2023年, 第47卷, 第10期　刊出日期：2023-10-15

  

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工程技术
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  海浪扰动下电液3-UPS/S舰船并联稳定平台振动特性分析

  袁晓明, 王维锜, 张睿聪, 周如林, 张立杰

  液压与气动. 2023, 47(10): 1-14. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.10.001

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  针对电液驱动的舰船并联稳定平台在实际工况下的振动问题,以电液3-UPS/S舰船并联稳定平台为研究对象,在考虑铰链刚度的基础上应用虚功原理建立稳定平台的动力学模型;通过海浪谱函数,计算了随机海浪激励下船舶的运动响应,进而得到稳定平台跟踪舰船运动的响应规律;分析了稳定平台在随机海浪激励条件下和初始工作空间内的固有频率变化特性;最后,为验证动力学模型的正确性,采用脉冲激励法对稳定平台样机进行模态试验,固有频率理论值与试验值的最大误差为4.66%,可以验证动力学模型的正确性。
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  内曲线液压马达低速稳定性机理分析

  韩敏, 张小龙, 谭浩, 方禹, 张超, 张军辉, 徐兵

  液压与气动. 2023, 47(10): 15-22. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.10.002

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  作为一种低速大扭矩液压马达,多作用径向柱塞式内曲线液压马达被广泛用于绞车、挖泥船、掘进机等大型装备的回转驱动系统中。内曲线液压马达低速稳定性严重影响着主机的工作品质。通过耦合油液压缩性、摩擦副泄漏等因素,建立多作用径向柱塞式内曲线液压马达的动态特性仿真模型,并分析配流轴配合间隙、柱塞与缸孔配合间隙、等加速导轨曲线幅角分配对马达低速稳定性的影响。仿真结果表明,马达低速稳定性随着配流轴配合间隙及柱塞与缸体配合间隙的减小而提高;随着导轨曲线的零速区和等速区幅角占比的增大,马达低速稳定性呈“U”形趋势变化,当零速区和等速区的幅角占比分别为0.0833和0.25时,马达低速稳定性较优。
理论研究
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  高压气动减压阀在液压系统中的特性研究

  刘智键

  液压与气动. 2023, 47(10): 23-30. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.10.003

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  液压系统中常使用减压阀控制出口压力,节流阀和调速阀控制出口流量,但常规减压阀最小可控压力通常在0.35 MPa以上,节流阀和调速阀最小可控流量在0.2 L/min以上,然而控制压力范围在0.1～0.35MPa、流量范围0.05～0.2 L/min的常规阀并不多见。以一种二通高压活塞式气动减压阀结构形式为研究基础,将其应用在液压系统中,作为0.05 L/min低流量稳定调速阀使用。通过结构形式分析,建立活塞式气动阀数学模型,并利用AMESim软件搭建仿真模型,对其关键结构参数在液压系统中调速特性的影响进行研究。同时对比气体与液体介质,对此类阀流量压力等特性的影响。可指导此结构形式阀在液压系统应用研制。
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  液压迷宫油箱颗粒污染物涡旋分离区结构优化

  姚静, 孔德才, 郭琪, 李曼迪, 刘翔宇

  液压与气动. 2023, 47(10): 31-41. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.10.004

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  迷宫油箱是一种以促进污染物分离为目标的新型小型化液压油箱,针对其颗粒污染物分离区结构参数与分离效率关联规律不明的问题,首先,建立油液中颗粒污染物运动学模型,得到颗粒污染物在流场中的沉积与流场涡识别Q准则的联系;其次,采用CFD仿真方法,研究涡旋分离区结构参数对颗粒去除率和流场特性的影响规律,并基于正交试验法得到优选结构;最终,采用流场可视化试验验证仿真结果正确性。结果表明,颗粒污染物易聚集在流场中涡量较小的位置,即Q准则涡结构定义外侧,优选结构对直径为500 μm的金属和非金属颗粒的分离效率分别提升了16%和89%。研究成果可为液压油箱轻量化小型化设计与优化提供理论和方法指导。
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  单根张拉前卡式千斤顶热力学特性分析

