2023年, 第47卷, 第2期　刊出日期：2023-02-15

  

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理论研究
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  考虑磨损进程的轴向柱塞马达柱塞副泄漏研究

  李昆, 吕飞, 刘辞英, 罗永涛, 王文山, 王洪波, 张军辉

  液压与气动. 2023, 47(2): 11-17. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.02.002

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  轴向柱塞马达广泛应用于航空航天、工程机械液压作动系统,容积效率是其重要指标。然而其柱塞副承载润滑状态恶劣,发生的磨损会导致泄漏损失增大,进而使马达的容积效率低于理想设计值。建立了轴向柱塞马达柱塞副磨损退化进程模拟模型,获得了其从跑合磨损到稳态磨损过程中承载界面轮廓的变化,基于此,对自然磨损状态下柱塞副泄漏行为进行分析。结果表明,随着缸孔的磨损,柱塞副泄漏量呈先增大后减小的趋势,柱塞副运行400 min时达到稳态磨损阶段,此时泄漏量相比初始泄漏量增加了2.3%。指出了柱塞副磨损状态和泄漏损失变化的映射关系,对提高轴向柱塞马达的容积效率和实现轴向柱塞马达磨损预测性维护具有一定指导意义。
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  考虑阀口压差和阀芯运动方向的比例方向阀死区补偿

  杨凯, 张宝成, 黄家海, 吉星宇, 赵瑞峰

  液压与气动. 2023, 47(2): 18-25. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.02.003

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  为研究比例方向阀的死区补偿,提出考虑阀口压差和阀芯正返行程的死区补偿方法。使用设计的控制器在变压差条件下进行实验,该方法可直接调整补偿值的大小,提高补偿响应速度,在阀静态特性不佳的情况下,依然有较好的补偿结果。以2 MPa压差实验结果为例,补偿前正、返行程阀的流量线性度分别为6.00%和4.83%;补偿后正、返行程阀的流量线性度分别为5.00%和3.56%。补偿前,阀的静态流量曲线滞环比较大;补偿后,阀的静态流量曲线滞环减小。2 MPa压差时,流量阀的曲线滞环补偿前为8.30%,补偿后为1.21%。提出的死区补偿方法对死区的减小或抑制效果明显。
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  基于随机卷积核与孤立森林柱塞泵异常检测方法

  陈香松, 陶建峰, 刘成良

  液压与气动. 2023, 47(2): 26-33. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.02.004

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  液压柱塞泵出口压力脉动信号近似于周期信号,有比较明确的物理含义,携带着丰富的泵的健康状态信息,是柱塞泵健康管理比较理想的信号源。利用柱塞泵出口压力上的脉动成分,提出一种基于随机卷积核的柱塞泵异常检测方法,只需柱塞泵在正常工况下的压力脉动数据即可具备检测异常压力脉动数据的能力。该方法包括波形划分、异常数据段检测2个阶段:采用基于动态时间规整(Dynamic Time Warping,DTW)数据划分算法对柱塞泵压力脉动原始数据进行分割,获取压力脉动数据段以构建数据集;基于大量一维随机卷积核提取特征,获取正常状态下压力脉动数据段特征;使用孤立森林算法对基于随机卷积核提取的特征进行异常检测。该方法在真实数据集上的表现,表明其对于异常波形的判断有优异的表现,且查准率较单一孤立森林算法提升了6.3%。
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  不同润湿性CFR/PEEK表面在不同介质中的摩擦学性能

  王子朋, 高殿荣, 梁瑛娜, 刘晓辉, 申苗苗

  液压与气动. 2023, 47(2): 45-53. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.02.006

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  改变CFR/PEEK表面润湿性,利用HARKE接触角测量仪测量表面接触角,采用OLYMPUS OLS-3100奥林巴斯激光共聚焦显微镜扫描试件表面,获取真实二维照片和三维形貌图,采用MMD-5A标准摩擦磨损试验机在水、海水和液压油介质中进行摩擦磨损试验。结果表明:疏水(油)表面可以有效减小摩擦系数和磨损量,同一种润湿性试件在不同介质中的摩擦系数比较,疏水(油)表面在水介质中摩擦系数最小稳定在0.03左右,海水介质中为0.04左右,液压油介质中为0.1左右;磨损量比较,疏水(油)表面在水介质中磨损量最少为2 mg,海水介质中为7 mg,液压油介质中为1 mg;不同介质中,润湿性对摩擦系数的影响为水＜海水＜液压油。
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  变转速工况对直线共轭内啮合齿轮泵容积效率的影响

