2023年, 第47卷, 第3期　刊出日期：2023-03-15

  

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理论研究
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  基于流固耦合传热分析的液压电机泵温度场特征

  冀宏, 邢晖晖, 孙飞, 彭彦博, 李晨

  液压与气动. 2023, 47(3): 1-8. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.03.001

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  为获得液压电机泵全域温度场分布特征,分析计算不同负载下电机电磁损耗和液压泵功率损失值,将电机主要部件、液压泵泵芯作为固定体热源,建立了电机泵流固耦合传热仿真模型。结果表明:随着负载的增加,电机泵的整体温度逐渐升高,高温区主要集中在电机定子、转子和泵芯上,其中泵芯的温度相对较低;负载低于6 MPa时,电机泵的最高温位置始终位于定子绕组,负载增加后,逐渐转移至转子导条。采用热电偶测量电机泵样机壳体表面特征点的温度,与仿真结果的最大偏差为9.6%,验证了电机泵流固耦合传热模型及计算方法的有效性。
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  轴向柱塞泵变量机构控制策略研究

  袁峰, 张健, 李佳洋

  液压与气动. 2023, 47(3): 9-16. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.03.002

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  轴向柱塞泵具有耐高压、效率高、传输功率大、转速范围宽、寿命长等优点,已经在液压机、工程机械和船舶等场合中有着广泛的应用,但是由于其非线性特性,现有工作响应速度较慢。通过经验累计和理论计算,得到该变量机构的数学模型。针对轴向柱塞泵变量机构控制的研究,从模糊控制着手,分析了该控制效果的稳定程度,经过与经典PID控制方法仿真对比实验,结果表明:T-S PID稳定性更好,响应速度更快,可以减少50%左右的调整时间。
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  大排量轴向柱塞泵柱塞副润滑特性分析

  郑亮, 李国祥, 白书战, 孙光明

  液压与气动. 2023, 47(3): 17-27. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.03.003

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  为了研究大排量轴向柱塞泵柱塞副的润滑特性,以一款斜柱塞轴向柱塞泵为研究对象,建立了柱塞副瞬时油膜厚度场、压力场模型,采用交错网格技术对柱塞副油膜进行网格划分,通过Altair Compose软件采用有限体积法求解雷诺方程,考虑了柱塞衬套变形的影响,得到了柱塞副油膜厚度场、压力场分布和衬套变形状况。研究了负载压力、主轴转速、斜盘倾角对柱塞副润滑状态、轴向摩擦力以及泄漏量的影响。结果表明:在高压区时,衬套靠近滑靴端的变形量大于柱塞腔端,但在一个运转周期内柱塞腔端衬套变形一直存在。负载压力和斜盘倾角变化对柱塞副润滑性能影响明显,负载压力降低15 MPa,柱塞偏载程度峰值降低20.3%,轴向黏性摩擦力峰值降低35.7%;斜盘倾角减小6°,柱塞偏载程度峰值降低25%,轴向黏性摩擦力峰值降低47.7%;而主轴转速对柱塞副在低压区的泄漏量影响较为明显,主轴转速降低300 r/min,柱塞副在低压区的泄漏量峰值降低18%。
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  气动执行器排气利用系统无因次效率分析

  虞启辉, 李奉奇, 张立从, 耿延歧, 谭心, 张业明

  液压与气动. 2023, 47(3): 28-36. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.03.004

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  为实现气缸排气回收再利用,提出气动执行器排气利用系统。根据系统工作过程,利用能量方程、气体状态方程等建立气动执行器排气利用系统基础特性模型。将基础特性模型转换为无因次模型,使用MATLAB/Simulink工具对无因次模型进行仿真,并分析了影响排气再利用效率的主要参数。结果表明:排气再利用效率主要由供气气罐无因次体积、无因次进气口有效面积、无因次有杆腔面积及无因次固有周期决定,影响率分别为30.45%,17.44%,13.55%,13.21%;对确定的气动执行器系统,可以通过增大供气气罐供气压力、减小供气切换判据来提高再利用效率。
综合应用
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  新型纵振减摩气缸活塞密封槽选取及摩擦特性测试

  吴洁, 刘磊, 舒春辉, 吕盘松, 浦晨玮, 刘阳, 钱鹏飞

  液压与气动. 2023, 47(3): 37-42. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.03.005