  刘威, 白运洲, 宋华锋, 吴跟上, 刘旭玲, 李松晶

  液压与气动. 2023, 47(10): 42-48. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.10.005

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  提出一种基于ANSYS有限元的单根张拉前卡式千斤顶内热力学特性分析方法。液压油黏度对温度变化十分敏感,而且其黏度变化直接影响液压动作、传递效率和传递精度,所以对张拉千斤顶的热力学特性研究是至关重要的。热流固多场耦合的方法是所采取的研究方法,针对液压千斤顶固体和流体部分分别建立热传导模型和湍流模型,进行千斤顶热力学特性的仿真分析,得到千斤顶正常工作时液压缸内温度场、热应力场和热应变场的仿真结果图,对比仿真与试验结果,为千斤顶材料选取和结构改进提供理论基础。
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  全海深超高压往复密封静态特性

  马云祥, 王振耀, 刘顿, 吴德发, 刘银水

  液压与气动. 2023, 47(10): 49-55. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.10.006

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  针对深海单、双边受压工况,通过有限元方法研究不同海深压力和压缩量对往复密封静态特性的影响,探究可能发生密封失效的危险区域。建立与接触应力、接触长度及密封压力相关的综合性指标平均裕度值,分析平均裕度值随海深压力的变化规律,单边受压时平均裕度值在40 MPa左右达到峰值,双边受压时随海深压力增加而减少,两种工况的平均裕度值均在最高海深压力时最低。因此,根据两种工况在120 MPa 时密封压缩量与平均裕度值的对应关系,结合试验研究压缩量对密封可靠性的影响,进而得到满足全海深作业要求的设计平均裕度值不小于4.38 MPa,密封压缩量不小于0.4 mm。该往复密封结构应用于“奋斗者”号全海深载人潜水器可调压载装置,经过万米海试验证密封性能可靠。
综合应用
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  二维脉宽调制转阀压力损失特性分析

  徐成都, 任燕, 黄煜, 鲁立中

  液压与气动. 2023, 47(10): 56-61. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.10.007

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  传统的阀控液压系统通过改变控制阀的节流面积来实现流量控制,不可避免地会产生节流损失。可以认为高速开关阀在全开和全关状态下没有节流损失。受液压系统数字化和高速开关阀的启发,提出了一种新型的高频二维脉宽调制转阀。与由脉宽调制(PWM)信号驱动的电控开关阀不同,该转阀能够通过机械机构将流体以脉宽调制的形式被离散化,以实现根据系统执行器的需求进行流量分配。该转阀在实际工作中,阀口的打开仍然是一个渐进的过程,这不可避免地会造成部分压力损失。因此,采用计算流体动力学(CFD)的方法,建立了二维脉宽调制转阀的数值模型,分析了该转阀在旋转过程中和不同占空比下的压力损失特性,最终搭建了实验平台,对仿真结果进行了验证。结果表明,该阀在旋转过程中压力损失较小(阀口开度极小时暂不考虑),在50%占空比,10 L/min输出流量的工况下,其最大开度时的压降为0.1 MPa。
工程技术
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  基于最大均值差异迁移学习的飞机燃油泵故障诊断

  刘振, 张小军, 潘俊, 叶茂, 苗扬

  液压与气动. 2023, 47(10): 62-69. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.10.008

