim建立基于推移液压缸实验平台的液压系统仿真模型,结果表明:系统各项参数主要是通过影响液压缸活塞运动过程中的速度、阻力和载荷惯性等来影响超调量,初速度越快,阻力越小,惯性越大,超调量也就越大。基于仿真结果,提出了一种提前关闭阀来修正活塞位置超调量的方法,将实验平台中液压缸的位置误差减小到原来的9.32%。研究从理论和仿真两方面阐明了液压系统中各变量对液压缸位移超调量的影响原理,为液压缸的精确位移控制提供了理论支撑。
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  多载荷耦合作用下飞机液压管路应力分析

  史俊强, 孟凯林, 王卿, 权凌霄, 杨天然

  液压与气动. 2023, 47(1): 175-181. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.01.021

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  在飞机液压系统高压化、轻量化的发展趋势下,研究液压管路的应力及其规律非常重要。综合考虑内部压力和机体变形载荷的作用,对某型飞机液压系统一段液压管路进行了应力数值计算、仿真分析和试验验证,通过三者的对比与分析,验证了仿真分析方法的正确性,为进行全机液压管路静强度服役性能分析奠定基础。对现代飞机中液压管路设计具有一定的工程实践和理论指导意义。
工程技术
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  空压机余热回收利用技术

  周亮, 贾冠伟, 郭泽宇, 李明昕, 许未晴, 王佳, 蔡茂林

  液压与气动. 2023, 47(1): 22-31. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.01.003

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  压缩空气产生过程中,大量的电能转换成热,余热回收利用潜力巨大。高效回收利用压缩空气热量成为空气压缩领域的当务之急。针对空压机余热回收利用,介绍了空压机余热产生的原理;归纳总结了空压机余热常用回收利用的直接、润滑油间接或热泵制热水的方式; 基于有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle,ORC)在低品质余热方面的应用,详细总结了空压机余热发电和制冷的研究内容及发展现状;重点总结了大规模压缩空气储能(Compressed Air Energy Storage,CAES)系统在实现空压机余热大规模、高效应用研究;提出了对空压机余热高效回收的展望,为后续空压机余热高效回收利用研究提供了参考。
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  基于流量规划的液压悬架负负载调速控制

  王华帅, 张彦斌, 李阁强, 周鑫

  液压与气动. 2023, 47(1): 94-102. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.01.011

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  针对重型运输车液压悬架负负载下降速度不均匀、不稳定问题,提出一种基于流量规划的液压悬架负负载调速方案。首先根据悬架倾角传感器和手柄指令速度信号计算平衡阀理论输出流量,而后依据预先建立的平衡阀流量映射关系,采用线上查表和插值方法求值并通过比例溢流阀输出平衡阀所需控制压力,使其输出流量实时跟随理论流量,从而控制悬架下降速度实时跟随手柄指令信号。建立了控制方案的稳态数学控制模型,并在某型号运梁车上进行试验研究,研究结果表明,该方案能够将悬架空载下降速度变化率从33%降至17%、悬架重载下降速度变化率从40%降至15%;且在平衡阀流量不饱和情况下,悬架空载/重载悬架最大下降速度之差从200 mm/min降至10 mm/min,悬架下降速度的均匀性和稳定性显著提高。该方案较易在工程中实现,且具有较大的工程应用价值,为基于平衡阀的液压系统负负载调速控制提供一个新的思路。
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  基于遗传算法的芦苇笋采收机模糊PID控制策略研究

  张秋尧, 高自成, 贾国海, 刘怀粤, 刘姜毅

  液压与气动. 2023, 47(1): 103-110. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.01.012

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  芦苇笋采收机在工作时需人工实时操纵输出电压来适应负载力矩的变化,为提高采收效率和降低操作难度,提出了一种基于遗传算法的模糊控制PID算法以实现芦苇笋采摘装置同步带转速的智能控制。通过分析芦苇笋采摘装置的工作原理,建立了控制电压和负载力矩输入和液压马达输出轴角速度输出的状态方程数学模型;利用MATLAB/Simulink软件设计通过遗传算法优化隶属度函数和模糊规则的Mamdani模糊PID控制器,对液压马达的状态方程进行仿真。结果表明:采用遗传算法优化的模糊PID控制器相较于普通PID控制器和模糊控制器能够对输入信号更迅速地做出响应,且上升过程平稳无超调,有较强的抗干扰能力,鲁棒性较强,满足对芦苇笋采收机工作过程的简化操作和提高效率的控制要求。
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  基于气动高速开关阀的容腔压力精确控制

