2023年, 第47卷, 第12期　刊出日期：2023-12-15

  

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综合应用
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  水压人工肌肉驱动的模块化仿生机器人设计与单元模块试验

  贾云瑞, 张增猛, 车进凯, 张康, 杨睿, 陈圣涛

  液压与气动. 2023, 47(12): 1-5. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.12.001

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  单体水压人工肌肉仅能提供收缩作用,基于水压人工肌肉驱动关节的工作原理,设计了仿生机器人单元模块,能实现伸缩和2个方向的偏转功能。利用水压人工肌肉的力位移特性,对弹簧进行选型计算。搭建了由四水压人工肌肉驱动的单元模块,并完成不同弹簧下的偏转试验,采集水压人工肌肉的收缩力、工作压力以及单元偏角,得到在空载条件下压力变化量与单元模块偏转角度之间的关系曲线。为进一步设计带载模块化仿生机器人奠定基础。
理论研究
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  大型风力机周围流场及气动特性仿真分析

  曹忠鹏, 陈文婷, 艾超

  液压与气动. 2023, 47(12): 6-12. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.12.002

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  风力机上的气动载荷与风力机周围流场有关,气动载荷和弹性力等交变载荷引起柔性风轮、塔架等部件振动变形,风力机部件振动变形影响风机周围流场,对风力机测风技术提出更高要求,而高分辨率风速测量对风力发电机组的控制和载荷计算具有重要意义。采用基于滑移网格的计算流体动力学仿真(CFD)和基于动网格的流固耦合仿真(FSI)研究大型风力机,探究风力机周围流场演化和柔性叶片变形特性,可以降低现场试验和风洞试验成本,为风速预测模型提供验证数据。结果表明,CFD和FSI仿真模拟风力机的来流效应和尾流效应和理论值接近,FSI仿真可模拟风力机风轮最大应力和最大应变的幅度和位置。
  
工程技术
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  考虑油膜动态承压与表面粗糙度的齿轮传动效率特性

  高钦和, 高蕾, 刘志浩, 王冬, 马栋, 章一博

  液压与气动. 2023, 47(12): 13-24. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.12.003

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  齿轮传动效率是衡量机械传动系统性能的重要指标,受油液、结构特性、运行工况等多方面影响。考虑油膜动态承压与表面粗糙度引入承载比例函数,并结合最小势能原理建立圆柱齿轮机械摩擦阻力损失预测模型。定量分析了油液特性、负载工况以及接触面粗糙度对传动效率的动静态特性影响规律,并研究了多因素耦合作用下技术状态劣化对传动效率的影响特性。结果表明,啮入啮出与单双齿啮合交界区的动态传动效率受油液性质影响较大;负载转矩与转速对平均传动效率的不利影响最大,表面粗糙度与油温次之;多因素耦合劣化会加剧动力传输有效性的降低;不同类型的劣化状态对传动效率的影响规律不同,可作为齿轮传动性能劣化分析与识别的基础。
  
理论研究
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  基于PM流量控制器的双锥液体静压轴承静动态特性分析

  洪姗姗, 刘文志, 侯亮, 陈云, 吕鹤, 陈洪

  液压与气动. 2023, 47(12): 25-33. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.12.004

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  基于PM流量控制器的双锥轴承结构可在较小尺寸下同时承受轴向力和径向力,承载性能更大,且外置节流器的方式结构简单,易于调节性能,降低回转误差。设计了基于PM控制器的双锥轴承,建立轴承平均分布五油腔的静动态特性模型,分析了轴承设计与节流器主要参数对承载能力的影响规律。研究表明,轴承总刚度、承载力与锥半角呈递增关系,轴向刚度、承载力递增更显著,但径向变化不大;增大供油压力、减小初始液阻比,可提高油膜刚度与承载力;增加节流器的比流量与初始流量,减小供油压力,可缩短过渡时间,提高动态性能。根据设计指标匹配轴承和节流器的关键参数,可在同等条件下实现轴承性能优化。
综合应用
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  超洁净磁悬浮针阀设计与仿真优化

  龚轩, 刘明潇, 胡亮, 阮晓东, 苏芮, 傅新

  液压与气动. 2023, 47(12): 34-40. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.12.005

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  为了满足半导体加工等行业的超洁净流控要求,设计了一种超洁净磁悬浮针阀。超洁净磁悬浮针阀以超洁净氟塑料裹覆永磁体为阀芯,以电磁铁为外部驱动,利用磁悬浮原理实现阀芯的无接触控制。阐述了该磁悬浮针阀的工作原理,通过仿真计算,提出电磁铁的设计方案,对电磁铁的线圈和铁芯进行优化,为阀的力学性能和尺寸特征优化提供了方法指导,并针对阀芯受到的径向力和轴向力进行了分析,验证了方案的可行性。
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  主从异构型液压机械臂遥操作的相似性映射方法

