2023年, 第47卷, 第4期　刊出日期：2023-04-15

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理论研究
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  空间转角蚁穴式调节阀复合降压结构设计及仿真分析

  韩明兴, 丁爽爽, 吴新宇, 马玉山, 罗小辉, 刘银水

  液压与气动. 2023, 47(4): 1-10. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.04.001

  摘要 ( 29 ) PDF全文 可视化 收藏

  空间转角蚁穴式调节阀(ATE调节阀)降压结构复杂,其空间转角蚁穴式节流元件(ATE节流元件)流道融合了转折、扩张、汇合、分流和对冲等流动过程。通过CFD流场仿真,研究在不同压力等级下ATE节流元件级间压力、速度、流量及气体体积分数随降压级数、流道形状、流道关键结构尺寸等参数的变化规律。压降特性仿真结果表明,ATE节流元件能够将一次较大的压降分解成多次的小压降,逐级降压过程压降线性度良好。同时ATE节流元件关键结构参数的仿真研究表明,级间距为7 mm时空化最小,渐缩型节流元件空化程度最小,腰型槽为3 mm时节流元件空化程度最小,出口沉槽倒角不会降低空化程度,增大出口沉槽过流面积会导致空化程度增加。最后搭建了ATE节流元件测试平台,对节流元件在不同压降条件下的压力和流量进行了测试,ATE节流元件级间压力测试与仿真结果的最大误差不超过8%,流量误差平均值约为10%,试验测试与仿真计算结果具有较好的一致性,试验验证了仿真计算的准确性。
综合应用
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  全海深载人潜水器液压源试验研究

  陈志达, 季红涛, 李玲珑, 古浪, 胡晓函, 马云祥, 李邦鹏

  液压与气动. 2023, 47(4): 11-18. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.04.002

  摘要 ( 27 ) PDF全文 可视化 收藏

  针对深海高压力、低温度、强腐蚀的极端环境,需要解决液压源系统及相关元器件在全海深环境使用的适应性问题,从而在深海大深度范围内获得满意的动、静态工作性能,为深海作业装备的运行提供可靠的动力驱动保障。对液压油环境适应性展开了研究,完成了液压源的研制,并进行了陆上测试和压力筒测试。试验结果表明:液压源运行正常,系统压力和流量均满足技术指标要求,项目组认为液压源技术开发路线合理,技术状态固化可行,可以进行水下工程样机的加工建造。
工程技术
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  基于液压挖掘机作业循环阶段的工况识别方法研究

  马守磊, 苏晗, 杨超, 马伟, 殷晨波, 刘效忠

  液压与气动. 2023, 47(4): 19-26. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.04.003

  摘要 ( 58 ) PDF全文 可视化 收藏

  作业循环阶段以及工况的自动识别是挖掘机节能技术的基础研究。当前识别方法多利用智能算法且借助大量外部传感器,占用过多计算资源、可靠性低、成本高,因而难以部署到现有挖掘机控制器。为了解决上述问题,提出一种基于动臂角度和回转压力的识别方法。首先根据挖掘机作业机理提取作业循环各阶段的划分特征,通过操作手柄电流和动臂角度信号实现特征识别。借助挖掘机工作装置角度传感器验证作业循环阶段划分结果,分段误差在0.3 s以内,准确率为83.3%。然后基于挖掘机不同工况在作业循环阶段的运行机理,由动臂角度信号实现搭台与平地的工况识别,准确率为90%;由回转马达压力信号实现装车与甩方的工况识别,准确率为83.3%,识别结果主要受到作业循环阶段划分准确率的影响。
理论研究
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  风力发电机组泵控液压系统变桨距控制研究

  李斌, 张镇麒, 于浩辉, 赵瑞, 张天贵, 闫桂山, 艾超

  液压与气动. 2023, 47(4): 27-35. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.04.004