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  传统气缸因复杂的摩擦特性难以实现高精度控制,基于振动减摩原理,开发了一款新型高频纵振减摩气缸。在保证密封性能的前提下,凭经验在活塞上设计了6种不同槽口夹角和槽宽的密封槽,并根据实际PID运动轨迹跟踪控制的精度情况,选取其中最优的密封槽。通过模态分析、谐响应分析和阻抗测试,确定了所开发新型气缸的一阶纵振共振频率为6328 Hz。摩擦力测试结果表明:高频振动确实可以减小气缸的摩擦,且激励电压越大减摩效果越好;最大静摩擦力最大减少了约64.46%,动摩擦力最大减少了约63.62%。
理论研究
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  水平转竖直弯管粗颗粒气力输送特性数值模拟

  巴涵, 周甲伟, 郭小乐, 李冰, 刘晓辉

  液压与气动. 2023, 47(3): 43-50. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.03.006

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  为了明确水平转竖直弯管中粗颗粒的输送特性,在实验验证的基础上,利用计算流体力学与离散元(Computational Fluid Dynamics and Discrete Elements,CFD-DEM)耦合数值模拟方法对直径2.5 mm、高3.3 mm粗颗粒在水平转竖直弯管中的输送流型、速度、质量流量和气相压力变化进行了研究。研究表明:在起送阶段,弯管料栓具有蓄能作用,难以一次过弯的颗粒会在弯管中自发组成形态稳定的料栓,待蓄能完成后继续过弯运动;沙丘流的输送速度小、平均质量流量高,束状流的输送速度大、平均质量流量低。在稳定输送阶段,固相流型、速度、质量流量波动相对稳定,弯管段的压降和颗粒平均速度在前后半段表现出明显差异;前半段压降小、等压线波动大、颗粒平均速度快;后半段压降大、等压线波动小、颗粒平均速度慢;水平管段颗粒流型为稳定分层流,弯管段前半段颗粒流型为束装颗粒流、后半段为颗粒堆积分层流,垂直管段颗粒流型随管道延伸在向悬浮流发展。
工程技术
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  基于干扰观测器的液压位置伺服系统级联控制

  张兵, 饶俊森, 汤少东, 王志清, 杜厚弈, 邱龙涛

  液压与气动. 2023, 47(3): 51-59. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.03.007

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  级联控制策略被应用于液压伺服系统位置控制,以提高系统输出响应性能。为了抑制液压伺服系统中各种不确定的非线性因素和外部干扰,提出了基于干扰观测器的终端滑模控制与非线性补偿相结合的级联控制策略,利用Lyapunov稳定性理论证明了位置闭环系统在有限时间内收敛。与渐近收敛控制器不同,级联控制器保证了系统状态误差和观测器估计误差在有限的时间收敛到0。利用MATLAB/Simulink对设计的控制器进行了仿真验证,结果验证了提出的控制器的理论可行性。为了模拟外界未知干扰,在液压伺服系统基础上加入阻尼可调减震器,以此开展实验研究。结果表明:提出的控制器有效抑制未知干扰影响,且提高了液压伺服系统的跟踪精度。
理论研究
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  基于层流矩形间隙泄漏的叶片泵流量特性研究

  展鹏, 魏列江, 李健伟, 杨润雪, 康祯, 强彦

  液压与气动. 2023, 47(3): 60-67. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.03.008

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  容积式液压泵中泄漏是不可避免的现象,其中双作用叶片泵泄漏途径较多,考虑泄漏的输出流量计算较为复杂。以双作用叶片泵为研究对象,在AMESim中建立其吸油口面积、压油口面积和封闭容腔体积的几何模型,并将叶片泵五种泄漏等效为“层流矩形”间隙泄漏,分析在考虑内外泄漏特性时双作用叶片泵进、出油口的流量脉动,在不同转速及负载压力下输出流量的变化规律。研究表明:叶片泵的输出流量及压力均是有多个“封闭容腔”体积的周期性变化形成的;采用层流矩形间隙泄漏模型的输出流量与实际测试流量接近,最大误差为4.28%,且空载时泵轴转矩随转速提升呈线性增大,加载后转矩随着转速的提升先减小后线性增大,不同负载下当转速超过3200 r/min时,容积效率下降。
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  织构排布方向对摩擦副摩擦性能的影响

  王文安, 刘志奇, 谢志鸣, 陈东良

  液压与气动. 2023, 47(3): 68-74. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.03.009