  钱涤非, 程敏, 张付, 张军辉, 徐兵

  液压与气动. 2023, 47(12): 41-48. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.12.006

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  现有的重载液压机械臂自由度多,执行的任务繁复多样,利用外骨骼来对其进行遥操作能够提高机械臂控制的精准性和直观性,有着不可替代的优势。根据人上肢穿戴性需要进行设计会导致外骨骼与机械臂之间的结构异构,从而出现主从运动学不匹配的情况。基于四自由度外骨骼和七自由度冗余液压机械臂之间的主从控制,提出了一种适用于主从异构遥操作的笛卡尔-关节空间相似性映射方法,解决了二者自由度数量、自由度配置、可达工作空间等差异对主从控制一致性带来的问题。考虑控制需求和液压驱动特性,定义了主从异构遥操作下的相似性映射条件和关节运动约束条件,提出使用加权增广变系数雅克比矩阵的方法来满足操作者与从端机械臂之间额外映射关系,并给出了其中关节速度限制系数的选取条件。搭建了系统的机-液耦合仿真模型进行了验证。结果表明:提出的方法可以提高液压机械臂主从异构遥操作的灵活性和直观性,进而令液压机械臂更好地根据主端指令完成复杂的空间任务。
理论研究
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  气液上肢外骨骼系统分数阶建模及控制方法

  王洪艳, 郝晓红, 杨婧, 蒋丹, 黄智

  液压与气动. 2023, 47(12): 49-54. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.12.007

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  研究基于气液并联驱动的上肢外骨骼系统,旨在实现人体上肢的康复运动。采用分数阶质量-流量方程代替传统的整数阶质量-流量方程,建立了气液上肢外骨骼系统的分数阶数学模型。为提高系统控制精度,设计了分数阶2DOF PID控制器。采用灰狼优化算法(GWO)解决控制系统多控制参数优化问题。为验证所提控制方法的有效性,通过搭建气液上肢外骨骼系统实验平台进行了实验研究。通过典型信号跟踪控制实验,验证分数阶PID控制器和GWO参数优化算法的有效性。实验对比表明,分数阶2DOF PID控制算法在超调量更小、精度更高方面优于整数阶PID控制算法。与粒子群优化(PSO)算法相比,采用GWO优化算法获得了更好的系统响应性能。
  
工程技术
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  液压伺服滑阀阀口小开度冲蚀特性

  刘新强, 刘飞, 冀宏, 王聪, 林广

  液压与气动. 2023, 47(12): 55-60. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.12.008

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  液压伺服滑阀易受油液中固体颗粒的冲蚀而发生性能退化。在工作边冲蚀微观形貌的测量与分析基础上,建立小开度阀口流域颗粒运动可视化模型,研究阀口颗粒运动轨迹,仿真分析工作边冲蚀率随液流方向的变化规律。结果表明:阀口冲蚀工作边上存在多处崩边性的微观缺口形貌,颗粒运动过程中与工作边的高速碰撞、刮擦等是阀口冲蚀的主要形式,迎流区的工作边冲蚀率均值和均方差比背流区分别高约1倍和0.8倍。
  
理论研究
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  油气管道内检测器三维运动分析

  解彦曦, 赵威凯, 王一轩

  液压与气动. 2023, 47(12): 61-65. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.12.009

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  管道检测清管器广泛应用于油气管道内部检测。管道清管器的速度通常与管道中介质的速度相同。但近年来,由于长距离运输的需要,管道中介质的速度不断增加,管道内环境更加复杂,管道检测器在管道内的运动情况更加多变。因此,通过分析管道检测器在油气管道内的运动原理,建立了检测器在复杂管道下的运动模型;同时,基于数学模型,设计了一种双皮碗-三支撑轮式的管道检测器样机;结合仿真和实验,对管道检测器的运动情况展开模拟和研究。实验结果验证了所建立的检测器运动模型的准确性,为之后管道检测器的运动、姿态控制提供了理论研究基础。
  
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  大功率液力变矩器叶轮拓扑优化设计及验证

  张嘉华, 闫清东, 刘城, 王嘉轩, 魏巍

  液压与气动. 2023, 47(12): 66-74. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.12.010