  张旭燕, 曹文斌, 杨国来, 苗瑞林

  液压与气动. 2023, 47(2): 54-61. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.02.007

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  随着液压技术向高压化、轻量化、节能化发展,直线共轭内啮合齿轮泵因具有结构紧凑、流量脉动小、使用寿命长、噪声小等优点,其应用领域逐步扩大。随着内啮合齿轮泵使用转速的变化,其容积效率也出现变化,为了获得内啮合齿轮泵转速对其容积效率的影响规律,采用液压油、纯水两种介质,通过数值计算的方法,研究内啮合齿轮泵转子域空化特性、对比分析出口体积流率。结果表明:随着转速上升,内外齿啮合最小容积腔及吸油口处气相体积分数增加明显,易引起空化、气蚀,从而产生噪声、振动等问题;当转速过高时,介质中的气体析出明显,易出现吸空现象,导致齿轮泵容积效率降低,纯水介质比46#液压油介质下的齿轮泵容积效率更低。因此,要改善高转速工况下的齿轮泵容积效率,需优化内啮合齿轮泵进油口流道,增加入口压力,提升内啮合齿轮泵高转速工况下的综合性能。
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  基于能量增强的双斜式轴向柱塞泵滑靴磨损故障诊断方法

  乔世昌, 许顺海, 王少萍, 石健, 李振坤, 刘小平, 王伟杰, 白林迎

  液压与气动. 2023, 47(2): 62-71. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.02.008

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  针对盾构机等大型设备用双斜式轴向柱塞泵故障诊断中滑靴磨损故障特征信号易被湮没的问题,提出了一种基于能量增强的双斜式轴向柱塞泵滑靴磨损故障诊断方法。首先,考虑到双斜式柱塞泵滑靴磨损会造成轴向、径向两个方向的振动,对发生滑靴磨损故障下的泵的力学特性进行分析,确定了敏感频率范围;其次,考虑到故障信号易被湮没,将轴向和径向的振动信号分别进行小波包分解,进而得到轴向和径向的振动信号的能量谱,并将轴向与径向敏感频率范围内的能量谱进行叠加,增强故障特征;最后基于试验数据进行验证,对比正常状态与滑靴故障状态下的能量谱,可以有效提高故障诊断的准确度。
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  基于自编码器和支持向量机的气压传动系统气缸泄漏故障诊断

  杨波, 王志文, 马茜, 王虎, 熊伟

  液压与气动. 2023, 47(2): 72-79. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.02.009

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  气压传动系统在制造领域应用广泛,对智能化故障诊断与节能有较大需求。泄漏是气动系统最常见的故障类型及能量浪费的最主要因素之一。以最具代表性的执行元件气缸为研究对象,通过对其上游压力与流量信号进行处理分析,实现对下游气缸常见的内外泄漏故障的有效诊断。信号特征提取通过栈式自编码器完成,提取的特征进行聚类处理评估后送入支持向量机(Support Vector Machine,SVM)分类器进行分类,从而对气缸泄漏故障进行分类和定位。结果表明:通过分析上游信号来确定下游元器件故障状态是可行的;且对于泄漏故障实验,在同等条件下,基于流量信号的平均分类准确率可达到96%,基于压力信号的平均分类准确率为87%。
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  基于Stribeck曲线的液压缸劣化趋势评价

  蔺凤琴, 于鹏, 荆丰伟, 赵庆浩, 毕鹏飞, 贾瑞哲, 郭金

  液压与气动. 2023, 47(2): 80-91. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.02.010

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  为了评估液压系统的工作状态,提出了基于Stribeck摩擦模型的劣化程度评估方法。通过机理解析建立液压缸动力学模型,将实际系统可测量位移数据以及利用位移信号差分处理得到速度信号和加速度信号作为系统输入,其他测量数据和已知参数组成系统输出,设计双时间尺度最小二乘法辨识未知参数。将辨识的摩擦系数用于刻画Stribeck曲线,通过比较不同时间段的Stribeck曲线建立劣化指标,并分析相应缸体劣化程度。通过数值仿真验证理论的合理性和有效性。
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  基于AMESim的长江船闸液压启闭机液压系统中插装式平衡阀稳定性分析