  摘要 ( 29 ) PDF全文 可视化 收藏

  风能收集和转换主要的两种功率调节模式是风力机转速变化和桨距控制。从大型风力发电机组容量和变桨距控制的要求出发,对高性能变桨距控制技术展开研究,应用电液伺服泵控变桨距控制系统,针对变桨距控制中负载强扰动,系统控制鲁棒性差的问题,采用模糊PID控制策略,提高系统抗干扰的综合性能。通过Simulink建立模糊PID控制策略,因为负载处于强扰动工况,针对不同桨距角下,油缸所受载荷进行仿真分析,通过在Fluent中建立风机桨叶的流场模型,得出了不同风速情况下液压缸所受载荷与桨距角之间的关系。最终将系统的载荷谱装载到液压系统与控制策略仿真模型中,通过仿真与试验相结合的形式,得出系统稳态控制精度提高71%,响应时间提高34.28%,系统超调降低48.33%。验证模糊PID控制策略对于提高系统鲁棒性有良好的控制效果。
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  高速开关阀控位置伺服系统的模式切换控制

  王玉文, 朱玉川, 陈晓明

  液压与气动. 2023, 47(4): 36-45. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.04.005

  摘要 ( 18 ) PDF全文 可视化 收藏

  针对高速开关阀阀控位置伺服系统在脉宽调制信号驱动下,存在控制精度差的问题,提出了一种“模式切换”算法以提高其控制精度。首先介绍了系统结构与工作原理,并在此基础上建立系统数学模型。分析了四个高速开关阀开、关状态组合形成的七种工作模式,舍弃两种会产生较大流量变化的工作模式,选择剩余的五种工作模式以满足微小位置误差调节的需求。设计了“PID+模式切换”控制器,使用位置误差的PID控制器输出值和主阀两腔压力作为工作模式切换的依据,通过工作模式的实时切换,实现了主阀的高精度位置控制。试验表明在跟踪幅值为4.5 mm,频率为0.5 Hz的正弦轨迹时,主阀最大跟踪误差、平均跟踪误差及标准跟踪误差分别为0.46, 0.08, 0.07 mm,与传统PID控制器相比,所提控制器能够获得良好的位置控制性能,且高速开关阀总的开、关次数也减少了38%。
工程技术
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  多模型Stacking集成学习的旋转机械故障诊断方法

  姜万录, 赵岩, 李振宝, 杨旭康, 张士博, 张淑清

  液压与气动. 2023, 47(4): 46-58. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.04.006

  摘要 ( 16 ) PDF全文 可视化 收藏

  针对传统旋转机械故障诊断方法中单一机器学习模型出现的诊断精度低、泛化能力差且性能提升有限等问题,提出了通过Stacking框架异质集成多个机器学习模型对旋转机械进行故障诊断。首先利用小波包变换对旋转机械的原始振动信号进行特征提取;然后通过贝叶斯优化和网格搜索结合的方法调节各基学习器的超参数,采用DT、KNN、SVM及RF作为初级学习器,LR作为次级学习器构建Stacking异质集成学习模型;最后通过滚动轴承和液压泵故障模拟试验,将所提模型与单一模型、同质集成模型进行比较分析。试验结果表明,异质集成Stacking模型在不同旋转机械的故障诊断中均获得了最佳的整体诊断性能。异质集成是提高旋转机械故障诊断性能的有广阔应用前景的解决方案。
理论研究
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  纵坡工况下超低重载主动悬挂升降轨迹灵敏度分析

  韩成, 康绍鹏, 刘凯磊, 强红宾

  液压与气动. 2023, 47(4): 59-70. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.04.007

  摘要 ( 9 ) PDF全文 可视化 收藏

  为提高在纵坡工况下超低重载主动悬挂行驶的安全稳定性,设计出一种升降驱动单元升降控制系统,并分别建立其在理想路面与D级路面的纵坡工况下的数学模型,通过对比升降驱动单元路面跟踪曲线与实际输出位移曲线,验证其在两种路况下的跟踪性能。采用一阶轨迹灵敏度分析方法建立D级路面纵坡工况下升降驱动单元灵敏度方程,给出其位移响应对应的各参数灵敏度,建立灵敏度衡量指标,定量分析各参数变化对输出动态特性影响程度的大小。研究结果表明:液压缸活塞有效面积、液压缸等效总容积、液压油弹性系数、比例伺服阀压力流量系数、液压缸总泄漏系数和最大负载的变化对升降驱动单元输出位移动态性能影响很大,这为后续主动悬挂升降驱动单元性能优化提供理论支持。
综合应用
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  机器学习算法在重型燃气轮机健康监测的应用现状

  许未晴, 冀守虎, 安永伟, 贾冠伟, 曹鑫源, 王佳, 蔡茂林, 吴素君

  液压与气动. 2023, 47(4): 71-86. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.04.008