  孙志涵, 王涛, 王波

  液压与气动. 2023, 47(1): 146-150. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.01.017

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  容腔压力控制在气动系统中的应用十分普遍,在汽车制动控制中普遍使用比例调压阀实现制动气室内压力的精确调节。将高速开关阀应用于压力控制系统代替比例阀,对于降低生产成本具有重要的意义。介绍了基于高速开关阀的单阀PID容腔压力控制策略和双阀自抗扰控制(Active Disturbance Rejection Control,ADRC)容腔压力控制策略。双阀ADRC控制策略通过将充放气过程中气体的温度变化、容腔内气体泄漏等各种模型不确定性以及内外界干扰视为一个总干扰项,利用扩张状态观测器对总干扰项进行估计并在非线性控制器的设计中进行补偿。结果表明:这两种策略均可以实现容腔内压力精确控制,使用双阀ADRC压力控制策略的控制精度更高。
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  基于Fluent与GA-BP的筒弹充氮设备多参数优化

  李光保, 高栋, 平昊, 隋馨, 付晓玲

  液压与气动. 2023, 47(1): 151-159. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.01.018

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  航天产品发射筒主要用于导弹运输和贮存,发射筒内部装配有导弹导轨、导弹、弹上电缆网及其他精密元器件,导弹运输与贮存对于发射筒需要特定的环境要求。针对现有的XX型号发射筒充氮设备置换工艺性能不佳问题,基于Fluent数值分析方法,仿真充氮设备在不同参数(充气压力、放气压力、保压时间)下对发射筒进行置换工艺时所需的时间和氮气消耗量;再利用GA-BP神经网络对各参数进行拟合,建立多输入多输出数学模型并用遗传算法寻找最优解,满足最小的置换工艺时间与氮气消耗量;最后调整充氮设备置换工艺的各个参数进行工程验证。实验表明,充氮设备多参数优化后对发射筒置换工艺时间减少,氮气消耗量降低,在一定程度上提高了工作效率并节省了成本。
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  基于普通换向阀的高精度油缸位置控制

  何新军, 何小群

  液压与气动. 2023, 47(1): 167-174. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.01.020

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  针对基于普通换向阀的位置控制系统,由于控制时滞,普遍存在控制精度不高,系统抖振的问题,提出了一种开关线迭代学习的改进型Bang-Bang控制方案。开关特性和相平面理论分析表明,换向阀的控制输出时滞是影响控制精度和引起系统抖振的主要原因。推导了液压系统的油缸速度、阀芯位移、负载压力的数学方程式。新开发了一种基于开关线迭代学习的改进型Bang-Bang控制算法,并通过仿真和生产验证了控制算法的正确性和可靠性。实际生产过程中,辊缝控制精度小于等于0.1 mm的命中率为89.3%,全部控制精度小于0.2 mm。整个系统控制稳定,控制精度较高,满足生产工艺要求。
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  电液驱动水下发射筒开关盖装置高精度跟踪控制方法

  吴友生, 程栋, 刘东

  液压与气动. 2023, 47(1): 182-188. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.01.022

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  发射筒盖是潜射导弹发射装置的重要组成部分,目前主要采用调速阀进行开关盖速度控制,由于其无法保证动作精度,制约了系统的进一步发展。为提高开关盖过程的速度控制精度,以伺服阀代替调速阀进行开关盖动作控制;以开关盖装置为被控对象,设计高增益观测器观测系统状态量,抑制非线性对系统精度的影响,结合滑模控制器进行自适应控制,并将提出的控制算法分别应用于两种控制阀组。实验表明,开关盖装置结合伺服阀可实现更好的控制效果,采用高增益观测器的滑模控制速度跟踪效果较传统PID控制提升30%。
综合应用
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  高压水射流喷水推进装置空化流动及推力特性仿真分析

  暴春航, 龙新平, 梁蕴致, 张祖提, 张增磊

  液压与气动. 2023, 47(1): 32-43. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.01.004

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  高压水射流喷水推进器是一种新型推进装置,其高速射流具有强剪切作用并将引起剧烈的剪切空化,从而对推力性能会产生重要影响。利用大涡模拟对推进装置的强剪切空化射流特性进行了仿真研究,探究了空化射流的流动机理及空化云演变规律,分析了空化现象对反推力特性的影响。结果表明:高速射流射入自由水域时将产生大量低压旋涡从而诱导剪切空化,并对反推力具有一定的增强作用,反推力增幅随空化程度的增强而增大;但受空化云形态变化影响,反推力将呈现脉动特性,其脉动幅值随着空化程度加剧逐渐增大,脉动主频随空化程度加剧而逐渐减小。
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  液压流道局部拓扑优化与增材制造