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  燃油泵是飞机燃油系统的核心部件。燃油泵的工作环境恶劣,一旦发生故障,会对飞机的飞行安全造成严重的后果,所以对飞机燃油泵进行故障诊断至关重要。现阶段飞机燃油泵故障存在一些问题,如故障较为随机,故障数据稀缺等。针对这些问题,提出了基于深度迁移学习的飞机燃油泵故障诊断算法。首先,将飞机燃油泵和其他结构相似泵的数据分别作为目标数据和训练数据,利用小波包分解,对两种泵的原始数据进行特征提取。其次,对分解后的两种故障数据进行过采样处理,增加数据量。使用最大均值差异算法(MMD)作为衡量域损失的度量,并将其嵌入到1维卷积神经网络(CNN)结构中。使用该算法对数据进行训练,最终完成故障分类。实验结果表明,该算法相对于BP神经网络、LSTM以及CNN有更好的准确性。
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  基于高斯模糊和BP神经网络的汽车液压转向系统故障诊断

  郭媛, 汪胜, 李世超, 曾良才

  液压与气动. 2023, 47(10): 70-77. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.10.009

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  提出了一种结合高斯模糊化和BP神经网络的汽车液压转向系统故障诊断方法。通过采集压力、温度、噪声、流量和泄漏量等信号,并对其进行高斯模糊化处理,将其映射为一组多元模糊集合,用于描述液压转向系统的状态。同时,使用BP神经网络对故障进行分类和回归预测,并通过训练集和测试集验证了模型的准确性和泛化能力。与未高斯模糊化的对照实验相比,高斯模糊化处理的方法表现出了明显的优越性,能够提高预测准确性、降低训练时间和计算量,并减小过拟合的可能性。因此,该方法可以为汽车液压转向系统的故障诊断提供一种有效的解决方案。
综合应用
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  水下压缩气体储能管道振动特性分析

  梁成玉, 熊伟, 王美玲, 王志文

  液压与气动. 2023, 47(10): 78-84. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.10.010

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  水下压缩气体储能作为一种柔性规模的储能技术,是向可再生、可持续能源结构过渡的新兴推动力。水下管道输气过程中经常发生液体积聚,从而促使管道内单相流转变为复杂的气液两相流。由于不稳定的两相流动与管道之间产生了耦合作用,引起管道振动,进而影响水下压缩气体储能系统的运行。基于ANSYS对储能管道和管道支撑结构进行了有限元分析。建立了有限元模型并对管道进行模态分析,通过对比有无流固耦合下管道的固有频率,得出流固耦合的存在会降低管道的固有频率。并进一步分析管道固定结构对管道振动特性的影响,对比3种不同固定方式,发现固支-固支支撑结构相对比固支-简支与简支-简支抗振效果好。
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  深海液压动力单元振动噪声跨介质传播建模

  李天昊, 崔岩, 杨奕婷, 刘银水

  液压与气动. 2023, 47(10): 85-90. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.10.011

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  为有效减少深潜器耐超高压装备仓的体积,深海液压动力单元多封装在箱体内,并置于舷外,通过压力补偿器实现单元内外压力的平衡。然而,由于缺乏壳体屏蔽,置于舷外液压泵的振动噪声更易于被声呐捕捉,造成深潜器隐身能力降低。深海液压泵的振动噪声传递需跨越油液-油箱壁-海水等多种介质,且液体介质属性随海水深度而变化,噪声传递机制异常复杂。采用声-固耦合的声学仿真方法,合理简化液压动力单元的深海液压泵和壳体壁面模型,研究在不同海深下,液体介质属性、深海背压、声速等多种参数对深海液压泵噪声传播距离以及噪声衰减幅度和指向性的影响规律,为提升深潜器隐身性能提供理论依据。
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  射流管力反馈两级电液伺服阀的高阶状态空间模型

  李跃松

  液压与气动. 2023, 47(10): 91-97. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.10.012