  摘要 ( 55 ) PDF全文 可视化 收藏

  重型燃气轮机是提供电力和调节电力波动的重要设备,其组成复杂、精密程度高,发生故障后会产生严重的安全隐患,进而影响经济效益。采用机器学习算法是实现重型燃气轮机健康监测的有效方法。机器学习算法的优化及融合对重型燃气轮机系统的健康运行具有重大意义。介绍了重型燃气轮机健康监测的发展过程;综述了采用不同机器学习算法对燃气轮机大部件及其子部件健康诊断的预测结果;重点分析对比了气路故障和整体状态健康监测、寿命预测的不同方法;总结燃气轮机健康监测的主要技术问题及展望未来的发展方向,为机器学习算法在重型燃气轮机的应用提供了参考。
理论研究
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  压缩空气小型发电系统的性能分析

  虞启辉, 韩世杰, 杜旭东, 张旭晓

  液压与气动. 2023, 47(4): 87-94. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.04.009

  摘要 ( 20 ) PDF全文 可视化 收藏

  为了研究压缩空气小型发电系统的性能,首先搭建试验平台并对系统各部分建立数学模型,其次基于试验平台和MATLAB/Simulink软件对系统进行试验验证和仿真研究,验证了仿真模型的合理性。进而获得不同进气压力和转速工况下发电系统的输出功率和效率特性。结果表明:该系统的输出功率随着进气压力的增加而增加,当系统进气压力为0.7 MPa,膨胀机输出转速为3000 r/min时,随着输出电压的增大,系统的输出功率先增加后趋于稳定,最大输出功率可达5.98 kW;不同的输出功率对应的最佳发电效率不同,当输出功率为1 kW和5 kW时,系统的发电效率分别为63.2 %和76.7 %;当气罐容积为500 L,储气罐初始压力为6 MPa,进气压力为0.7 MPa时,系统至多可以满足5.98 kW的输出功率工作2209 s。
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  双电动缸滑模力分配同步起竖控制

  李浩, 葛曜文, 邓文翔, 姚建勇

  液压与气动. 2023, 47(4): 95-106. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.04.010

  摘要 ( 46 ) PDF全文 可视化 收藏

  针对含有未知系统动态、外部时变干扰及内力纷争的双电动缸同步起竖系统,提出了一种不依赖于函数逼近器且能保证瞬态和稳态跟踪性能的同步控制策略。设计基于未知系统动态估计的双曲滑模控制器保证起竖轨迹跟踪性能,使用未知系统动态估计器估计补偿系统未知参数和外部时变干扰,该控制器结构简单只需调节一个参数且具有良好的动态适应性能,基于双曲函数设计了一种新的滑模趋近律,有效克服了传统滑模的易抖振等问题;针对双电动缸同步起竖过程中存在的双缸耦合现象,设计推力分配同步控制算法,避免系统产生大的耦合内力,同时保证双缸运动的同步性。通过Lyapunov稳定性理论证明闭环系统的稳定性,仿真结果证明了提出控制策略的有效性。
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  汽车空气悬架系统及精准控制技术发展综述

  付硕, 许一虎, 孙治博

  液压与气动. 2023, 47(4): 107-114. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.04.011

  摘要 ( 62 ) PDF全文 可视化 收藏

  空气悬架系统具有寿命长、自振频率低、刚度与高度可调等优点,广泛应用于野外作业车辆。但现有空气悬架系统存在控制模式单一、参数解耦困难、非线性与时滞性严重等问题,直接限制了车辆行驶安全性、舒适性和通过性的提升。通过对世界范围内当前在悬架系统参数模型构建、汽车空气悬架系统以及空气悬架控制技术等不同角度着手的研究情况进行分析,同时提到目前我国在汽车空气悬架系统及精准控制技术方面现存问题和未来发展趋势,为我国空气悬架高精度控制技术的发展提供参考。
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  某6×4商用车空气处理系统性能特性分析

  王旭刚, 谌炎辉, 吴迁

  液压与气动. 2023, 47(4): 115-122. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.04.012