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  随着液力变矩器向着高功率密度化发展,轻量化成为提升功率密度的重要手段,叶轮作为变矩器总成内部的重要结构件,有着巨大的轻量化设计潜力。为了对叶轮进行轻量化设计,采用CFD方法建立了变矩器叶轮耦合流域全流场计算模型,分析了叶轮载荷分布情况及边界条件,进行了叶轮单向流固耦合理论分析,建立了变矩器叶轮力学特性有限元分析模型,利用多种拓扑优化分析方法,以应力分布特性为优化目标对叶轮结构进行了优化设计。通过对目标样机叶轮进行拓扑优化分析,建立了叶轮拓扑优化设计系统,研究了多工况下液力变矩器叶轮的力学性能,完成了轻量化叶轮样机设计并进行了试验验证,在不降低液力性能的情况下,叶轮减重10.89%,为高功率密度液力变矩器叶轮结构优化提供了一种有效的方法。
  
工程技术
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  一种压电驱动的气动高速开关阀设计与仿真分析

  刘薇, 度红望, 熊伟, 袁婷婷

  液压与气动. 2023, 47(12): 75-80. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.12.011

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  针对传统开关阀响应慢、流量小的问题,提出一种压电材料驱动的气动高速开关阀。基于压电效应,结合锥阀阀芯结构,进行了压电阀开关阀的设计。采用有限元分析法,在Fluent中对阀进行了流场仿真,分析了该阀的结构合理性。利用AMESim对阀搭建模型并进行特性仿真。仿真结果表明,该阀的响应时间为0.4 ms,最大流量约为68 L/min,流量与占空比变化曲线线性度大于88%,提出的压电驱动高速开关阀可以满足数字式气动控制的发展需求。
  
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  换钻机械臂结构设计与运动分析

  罗江南, 李建平, 刘磊, 郝梦达

  液压与气动. 2023, 47(12): 81-90. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.12.012

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  为了实现瓦斯钻机钻杆的自动更换,设计了一种以摆动油缸为主要驱动元件的换钻机械臂。通过改进D-H法建立机械臂的运动学模型,利用解析法求取正逆解;利用MATLAB求得机械臂的工作空间;通过五次多项式对机械臂的运动轨迹进行规划;运用ADAMS进行动力学仿真;以第一摆动缸作为被控对象设计位置闭环控制回路,增加压力补偿阀以减少摆动油缸的振动。结果表明,以摆动油缸为主要驱动装置的换钻机械臂结构设计合理;在回路中增加压力补偿阀可显著减少振动冲击和绝对误差。
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  非负矩阵分解的高压调节阀流场重构

  张雨佳, 刘秀梅, 李贝贝, 刘威威, 贺杰

  液压与气动. 2023, 47(12): 91-98. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.12.013

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  煤液化技术是保障我国能源安全和稳定供应的有效途径,而热高分调节阀是该技术的核心设备。提出了一种基于非负矩阵因子分解NMF和过程层析成像PT的调节阀流场重构方法,用于快速准确地重构高压工况下的调节阀流场。首先,计算高压工况下调节阀流场分布特征,建立高压工况下的调节阀CFD样本数据库。其次,利用NMF非负矩阵因子对样本数据进行分解,提取表征流场特性的基向量。然后,通过线性组合基向量和过程层析成像技术PT,实现了调节阀流场的快速重构。最后,分析重构流场与仿真流场的误差,验证了该方法的准确性和可行性。实验结果表明,本研究提出的流场重构方法能够准确地、快速地重构流场,大大缩短流场重构所需时间。
  
理论研究
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  液控单向阀配流高压马达配流阀口节流特性分析与流场仿真研究

  罗涛, 郭桐, 林添良, 陈其怀, 任好玲, 刘建平

  液压与气动. 2023, 47(12): 99-106. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.12.014

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  配流机构的节流压力损失和泄漏是影响液压马达动态性能的重要因素。针对液控单向阀配流液压马达的配流过程中阀芯的运动特性及其流场特性开展研究。基于液控单向阀配流液压装置,分析其配流阀阀芯运动特性,利用AMESim搭建液控单向阀模型,探究不同负载压力下、不同阀芯结构下,液控单向阀其阀芯运动特性;利用Fluent软件,研究阀芯开启过程中的节流压降以及流场流速情况。结果表明:在液阻孔以及阀芯小端直径一定时,阀芯小端直径与阀芯大端直径比值越接近1,其阀芯响应时间缩短,在高负载压力下,其阀芯响应也更快。在阀口输入流量为40 L/min时,其阀口前后压差为1.3 MPa,用于为高压低速大扭矩马达配流是可行的。
  
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  四轴互连油气悬架稳定性分析

  郝建楠, 刘海波, 吕世宁, 高有山, 李虎山, 何家琛

  液压与气动. 2023, 47(12): 107-114. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.12.015