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  织构具有减摩抗磨、提升油膜稳定性的作用,但常出现织构减摩作用不足的情况。这是由于织构定向润滑作用的存在,使得织构排布方向对减摩作用产生不同影响。采用仿真和试验方法,设计了混合摩擦条件下的摩擦磨损试验,以摩擦系数和磨损量作为评价标准,确定非对称织构的最佳排布方向。织构边缘与接触面摩擦方向夹角接近90°时减摩效率最高,比摩擦系数较夹角为0°时降低34%,磨损量降低78.43%。研究表明,在同参数同工况下,织构排布存在最优方向。丰富了织构化表面最优参数的设计体系,对织构的高效应用起到了理论指导作用。
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  分段啮合型线摆线泵的设计及其动态分析

  沈辉, 陈正荣, 王佩犇, 丁爽, 张纯, 关栋

  液压与气动. 2023, 47(3): 75-89. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.03.010

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  为缓解电动汽车里程焦虑,需提升其车桥润滑油泵效率。基于此设计一种应用于电动汽车车桥润滑系统的分段啮合型线摆线泵,与传统摆线泵相比,其具有接触力小和流量大的特点,改善了摆线泵的工作性能,提高了电动汽车的工作效率。分析了分段啮合型线摆线泵的理论排量,并基于功率键合图理论,建立了机液耦合动态模型。结果表明,该动态模型能有效表征分段啮合型线摆线泵的工作特性,与实验数据一致;同时可有效预测不同运行工况下的工作特性,为摆线泵的理论研究和工程设计提供一定参考。
综合应用
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  双斜盘轴配流轴向柱塞式液压电机泵的实验研究

  程江成, 朱碧海

  液压与气动. 2023, 47(3): 90-99. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.03.011

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  研制了一种双斜盘轴配流轴向柱塞式液压电机泵样机,并通过实验研究了样机所能达到的性能:理论排量7 mL/r、额定工作转速6000 r/min下公称压力20 MPa;5000 r/min下最大工作压力30 MPa;液压泵部分的容积效率达到91%以上。测得液压电机泵总效率最高值到达61%,中等转速区间(2000~4500 r/min)和压力区间(10~30 MPa)范围内总效率在0.56~0.61。实验表明,此类型液压电机泵,转子黏性阻力损失和配流轴间隙处的泄漏损失是两大主要损失,温度对这两大损失分别有明显的减少和增加作用,通过改善散热条件、选取合适的配流副间隙和使用低黏度液压油,有望更进一步提高样机的总效率。结果表明:适度提高液压电机泵的工作转速和提高电机的电流密度可以显著提高液压电机泵的功率密度,但转速过高,会带来较大的黏性阻力损失;采用较低工作转速、偏细长型的转子,采用低黏度液压油和取合适的配流副间隙,并且改善散热条件等,都是提高轴配流液压电机泵总效率的有效方法。
理论研究
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  串联囊式衰减器脉动抑制性能的高精度计算方法

  习毅, 李宝仁, 张迪嘉, 刘文, 邬李兵, 潘玉明

  液压与气动. 2023, 47(3): 100-107. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.03.012

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  提出了串联囊式衰减器压力脉动抑制性能的高精度计算方法,解决了现有模型理论计算结果和实验结果误差较大的问题;新方法建模过程中考虑了开有狭长椭圆小孔的微穿孔板声阻抗对脉动抑制性能的影响,并在考虑末端声学修正的基础上计算了不同孔形微穿孔板的声阻抗,研究了微穿孔板主要设计参数对脉动抑制性能的影响规律。结果表明:采用该方法得到的计算结果和实验结果的一致性更高、精度更高;含椭圆小孔微穿孔板的厚度、缝隙宽度及穿孔率对衰减器的压力脉动抑制性能有较大影响。
综合应用
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  锯齿状气动软体执行器设计与分析

  谢登宇, 李红军

  液压与气动. 2023, 47(3): 108-114. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.03.013

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  提出一种由3D打印技术和硅胶浇筑技术相结合的锯齿状气动软体执行器,对执行器的弯曲角度与气压的关系进行数学建模,通过单轴拉伸实验对材料参数进行测定,利用ABAQUS软件对影响执行器弯曲性能的因素进行有限元仿真,并对不同因素参数组合下的执行器弯曲位姿和运动区域进行分析,从而获得各因素综合作用下的最佳参数组合。搭建实验平台,对最佳参数下的执行器弯曲角度和运动区域进行实验测定,验证了建模的准确性。
理论研究
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  质子交换膜燃料电池引射器结构参数优化

  吴国鹏, 么大锁, 季宁, 于洋洋, 贺莹, 刘民杰

  液压与气动. 2023, 47(3): 115-122. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.03.014