  杨国来, 冒越颖, 刘雨聪, 甘文军, 王旭东, 李顺

  液压与气动. 2023, 47(2): 100-108. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.02.012

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  以长江船闸液压启闭机液压系统为对象进行研究,利用AMESim软件搭建该液压启闭机液压平衡回路仿真模型,并对整个船闸开启过程和关闭过程中插装式平衡阀内主阀芯弹簧刚度等主要参数进行单因素仿真。利用统计学分析这些单因素参数对长江船闸液压启闭机液压系统稳定性的影响。基于L₂₅(5⁴)正交试验,采用方差和极差分析法处理液压缸运行的压力曲线,得到选择范围内最佳的参数组合。结果表明:平衡阀内控制阻尼孔和主阀芯刚度等主要参数对液压缸运行压力和速度平稳性会产生重要影响,且通过正交试验可知较优参数组合为:阻尼孔尺寸0.71 mm,主阀芯弹簧刚度402 N/mm,主阀芯弹簧预紧力60 N,单向阀芯弹簧刚度3.87 N/mm。为螺纹插装式平衡阀的设计及液压启闭机液压系统参数优化提供指导。
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  煤液化调节阀湍流特性及稳定性研究

  李贝贝, 张雨佳, 刘秀梅, 彭佳佳, 赵巧

  液压与气动. 2023, 47(2): 135-145. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.02.016

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  针对湍流流动对煤液化调节阀内部流场稳定性影响,基于粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry,PIV)和能量梯度理论对煤液化调节阀的脉动流场信息进行测量和表征。采用数值模拟和实验相结合的方法,探究了1.2,1.4,1.6,1.8 MPa 4种进口压力条件下(出口压力固定为1 MPa、开度固定为60%)脉动速度均方根、湍流动能等湍流特性参数的变化规律,并结合能量梯度理论对调节阀内流动稳定性展开分析。结果表明,脉动速度均方根的分布与湍流动能的分布具有相似性,高速主流区域位于阀芯头部低速流体的交界处,脉动速度均方根及湍动能值随流速增大而升高,并在轴向位置x为29.73 mm处达到峰值;高速主流与周围低速流体自身剪切产生的速度梯度是造成流场失稳的主要因素;整个流场最不稳定的位置分布在节流口下方阀芯和阀座壁面位置以及高速主流核心区外的剪切层内,进一步揭示了煤液化调节阀失稳机理。
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  Halbach阵列磁弹簧减压阀特性研究

  郭龙, 吴张永, 杨瑜君, 蒋佳骏, 朱启晨

  液压与气动. 2023, 47(2): 155-163. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.02.018

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  为改善传统减压阀中机械弹簧应力松弛和疲劳断裂等问题,提出一种基于Halbach阵列磁弹簧的直动式减压阀。利用Maxwell对Halbach阵列磁弹簧进行磁力仿真,设计出满足减压阀性能要求且铁磁耗材较低的Halbach阵列。利用AMESim软件仿真分析静态压力-流量特性与动态阶跃响应特性对Halbach阵列磁弹簧减压阀与机械弹簧直动式减压阀的影响规律。结果表明:相较于同规格机械弹簧直动式减压阀,Halbach阵列磁弹簧减压阀压力-流量曲线更平缓,即入口流量相同的情况下,磁弹簧减压阀压力损失更小,稳压精度更高;当进出口压差为2.5 MPa时,响应速度接近,当进出口压差提升至4.5 MPa时,Halbach阵列磁弹簧减压阀压力脉冲较小,即超调量较小,响应速度略有提高。
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  新型同轴套管式换热器强化传热研究

  孙琳, 付必伟, 魏梦辉, 张思

  液压与气动. 2023, 47(2): 164-173. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.02.019