  摘要 ( 14 ) PDF全文 可视化 收藏

  为了优化传统的空气处理系统设计计算匹配方式,缩短设计计算周期,根据机械式干燥器的工作原理,分析影响空气处理系统的重要因素,并通过仿真与试验对影响因素进行了研究。首先根据其工作原理用AMESim软件构建仿真模型,然后根据空气处理系统的工作过程搭建台架试验平台,最后用试验验证模型的合理可行性。研究结果表明,在室温23 ℃,没有辅助散热装置的条件下,8540 mm钢管干燥器进气口的温度比5370 mm钢管多下降11.37 ℃左右,散热效果更好;其泵气时间为87 s左右。较5370 mm钢管多1~2 s,空压机的负荷率只增加了0.66%左右,再生率减少了0.27%左右。对比分析仿真与试验结果,空压机的负荷率和干燥器的再生率误差在0.23%,0.15%左右,其结果具有良好的一致性,可为空气处理系统的设计计算提供参考。
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  三向堆垛拣选叉车液压集成块仿真优化

  于浩辉, 艾超, 杨明昆, 夏庆超, 叶国云, 傅敏

  液压与气动. 2023, 47(4): 123-131. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.04.013

  摘要 ( 18 ) PDF全文 可视化 收藏

  在三向堆垛拣选叉车液压系统中,集成块加工直角交叉内部油道时常采用工艺孔,但工艺孔会使油液的外剪切应力发生改变,产生湍流或漩涡流动,增大压力损失及振动噪声。针对此问题,采用ANSYS软件对集成块流道的液流特性进行仿真,探索油液在集成块内的流动状态和压力损失机理,得到工艺孔直径、长度以及刀尖角腔的长度和方向结构属性对于流道压力损失的影响规律。通过对叉车举升系统液压集成块进行优化仿真,最终实现了平均压力损失降低13.61%的有益效果。
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  基于CFD方法的垂直起降飞行器气动设计与分析

  赵楠, 张志强, 孙巍伟

  液压与气动. 2023, 47(4): 132-140. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.04.014

  摘要 ( 39 ) PDF全文 可视化 收藏

  设计了一种复合式动力布局的垂直起降(vertical takeoff and landing, VTOL)飞行器,该飞行器采用无尾三角翼气动布局,静稳定设计,在其处于固定翼模式的情况下,使用CFD方法,基于Standard k-ε湍流模型对其进行了仿真分析。获得了在一定范围的迎角下飞行器的气动参数曲线以及升阻力情况,为该飞行器结构设计及控制系统设计提供了依据。仿真结果表明,该飞行器具有较小的阻力系数,且在最大升阻比附近的动态范围较宽,尤其适合高速飞行的场合。俯仰力矩几乎为0,无需平尾配平俯仰力矩,降低了控制系统的设计难度。飞行器整体设计布局合理,气动效率较高。
工程技术
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  起落架集成阀内流道压损计算及实测

  王建森, 王宇航, 张健全, 李文宣, 张雪豪

  液压与气动. 2023, 47(4): 141-146. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.04.015

  摘要 ( 10 ) PDF全文 可视化 收藏

  简要分析了国产新研制的某型起落架集成阀基本结构特征及工作原理,利用计算流体力学方法,采用时均化定常不可压N-S控制方程、RNS k-ε湍流模型,计算得到了额定流量下集成阀内部各流道压损值,与试验测试结果相比,二者一致性好,最大偏差小于18%,验证了仿真方法的有效性,可为评估集成阀油路结构设计的合理性及改进设计提供借鉴。
理论研究
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  振荡扑翼波浪能发电装置的建模与研究

  方子帆, 杨艳丽, 谢雪媛, 熊飞, 王佳佳, 左新球

  液压与气动. 2023, 47(4): 147-156. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.04.016

  摘要 ( 20 ) PDF全文 可视化 收藏

  为实现波浪能的高效采集与转换,参考鸟类的运动特性,提出一种振荡扑翼波浪能发电装置。将键合图方法引入多物理场耦合的波浪能发电系统,建立了波浪能发电装置由波浪能到电能的全局模型,并利用多能域系统仿真软件AMESim,搭建了能量采集-转换-储存全过程的系统仿真平台,设置参数进行了仿真分析。开发仿规则波浪振荡扑翼波浪能发电装置试验平台,验证了仿真平台的有效性,仿真结果与试验结果吻合度较高。研究结果表明,该振荡扑翼波浪能发电装置能够有效采集波浪能,实现电能的稳定输出,发电效率达62.9%;键合图法可作为波浪能发电装置的设计与研究的重要工具;该仿真平台与试验平台为波浪能发电装置的设计和评价提供了理论基础和途径。
综合应用
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  基于有限元的结肠镜软体机器人设计仿真及优化