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  射流管力反馈两级电液伺服阀常用数学模型为单输入单输出的三阶或二阶简化传递函数模型,其无法描述伺服阀各状态参数的变化且不便于采用现代控制理论的方法进行研究。基于现代控制理论,以衔铁角位移、射流喷嘴位移、射流管阀输出压力、滑阀的阀芯位移为输出,建立了射流管力反馈两级电液伺服阀五阶状态空间模型,不同于传统简化模型,此模型包含了滑阀的黏性阻力和液动力、油液压缩和泄漏、反馈杆弹簧力等多种因素的影响。通过仿真,给出了某型号射流管力反馈两级电液伺服阀的衔铁角位移、射流喷嘴位移、射流管阀输出压力和滑阀阀芯位移的阶跃响应曲线和频率响应曲线,结果显示所建高阶状态空间模型误差较小。
理论研究
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  CDC减振器阀片热变形建模研究

  李尊, 谢方伟, 陈子博, 高永华

  液压与气动. 2023, 47(10): 98-109. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.10.013

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  阀片变形极大地影响了减振器的阻尼特性,提高阀片变形量的计算精度,可进一步精确分析CDC减振器的阻尼特性。根据热弹性理论和大、小挠度理论,推导了环形阀片任意半径处的变形解析解,从而建立了温度-压力复合作用下的阀片变形数学模型,开展了温度场和静力学仿真验证,基于Simulink搭建了考虑阀片热变形的CDC减振器阻尼力的数学模型,并将仿真结果与实验结果进行对比。结果表明:阀片变形解析解与仿真结果误差在5%以内,阻尼力模型仿真结果与实验结果误差在10%以内。该阀片变形数学模型和阻尼力模型均提高了减振器阻尼特性的计算精度,为阀片变形计算和减振器阻尼特性的研究提供了理论基础。
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  直驱泵控三腔液压缸挖掘机动臂节能研究

  张树忠, 张雪峰, 刘意, 刘晓红

  液压与气动. 2023, 47(10): 110-118. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.10.014

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  针对液压挖掘机动臂系统举升时峰值功率大、下降时重力势能转换为热能浪费等情况,提出直驱泵控三腔液压缸动臂节能系统。该系统采用柱塞缸与活塞缸结合形成的三腔液压缸,通过伺服电机驱动定量泵控制A,B腔,C腔与蓄能器相接进行存储释放势能,并对蓄能器不同初始压力下对系统能耗进行分析。同时增设逆变器、电容等对马达工况回馈的能量进行电气式能量回收。MATLAB/Simulink建立直驱泵控三腔液压缸节能系统模型。在仅动臂升降工况下进行仿真,结果表明,相比直驱泵控差动缸,提出的节能系统可降低峰值功率36.64%和节能40.24%,实现高效的势能回收,取得良好的节能效果,同时系统运行速度最大误差减小了23%,进一步提高了系统运行平稳性。
工程技术
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  基于Fluent的某型APU进气管道的流场数值分析

  智文静, 李国材, 徐颖, 刘冬平, 贺榆波

  液压与气动. 2023, 47(10): 119-126. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.10.015

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  APU进气管道的流场特性研究是APU进气系统设计中的关键部分,针对某型民用飞机APU进气管道外形对APU进气系统性能的影响进行了研究,为了分析APU进气管道及进气风门对进气系统总压力、压力恢复、进气畸变的影响,以某型宽体客机的APU进气管道和进气风门为例,利用CATIA软件构建了三维模型并利用Design Modeler进行流体模型填充和前处理,然后把模型导入至Fluent软件中进行流场的仿真计算,仿真过程中简化了进气管道和飞机尾椎的模型,选取了合理的边界条件,分析不同工况条件下进气管道的气动性能,仿真结果表明所设计的进气管道能够较好满足APU进气系统的需求,确定出了最优的进气管道结构尺寸,为后续的产品设计提供理论支撑。
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  基于AMESim的主燃油控制系统仿真与频域分析

  王小鹏, 马静, 杨艺琨

  液压与气动. 2023, 47(10): 127-135. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.10.016