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  同轴套管式地热能开采技术是用于中深层地热能开采的有效方式。为了增强同轴套管式换热器的换热效率,提出了一种带螺旋翅片的新型同轴套管式换热器。基于有限体积法,对比分析新型与普通型同轴套管式换热器的换热性能,得到螺旋翅片结构对换热性能的影响,揭示其强化传热机理。结果表明:通过增加螺旋翅片的翅高或减小螺旋翅片的螺距,可有效增强同轴套管式换热器内流体流动的湍流动能,达到提高换热性能的目的;与普通光滑管换热器相比,翅高为19 mm,螺距为300 mm的新型换热器在雷诺数为27000时,努赛尔数提高了35.5%,摩擦系数提高了91%,热性能系数达到最高1.093;增加翅片和减小螺距都可以增加采出温度和采热功率,翅高为19 mm,螺距为300 mm换热器较光滑管换热器采热温度提高了5.4 K,采热功率提高了32.4%。为高效同轴套管式换热器设计提供了理论依据。
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  基于ARIMA的盾构机液压推进系统数据预测方法研究

  杨民强

  液压与气动. 2023, 47(2): 181-188. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.02.021

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  液压推进系统是盾构机的关键构成,承担着盾构机姿态控制、纠偏和同步前进等重要功能,以推进系统的运行数据为基础,精准预测数据的变化是分析、预测和避免盾构机产生安全问题的重要手段。基于随机时序分析法(Autoregressive Integrated Moving Average model, ARIMA)对盾构机液压推进系统数据进行预测研究。首先利用相关性分析方法,获得了与盾构机液压推进系统推进过程相关性较高的数据类别为掘进速度,基于该数据进行了自相关性的分析;之后,基于ARIMA方法,建立了盾构机液压推进系统ARIMA模型,并利用该模型进行了平稳性分析与贝叶斯信息准则;最后,基于优化模型分析比较了基于K-means的循环神经网络(Recurrent Neural Network,RNN)预测方法以及线性回归预测方法对数据预测的效果。研究表明,ARIMA模型下的线性回归方法能很好的预测盾构机液压推进系统数据变化趋势及异常数据预测,对盾构机的故障诊断及预测有重要的意义。
工程技术
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  电液驱动绳钩成型过程动态模拟及参数匹配分析

  范远东, 关栋, 赵亮, 任中华

  液压与气动. 2023, 47(2): 34-44. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.02.005

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  绳钩用于集装箱中内部固定,其加工过程需2次折弯、1次加热及锻压等5个工序;目前绳钩制造仍采用人工方法,生产效率低,工作环境恶劣且劳动强度大。为此,设计了一种高精度电液折弯锻压绳钩加工机床,其折弯、锻压工艺由4个液压缸执行。基于显示动力学方法,考虑不同温度场的影响,研究了绳钩加工过程中不同工位折弯力和锻压力随时间的变化规律,并结合液压泵站工作压力,合理选用不同工位液压缸参数。经优化后的机床单件加工周期缩短至8 s,较传统人工加工方法节省时间90%。对优化绳钩加工机床的工艺节拍和提升机床生产效率具有工程指导意义。
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  液电混合驱动轮式挖掘机行走系统特性分析

  任佳信, 黄伟男, 权龙, 冯克温

  液压与气动. 2023, 47(2): 92-99. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.02.011

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  轮式挖掘机行走时,行驶速度变化频繁,负载的剧烈变化导致发动机效率低下;制动时动能由机械制动器消耗,大量机械能转化为热能,能量损失严重。为此,提出液电混合驱动轮式挖掘机行走系统,采用高能效的伺服电机控制行走速度,液压泵/马达与蓄能器组合,回收制动动能,并在加速等大功率工况辅助电机驱动行走系统。对系统的工作原理进行参数设计,制定驱动与制动控制策略,建立原机行走系统与所提系统的多学科联合仿真模型,进行仿真分析。结果表明:相同工况下,与原机行走系统相比,液电混合驱动行走系统能耗降低了56.5%,高效回收了制动动能。
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  基于相似原理的液压泵重量估算方法研究

  刘晓超, 王振宇, 邱钟毅, 齐鹏远, 吴帅, 尚耀星, 焦宗夏

  液压与气动. 2023, 47(2): 117-124. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.02.014

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  液压系统是机载机电系统中的重要组成部分,飞机对液压系统的装机重量有严格要求。液压元件的重量直接影响到了液压系统的整体装机重量,提前对重要液压元件进行重量估计是元件设计阶段必须考虑的问题。提出了一种基于相似原理的液压泵重量估计方法,利用pv值作为液压泵重量估计的重要约束条件,将液压泵重量估计的几何参数的相似比转换为性能参数的相似比,从而直观的进行任意参数液压泵的重量估计。通过对大量液压泵重量参数的统计,拟合出液压泵重量与功率和流量的匹配关系,并设计制造了液压泵进行试验称重,结果表明,基于相似原理的液压泵重量估计误差可以控制在4.8%以内,为机载液压系统重量估计提供了一种新的参考。
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  全电控正流量液压挖掘机复合动作协调性研究