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  对于多轴车辆而言,常见的单轴、两轴互连油气悬架系统大多无法有效控制车身的振动。针对这一问题,结合同侧互连与X型互连两种形式,设计四轴车辆的悬架互连形式。对比分析了侧倾和俯仰工况下四轴互连悬架与单轴连通式悬架的力矩以及刚度特性,并且分析了关键参数对于悬架刚度的影响。通过联合仿真对比单轴互连悬架以及四轴互连悬架的操纵稳定性。结果表明,四轴互连悬架大幅提高了悬架的侧倾刚度以及俯仰刚度。通过联合仿真对比可知,四轴互连悬架的侧倾角,俯仰角以及横向载荷转移率均小于单轴互连悬架,车身稳定性更好。
  
工程技术
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  基于改进PSO模糊PID的管廊吊具同步控制

  王刚锋, 杨军康, 侯润锋, 张超, 张程浩

  液压与气动. 2023, 47(12): 115-123. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.12.016

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  装配式综合管廊的截面尺寸大、吨位重,且质心与形心不重合,管廊吊装时易出现偏载现象。为保证管廊节段吊装的安全性和稳定性,提高吊具液压缸组的同步控制精度,研究了相邻交叉耦合与改进PSO模糊PID相结合的同步控制策略。根据吊具结构及液压系统,搭建了阀控非对称缸数学模型。通过在线性递减权重中引入混动因子对粒子群算法进行改进,采用改进PSO对量化因子和比例因子进行更新迭代,实现了模糊PID参数的优化。对吊具4个液压缸进行同步控制仿真,并与试验数据对比。结果表明:相较于传统PID和模糊PID,在改进PSO模糊PID控制下,管廊吊具系统运行稳定,响应速度更快;工程试验的液压缸组最大同步误差为2.43 mm,吊装最大倾角为-0.51°,验证了同步控制策略的有效性。
  
理论研究
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  基于概率有限元法的飞机燃油焊接管路可靠性分析

  权凌霄, 狄梦然, 孙世博, 聂才力, 温锐杰

  液压与气动. 2023, 47(12): 124-132. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.12.017

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  以相贯焊形式的飞机燃油焊接管路为研究对象,首先,建立了燃油焊接管路各区域的可靠性数学模型,并根据各区域之间的串联关系,推导出管路单元的可靠性数学模型;然后,求解了介质压力和机体变形载荷下的管路单元可靠度;最后,采用有限元-响应面法对管路的几何尺寸和材料参数进行灵敏度分析。结果表明,分支管角度与焊接区域最大应力呈负相关关系,角度越小,应力越高,其主要归因于较小的分支管角度导致焊接区域的应力集中程度更高。此外,焊接管路的焊缝区最大应力主要受热影响区宽度和热影响区泊松比的影响。对提高燃油焊接管路系统的安全性和可靠性具有工程意义。
  
工程技术
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  电液比例泵控马达速度复合控制

  程永会, 黄续芳

  液压与气动. 2023, 47(12): 133-140. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.12.018

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  针对泵控马达调速系统负载扰动问题设计了一种负载扰动前馈补偿结合双闭环BP神经网络PID控制的复合控制方法,分别在Simulink和AMESim中搭建了控制系统和液压系统的仿真模型,并进行了联合仿真。结果表明:在转速追踪阶段,复合控制在0.3 s达到目标转速,大幅缩短了响应时间,与双闭环BP神经网络PID控制的响应时间相同;在突变负载干扰作用下,复合控制的超调量更小,达到稳定的调节时间更短;在连续变化负载干扰下,复合控制在恢复稳态时基本没有稳态误差,抗干扰能力更强。
  
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  正方形射流抑制喷嘴挡板阀空化特性

  杨贺, 周茂瑛, 李松晶

  液压与气动. 2023, 47(12): 141-146. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.12.019

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  喷嘴挡板伺服阀广泛应用于航空航天、工程机械、深海装备以及机器人等领域的液压伺服系统中。然而,伺服阀内流场的空化特性常常会导致流场压力脉动、高频啸叫以及气蚀损坏等问题,严重影响伺服阀的工作性能。通过采用正方形射流来改变伺服阀前置级流场的流动结构,进而改善伺服阀的空化特性。相比于传统圆形喷嘴情况,当正方形喷嘴边长与阀腔底面平行时,空化现象愈加严重;而当正方形喷嘴边长与阀腔底面成45°夹角时,空化现象得到了明显的改善。
  
综合应用
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  基于自抗扰控制方法的双叶片式摆动缸转矩控制

  杨郅贤, 张军辉, 纵怀志, 方李舟, 张堃, 徐兵

  液压与气动. 2023, 47(12): 147-153. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.12.020