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  为确定某型航空发动机数控系统中主燃油控制系统特性,采用力平衡和流量连续方程方程,并结合AMESim软件建立主燃油计量模块、等压差模块、停车控制模块和整个系统的仿真模型。与试验结果对比,通过模型部件调试和模块优化确定高精度仿真模型;并利用AMESim线性分析和模态分析工具对主燃油控制系统的频域特性和固有频率进行了计算。结果表明:所建主燃油控制系统仿真模型特性与试验结果比较误差小于5%,系统固有频率与实测结果一致,可为主燃油控制装置系统的优化设计提供理论依据。
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  无人机助推滑车液压减速制动特性仿真与试验

  朱恩旭, 余阿东

  液压与气动. 2023, 47(10): 136-142. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.10.017

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  针对助推滑车液压缓冲冲击压力大,存在爆缸、爆管的风险,采用液压缸外接比例节流阀进行变节流缓冲减速制动助推滑车,使减速制动初期节流面积最大,随助推滑车减速制动位移增加,调节节流背压面积逐渐减小,平稳制动助推滑车,给出了助推滑车变节流液压制动系统原理,建立了变节流液压制动系统数学模型,基于AMESim搭建了助推滑车变节流制动系统仿真模型,进行了助推滑车变节流液压减速制动特性仿真研究,主要开展了系统性能敏感性因素分析。结果表明:采用变节流缓冲制动助推滑车,缓冲缸缸径小且压力冲击低;助推滑车速度和质量对滑车减速制动位移影响小,对缓冲压力影响大;冲击载荷不影响助推滑车最终位移,改变冲击载荷进行仿真,助推滑车制动最终位移保持为2.6 m;缓冲缸缸径对滑车减速制动位移和缓冲缸有杆腔压力影响大,较大缸径可持续降低缓冲缸有杆腔压力,低至4.5 MPa;滑车减速位移实测和仿真误差在0.2 m以内,缓冲缸压力峰值实测和仿真误差在1.0 MPa以内,实测数据和仿真数据趋势一致性较好,验证了助推滑车变节流液压减速制动系统的可行性。
理论研究
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  基于增材制造旋转直驱伺服阀的肢腿运动单元位置控制研究

  方李舟, 张军辉, 纵怀志, 张堃, 杨郅贤, 徐兵

  液压与气动. 2023, 47(10): 143-150. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.10.018

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  液压腿足式机器人因其可承受大负载、具有更高的速度上限等优势被广泛应用于物资搬运、地形侦查等场景。伺服阀作为液压系统中的控制元件,与机器人作业过程的运动稳定性、地形适应性、节能等方面都存在着密切关联。目前腿足式机器人系统普遍应用喷嘴挡板式伺服阀,不同阀型号的选择往往只需要满足阀的频响、压力、流量等指标,并且伺服阀的数学模型也通常近似为低阶环节,这在设计中弱化了伺服阀对系统的影响。为探究不同结构伺服阀与控制系统最佳匹配问题,研究了增材制造旋转直驱式伺服阀在机器人位置控制系统中的性能,并将其与传统喷嘴式挡板阀作比较,分别建立其数学模型并在单腿试验台上完成实验验证。结果表明,在相同的流量压力需求下,应用旋转直驱阀的控制系统足端阶跃响应时间减少了14%,足端正弦轨迹跟踪误差减少了21%。
综合应用
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  基于LabVIEW的电液伺服作动器测控设计

  李顺, 王洋, 臧其亮

  液压与气动. 2023, 47(10): 151-159. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.10.019

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  为了满足电液伺服作动器控制精度及运行安全的需要,提出了基于CRIO架构的电液伺服作动器控制系统,该系统能够实现信号采集、故障报警、过载保护和双缸同步控制等功能。以伺服油缸双缸同步为研究对象,介绍了作动器液压工作原理及LabVIEW测控系统的总体设计方案,提出了积分分离PID算法的双缸同步控制策略,建立电液伺服作动器实物平台,经试验其运行效果良好,单缸伺服控制误差在±2 mm范围内,双缸同步控制误差在±4 mm范围内,满足工程机械底盘悬架、车桥结构应力、疲劳性能等测试需求。
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  基于遗传算法的液力变矩器结构件轻量化设计与验证