  吴璇, 陈俊翔, 訚顺宽, 马军辉, 艾超

  液压与气动. 2023, 47(2): 146-154. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.02.017

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  针对全电控正流量挖掘机复合动作时,执行机构增减而产生速度突变的协调性问题,对某公司37 t挖掘机进行研究,分析了单动作与复合动作各执行机构速度与主泵流量分配之间的关系,提出了调整正流量挖掘机前后泵输出初始排量并留一部分排量余量,使前后泵排量余量跟随各先导电手柄电流信号的变化调整输出的控制策略,建立了AMESim-Motion机械液压联合仿真模型。仿真与实验结果表明,复合动作增减动作时速度突变量减小10%以上,其动作协调性有显著提升。
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  混凝土泵摆动液压系统性能分析及优化

  陈玲, 王福鑫

  液压与气动. 2023, 47(2): 174-180. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.02.020

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  摆动系统是混凝土泵送机械的核心单元之一,用于驱动分配阀的快速摆动。针对目前混凝土泵摆动慢、动作不到位、摆动冲击大等问题,通过运用理论和仿真分析,对摆动液压系统进行优化,有效降低压力损失,提高摆动驱动力,实现快速摆动;同时,针对快速摆动过程中的系统冲击问题,对摆动缓冲结构进行了分析和优化。结果表明,摆动系统压损降低28.5%,摆动速度提升20.8%,摆动冲击降低17.5%,各项性能相比原系统显著提升。
综合应用
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  井下微型水轮机流场分析与优化设计

  周如林, 乔子石, 王煜, 肖浩阳, 张睿聪, 杜冰, 袁晓明

  液压与气动. 2023, 47(2): 1-10. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.02.001

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  围绕煤矿综采工作面液压系统液压能量利用率低、控制电路冗杂等难题,提出了一种水轮机与发电机集成化设计的方法,对提出的水轮机进行参数分析及结构设计,结合水轮机压差和转速的流场分析结果,通过正交试验、神经网络和遗传算法,实现了不同叶轮宽度、叶轮间隙、基圆直径、入口角度、进出口相对位置和喷嘴尺寸结构参数下水轮机转速和效率的多目标优化设计。通过样机测试试验,优化后整体效率有明显提升,平均效率值提高了2.94％;最大效率值由15.6％提高至21.5％。可为小型水轮机的理论和试验研究提供支持。
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  列车气动夹钳制动特性仿真及试验研究

  周其显, 王华, 张海

  液压与气动. 2023, 47(2): 109-116. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.02.013

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  气动夹钳的输出特性对保障列车安全制动起到至关重要的作用。以上海地铁11号线RZSS型气动夹钳为例,基于MATLAB和ADAMS 联合仿真技术建立了其虚拟样机模型,并仿真分析了RZSS型气动夹钳在常用制动及停放制动工况下的制动缸压力建立过程、制动力输出特性、出闸灵敏度等工作特性;同时结合线路及车辆参数,对RZSS型盘式制动器进行了系统理论计算与校核;最后进行了部件例行试验测试,试验结果验证了计算机仿真与理论计算的正确性,为传统轨道车辆制动系统设计和气动夹钳结构优化提供了参考依据。
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  基于空间视觉的仿人形柔性机器人尺寸控制系统

  徐万禄, 焦阳博翰, 朱聪强, 庄健

  液压与气动. 2023, 47(2): 125-134. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.02.015

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  目前的仿人形机器人研究多以刚性材料为主,仿形精度不高且无法真实模拟人的体态特征。针对这一问题,设计了一种仿人形气动柔性机器人。设计了一种IBP-PID的稳压控制方法,实现了柔性机器人气动元件内的精密气压控制,进而提高了柔性机器人的尺寸控制精度;设计了空间视觉尺寸测量实验,检验该控制算法的准确性。结果表明:该稳压控制算法在微气压环境下的控制效果良好,兼顾了动态特性和稳定性;柔性机器人的关键部位尺寸控制精度在0.5%以内,验证了控制算法的有效性。