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  双叶片式伺服摆动缸是液压执行元件的一种,能将液压能转化成旋转的机械能。当其作为液压腿足式机器人的关节驱动元件时,具有结构紧凑、重量轻、直接输出关节转矩等优势。由于液压系统的非线性特性以及足式机器人自身易受冲击、对系统产生干扰等因素,传统的PID控制方法难以满足关节转矩的控制需求。利用自抗扰控制(ADRC)方法实现叶片摆动缸的转矩控制,利用扩张观测器来观测和补偿系统外部负载力的不确定性,有效地抑制了外部扰动对系统的影响。建立了伺服阀控制叶片式摆动缸的数学模型并设计了线性自抗扰控制器,在恒负载、变负载等多种工况下采用ADRC进行力矩闭环控制,并与PID控制方法进行比较。仿真表明,ADRC控制器可以有效抑制外部扰动,与PID控制器相比,在受到干扰后的平均误差缩小了30%以上。
  
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  气动锁紧型腰穿患者术中体位维持系统设计

  王宏伟, 吴相朝, 单志航, 张立鑫

  液压与气动. 2023, 47(12): 154-161. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.12.021

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  基于外科临床医生根据其穿刺经验总结提出的需求以及腰椎穿刺手术中体位固定方式的需要,设计了一种腰椎穿刺患者体位维持系统。该装置锁紧部分为一个气动闭环控制系统,STC89C52RC单片机为控制核心,基于XGZP6847A气体传感器连续动态监测气动回路中的压力,并通过电磁阀组和气泵对压力进行调整。与现有辅助固定装置比较,该装置在使用时调整方法简单,适用于不同阶段患者,且气动锁紧和放松过程响应速度快,能够减少腰椎穿刺患者因手术体位不当而引发的一系列术后并发症。
  
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  B样条过渡的二维柱塞泵空间凸轮轨道机构运动特性多目标优化

  裘信国, 伊必达, 郑颖, 孟彬, 马明镜, 胡新华

  液压与气动. 2023, 47(12): 162-168. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.12.022

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  空间凸轮机构作为二维柱塞泵实现二维运动的关键机构,其从动件运动特性决定了二维柱塞泵的工作特性。以5次B样条曲线作为无停歇运动规律的过渡曲线,建立其数学模型,使用多目标遗传算法以最大无因次速度和加速度作为优化目标对运动规律进行多目标优化,获得Pareto解集。优化实例结果表明,5次B样条曲线作为无停歇运动规律的过渡段,可以构造出高阶连续且可调的无停歇运动规律,多目标遗传算法可实现对B样条过渡段的多目标优化,获得凸轮综合性能良好的运动规律。
理论研究
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  合成射流压电气泵的仿真与实验研究

  刘梦萱, 凌志远

  液压与气动. 2023, 47(12): 169-175. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.12.023

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  微型压电气泵具有有阀和无阀两种结构,相较于有阀压电气泵,无阀压电气泵结构较为简单且易于微型化,但大多是以流阻差为原理,因此依然存在工作效率低、气流脉动大且气体泵送量小等缺点。针对现存在的技术问题、提高压电气泵的输出性能,基于合成射流原理设计了一种合成射流式压电气泵,通过理论和仿真分析得到内部流体工作时的流场分布情况,并通过实验探究了泵的结构参数、频率以及电压对流量的影响规律。结果表明,当泵在峰峰值为100 V、频率为6.075 kHz的正弦信号激励下,最佳结构参数下泵的输出流量最大可达329 mL/min。与其他压电气泵相比,该泵具有更小的体积,更高的工作频率和更稳定的流量输出。
  
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  空间RSSR扑翼驱动机构设计与动力学分析

  张瑞坤, 何畏

  液压与气动. 2023, 47(12): 176-183. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.12.024

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  为了提高仿生扑翼飞行器飞行的稳定性,在对传统的曲柄摇杆驱动机构分析的基础上,设计了一种以空间RSSR机构为驱动机构的新型仿生扑翼飞行器。首先,通过运动学和动力学分析,建立了空间RSSR机构的运动学和动力学模型,对扑翼飞行器进行了运动学和动力学分析。结果表明:所设计的驱动机构运动平稳,扑动上极限夹角为21.92°,下极限夹角为-18.11°,扑动幅度为40.03°,设计的扑翼飞行器运动参数与仿生鸟类飞行运动参数一致;计算了曲柄处输入力矩与机构各个关键点的受力情况,为今后优化扑翼飞行器驱动机构、提高其结构强度、进一步提高扑翼飞行器性能提供了理论依据和参考。