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  对PEMFC氢气引射器结构参数组合进行正交试验设计并仿真分析引射效果。采用Kriging代理模型作为参数优化预测模型,并基于拉定超立方检验预测精度良好。基于Kriging模型进行主效应分析,证明引射器结构参数与引射效果存在复杂非线性关系。基于多岛遗传算法(Multi-island Genetic Algorithm,MIGA),以最大二次回流质量流量为优化目标,完成目标优化设计,并通过贡献度分析确定尺寸参数权重排序。通过帕累托最优解得到最佳结构参数组合并仿真求出最大二次回流质量流量为0.0037 kg/s,最大引射比2.64,对比正交试验最优结果提高了8.8%。
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  恒压蓄能器调控下制动能回收方法与样机试制

  赵美卿, 卫立新, 宁志强

  液压与气动. 2023, 47(3): 123-129. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.03.015

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  传统工程机械采用的皮囊式蓄能器储能密度低,当配合回转机构进行驱动和能量回收时,蓄能器内外压差较小时能量充放效果差,为此提出一种基于恒压蓄能器调控下制动能回收方案。介绍了恒压蓄能器原理,对比恒压蓄能器与皮囊蓄能器储能密度。回转机构制动能回收方案采用马达结合恒压蓄能器进行能量回收,通过SimulationX软件搭建仿真模型,分析回收方案回收效率。因恒压蓄能器加工工艺难度较大,尤其对气密性和气囊要求较高,提出恒压蓄能器工艺方案,并进行了样机试制。对变截面活塞进行设计,并采用铝合金材料进行加工,通过有限元方法对变截面活塞进行强度分析。结果表明:充放油过程油液压力保持恒定时,恒压蓄能器回收并释放的能量占惯性动能的42%;有限元分析表明铝合金变截面活塞满足活塞蓄能器强度要求。仿真和恒压蓄能器的试制为下一步制动能回收试验提供基础。
工程技术
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  基于自动前后调整算法的多目标液压支架优化设计

  高永华, 谢方伟, 贺克伟

  液压与气动. 2023, 47(3): 130-137. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.03.016

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  支撑掩护式液压支架四连杆的设计是一个多参数、多目标复杂耦合的作用过程,其性能主要取决于四连杆机构处于最高位置时杆件角度以及各杆件长度。构建了四连杆机构梁端点实际轨迹偏差量与各杆件长度及其角度的数学模型,利用层次分析法计算四连杆机构的多目标函数中各目标函数的权重。基于自动前后调整算法(Automated Forward/Backward Tuning,AFBT)进行求解,仿真得到了四连杆机构最优杆长及其角度参数组合。通过ADAMS运动学仿真得到了梁端点实际轨迹偏差量,最大仅为56 mm。基于优化算法,可控制整体仿真时间小于0.1 s,有效提高四连杆机构的设计效率。该模型为液压支架四连杆机构的设计提供了理论基础,研究结果对四连杆的设计有实际参考价值。
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  全电控正流量液压挖掘机启动压力冲击研究

  石向星, 高春莹, 陈俊翔, 王大宇, 艾超

  液压与气动. 2023, 47(3): 138-145. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.03.017

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  针对全电控正流量液压挖掘机执行机构启动阶段压力冲击较大的问题,对正流量液压系统中位卸荷阀阀口开度、主阀阀口开度、正流量泵输出排量之间的匹配特性进行研究。建立了卸荷阀阀口开度、外负载力、泵口输出流量之间的数学模型,提出了启动阶段卸荷阀阀口开度、正流量泵输出排量、主阀阀口开度之间的匹配原则,并在高精度机电液联合仿真平台上进行验证。结果表明:挖掘机执行机构在启动阶段的压力冲击减小30%以上,执行机构启动平稳性显著提升。
理论研究
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  基于ANSYS的大口径金属硬密封球阀泄漏分析

  杨国来, 孟德虎, 叶建中, 甘文军, 刘岱阳

  液压与气动. 2023, 47(3): 146-152. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.03.018

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  为研究大口径金属硬密封球阀的密封面性能,建立了球阀的主密封结构有限元模型,分析其在常温高压、高温高压下的应力变化及间隙变化。以阀芯弹性模量、阀芯半径、密封面轴向投影为优化变量,最终得到各参数对泄漏的影响。结果表明:在一定范围内,增大阀芯半径以及减小密封面轴向宽度,能减少泄漏,为大口径球阀的设计提供了参考。
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  极低速伺服油缸摩擦力与磨损