  张超, 王紫慕, 周雷, 祝毅, 杨华勇

  液压与气动. 2023, 47(1): 52-62. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.01.006

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  液压阀块是液压系统的重要组成部分,降低液压阀块的压力损失对实现液压系统节能化、提高功重比意义重大。选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术是一种增材制造(Additive Manufacturing,AM)技术,基本突破了减材、等材等传统加工方式的设计约束,结合拓扑优化方法,可大大提高液压阀块及其流道的设计自由度。以降低流道局部压力损失为研究目标,对流道局部压力损失较大的拐弯处进行拓扑优化设计,并采用SLM技术成形,优化设计后流道的压力损失明显降低。进一步探究弯管压力损失的主要影响因素——迪恩涡,定量分析了拓扑优化流道降低压力损失的原理,结果表明,拓扑优化得到的变截面流域通过改变流域的弯曲程度,使迪恩涡对压力损失的影响降到最小,从而有效降低流域内的压力损失。对增材制造液压元件及其流道的设计具有重要指导意义。
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  泵阀并联进出口独立系统特性

  高涵, 梁涛, 权龙

  液压与气动. 2023, 47(1): 77-85. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.01.009

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  为结合阀控系统响应快和泵控系统能效高的优点,并减少传统四边联动阀带来的节流损失,提出一种泵阀并联进出口独立控制系统方案,应用于某6 t液压挖掘机动臂及斗杆系统。建立多学科联合仿真模型,设计泵阀协同驱动控制策略,研究了阀控单元与泵控单元输出功率比对系统特性的影响,并应用泵控单元消除了多执行器载荷差异带来的节流损失,对比分析传统进出口独立控制系统与所提系统的运行特性和能耗特性。仿真结果表明,增大阀控单元输出功率占比,可提高系统动态响应;增大泵控单元输出功率占比,可有效减少系统能耗。与传统进出口独立控制系统相比,该系统可减小节流损失90%,降低系统能耗41%,并改善重载执行器响应滞后现象。
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  基于流固耦合的液压阀芯均压槽多目标优化设计

  李卫民, 付松松, 杨泽宇, 刁家宇

  液压与气动. 2023, 47(1): 129-137. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.01.015

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  高压大流量换向阀依靠阀芯的移动来实现控制执行机构的运作,合理的设计阀芯上均压槽的尺寸、槽间距与阀芯与阀套间间隙能够降低阀芯与阀套之间的卡紧力与泄漏量。基于ANSYS建立流固耦合三维求解模型,以矩形均压槽宽深比、槽间距和阀芯与阀套间间隙为设计变量,将泄漏量、卡紧力与等效应力作为响应变量,通过建立Non-Parametric Regression响应面模型,分析了设计变量对响应变量的影响。结合多目标遗传算法(MOGA),实现阀芯均压槽的尺寸与分布的优化设计。当均压槽槽宽与槽深比值为0.83,槽间距为1.43 mm,阀芯与阀套间间隙为0.027 mm时,泄漏量与卡紧力能够较小,其值分别为6.05 mL·min^-1和0.28 N,与优化前相比泄漏量降低了25%,卡紧力降低了36%。为阀芯均压槽的尺寸设计提供了参考。
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  高压叶片泵流量脉动CFD模拟

  高一鸣, 刘义腾, 王冰圣, 刘广彬

  液压与气动. 2023, 47(1): 160-166. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.01.019

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  高压泵是液压系统中的核心设备,流量脉动是影响其输出稳定性的重要参数。针对液压系统双作用高压叶片泵,采用CFD方法对其内部流场进行了三维瞬态模拟,分析了不同工况对出口流量脉动及其性能的影响规律。结果表明:排油初期高压差的作用使得工作腔内会出现明显的回流现象,产生较高的流量脉动;随着叶顶间隙的增大,泵的流量脉动减小,但容积效率明显下降,间隙值为30 μm时,容积效率仅为61.1%;流量脉动幅度随叶片数的增多而减小;吸液压力为0.1 MPa时的流量脉动率为0.2 MPa时的4.4倍,容积效率增大了5.6%。因此,提高吸液压力可以有效改善泵的流量脉动和容积效率。