  王嘉轩, 刘城, 闫清东, 魏巍

  液压与气动. 2023, 47(10): 160-168. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.10.020

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  结合流场分析和拓扑轻量化设计方法对液力变矩器闭锁离合器外壳开展轻量化设计并进行实验验证。首先建立液力变矩器流场仿真模型,分析不同工况下闭锁离合器承载特性,从流场仿真中提取负载,采用有限元方法对外壳进行稳态力学分析,以校核其强度。随后使用基于密度插值的拓扑优化方法对外壳进行优化,从而获得具有指导性的设计方向。在此基础上采用实验设计方法研究各尺寸参数对外壳轻量化、强度等影响规律,并采用遗传算法对外壳的各项性能进行优化。最后,研制优化后的闭锁离合器外壳样件及液力变矩器样机并进行应力和性能测试,结果表明,闭锁离合器外壳减重10%,优化后液力变矩器能够满足使用要求。
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  风洞高压供气系统及流量精确控制技术

  康洪铭, 陈辅政, 宋晋, 唐领

  液压与气动. 2023, 47(10): 169-174. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.10.021

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  针对传统的模拟调节阀和数字阀存在的不足,在FL-12风洞设计了一种流量精确控制的高压供气系统。首先通过ER5000控制器和先导比例阀驱动多台薄膜式减压阀实现气流压力的初步调节;然后在此基础上,采用基于PCM数字阀和等百分比流量特性的针型阀共同实现气体流量的精确控制;其次采用带蜂窝器和阻尼网的临界流文丘里流量计进行气流的精确测量;最后,提出基于非线性自整定PID的流量控制算法。试验结果表明,该供气系统的流量调节范围为0.1~8 kg/s,流量控制的绝对精度为±3 g/s,相对控制精度为0.04%,动态调节性能优异,可为风洞进气道等试验提供重要保障。
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  清除飞机客舱引气污染物的空调三角波送风方法

  王云龙, 林家泉

  液压与气动. 2023, 47(10): 175-181. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.10.022

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  针对目前飞机客舱空调采用恒值信号送风对引气污染物排出舱外效果不理想的问题,提出了一种飞机客舱三角波信号送风方式。建立了Boeing 737客舱仿真模型,并验证了客舱模型的可靠性。以NO₂作为引气污染物,模拟了客舱空调采用三角波信号送风和恒值信号送风时不同时刻的湍流强度,使用无量纲标准化污染物浓度来评估不同工况下的排污能力,并结合由吹风感引起的乘客不满意率DR,得出最佳的送风工况。结果表明:三角波信号送风降低了客舱内NO₂质量分数,混合送风方式下排污效率最高。
理论研究
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  航空发动机反推作动系统的AMESim-Simulink控制仿真

  田杨涛, 袁杰, 徐洋洋, 刘通

  液压与气动. 2023, 47(10): 182-188. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.10.023

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  航空发动机反推作动系统作为反推系统的重要组成部分,对飞机着陆减速有着重要意义。为了深入了解反推作动系统的展开收起运动特性,对反推作动系统的全行程过程进行了运动分析和数学模型创建,采用数值仿真方法对系统进行了仿真计算,研究了反推作动系统的缓冲性能、同步性能以及温度对运动过程的影响。结果表明:系统仿真模型对全运动过程具有良好的预测效果,可成为系统运行和性能检测有效分析工具;系统的缓冲装置将末端碰撞速度降低至0.15 m/s以内,可以有效削弱作动器的剧烈碰撞;系统运行的最大不同误差主要发生在展开或收起极限位置处,提高系统起动加载的同步性和精度,同时保持外载阻尼特性的一致性,以此减小系统运动的同步性误差;系统在低温环境下仍可以进行展开工作,但运行速度受到极大影响。