  刘能, 周杰, 谢文涛

  液压与气动. 2023, 47(3): 153-159. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.03.019

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  基于黏着理论对油缸活塞密封件的工作过程进行瞬态动力学仿真。结果表明:摩擦力和运行速度与介质压力正相关,介质压力和运行速度对磨损影响较小,油缸磨损主要取决于位移。研制液压测试系统,测试伺服油缸在极低速下运行的摩擦力。结果表明:摩擦力与介质压力正相关,与速度负相关。
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  带气环旋喷射流流场特征及喷嘴结构正交优化研究

  郑金贵

  液压与气动. 2023, 47(3): 160-168. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.03.020

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  为提高二/三重管法旋喷射流切割土体效率,采用Mixture多相流模型和RNG κ-ε湍流模型,开展了淹没环境下带气环旋喷射流流动模拟研究,获得了射流速度、气液两相体积分布、靶体作用压力等流场特征,并基于L₁₆(4⁵)正交试验设计及误差分析方法,获得了旋喷射流喷嘴关键结构参数对射流速度及其作用靶体压力的影响敏感程度与影响规律。结果表明:带气环旋喷射流能量衰减慢且集中在轴心区域,射流等速核心段长,冲击破坏土体性能好;喷嘴结构参数对射流冲击性能的影响敏感次序为:射流喷嘴出口直径>收敛角>气体喷嘴直径>气液喷嘴间距>射流喷嘴长径比;射流轴心速度及其作用靶体压力随出口直径和气体喷嘴直径的增大呈先快速增加后缓慢增加趋势,随收敛角、长径比、气液喷嘴间距的增大呈先增加后降低趋势。基于此,考虑旋喷射流设备性能,给出了最优结构参数为:射流喷嘴出口直径2.0 mm,收敛角12°或18°,长径比1,气体喷嘴直径0.9 mm,气液喷嘴间距5 mm。
综合应用
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  舱外服用补水单向阀设计与验证

  李磊磊, 赵健, 梁志伟, 姜坤, 张风光, 沈伟, 杨东升, 刘畅

  液压与气动. 2023, 47(3): 169-174. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.03.021

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  设计了一种开启压力小于5 kPa、反向截止压差不高于30 kPa的轴流式单向阀。单向阀采用真空电子束整体焊接结构,实现了单向阀小型化、轻量化约束下的高可靠外密封;运动副中导向面长度与导向面直径之比控制在1.25,焊缝位置距离密封副10 mm,导向面与密封面的一体化设计,使单向阀在30 kPa反向截止压力时能够实现反向截止可靠密封;设计的锥面密封副结构使单向阀流阻控制在5 kPa以下。单向阀已完成功能性能及寿命试验验证。结果表明:轴流式单向阀结构设计合理,方案具有体积小、质量轻等优点,动作次数满足6000次的长寿命使用要求,现已实现在轨成功应用。
工程技术
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  冲压机模垫液压系统研究

  贾士艳, 王志, 张靖雨, 王野牧, 梁全

  液压与气动. 2023, 47(3): 175-181. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.03.022

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  设计了大惯量冲压机模垫液压控制系统,建立了系统数学模型并仿真分析了模垫液压系统闭环位置控制系统的稳定性和动态特性。模垫液压系统采用液压泵和蓄能器组合动力源、高响应伺服比例阀作为液压控制元件,具有响应快、节能等特点。结果表明,利用前馈及加速度反馈的PID复合控制提高了系统的控制精度,液压模垫顶出阶段的平均上升速度为67.1 mm/s,顶出行程位置控制误差为0.0064 mm,压边力的波动范围250.12~250.35 kN,达到了液压系统的控制要求,降低冲压机坏件率,提高生产效率。
理论研究
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  高调节性控制阀结构设计与分析

  杨恒虎, 刘柏圻, 王伟波, 廖静

  液压与气动. 2023, 47(3): 182-188. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.03.023

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  针对某冶钢厂的流量控制需求,设计了一种特殊的控制阀调节特性曲线及阀内件流量控制结构,并利用有限元仿真技术模拟分析了不同开度下的流场,得到了控制阀相应开度的阀门流量系数值及调节特性曲线。通过4个开度实况下的体积流量与设计流量对比分析,验证了设计的准确性。结果表明,标准的等百分比和线性调节特性均不能满足用户的调节要求,而特殊设计的调节特性及阀内件结构可满足用户实际的控制需求,达到了设计目标,为具有高调节性的控制阀设计提供了参考。