  俞为仁, 陈刚, 曹倩倩, 方靖鑫, 王靖凯, 余秉峰, 蔡京东, 张雷

  液压与气动. 2023, 47(4): 157-164. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.04.017

  摘要 ( 19 ) PDF全文 可视化 收藏

  结肠镜是检测肠癌的金标准,提前筛查能够大幅度降低肠癌的发病率。提出了一种基于仿生的软体机器人设计方案,采用3个内腔体的软体材料结构,通过控制腔体气压大小控制机器人的弯曲方向与角度。该软体机器人安置在传统肠镜的末端,替换传统的人工式操作,在肠镜手术检查过程中起导引作用,可有效的避免结肠镜检查推进与取出过程中肠镜与肠道的不必要接触。利用有限元分析的方法,对软体机器人驱动腔体的形状和布局以及多段式结构进行了仿真,优化了软体机器人的设计参数并开发了机器人样机,通过试验验证了软体机器人的弯曲性能。
理论研究
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  基于ARX-FCM的盾构机液压推进系统故障诊断方法

  周胜利

  液压与气动. 2023, 47(4): 165-174. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.04.018

  摘要 ( 31 ) PDF全文 可视化 收藏

  针对盾构机液压推进系统的智能故障诊断系统设计的相关问题,以中铁十四局在工程项目中使用的泥水盾构机为研究对象,介绍了盾构机液压推进系统的工作原理,利用故障影响模式及危害性分析(Failure Mode, Effects and Criticality Analysis,FMECA)方法对推进系统的故障模式和故障机理进行了梳理总结,并根据推进系统的工作原理,结合AMESim软件建立了系统的仿真模型,通过修改模型参数模拟出液压缸泄漏、溢流阀泄漏、换向阀泄漏、调速阀损坏4种常见故障模式。在此基础之上,提出基于有源自回归(Auto-Regressive with Extra Inputs,ARX)模型和模糊C-均值聚类(Fuzzy C-means,FCM)聚类相结合的故障诊断方法,该方法利用ARX模型对多传感器数据进行融合,提取不同故障模式的故障特征,并通过FCM算法根据故障特征对不同的故障模式进行诊断识别。仿真结果表明,基于ARX-FCM的故障诊断方法可以对每种故障模式进行精准的识别,能够有效的应用于盾构机液压推进系统的故障诊断系统设计中。
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  基于AMESim的液压模式冲压空气涡轮系统仿真研究

  杜鑫, 柯兵, 刘诚, 高雅婧

  液压与气动. 2023, 47(4): 175-182. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.04.019

  摘要 ( 45 ) PDF全文 可视化 收藏

  冲压空气涡轮系统(Ram Air Turbine,RAT)是飞机应急能源系统,紧急情况下为飞机提供应急能源,用于飞机的操控。在分析涡轮调速机构原理基础上,建立了涡轮部件调速机构的动力学方程,并在AMESim中建立了涡轮部件仿真模型。分析了RAT液压泵的原理,结合柱塞液压泵调压、卸荷原理,建立了RAT液压泵的动力学方程,并在AMESim中建立RAT液压泵仿真模型。在涡轮部件和RAT液压泵模块基础上,建立液压模式RAT系统仿真模型,分析了液压模式RAT的性能,为液压模式RAT的设计和分析提供了一种方法。
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  轴向柱塞泵/马达回程盘与滑靴运动关系分析

  刘旭, 谭斌, 阳方义, 翟玉恒, 林雄涛

  液压与气动. 2023, 47(4): 183-188. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.04.020

  摘要 ( 44 ) PDF全文 可视化 收藏

  针对轴向柱塞泵/马达中回程盘变形、磨损及碎裂的现象,通过分析回程盘滑靴安装孔与滑靴之间的位置关系,建立了两者相对运动的不等式组,求解出在斜盘平面、滑靴中心与回程盘上滑靴安装孔中心在回转过程中相对斜盘中心的角度和距离变化范围,进而找到滑靴与回程盘可能接触的区域,并通过实例分析了回程盘上滑靴安装孔大小对滑靴与回程盘相对运动的影响,对于液压泵/马达回程盘的设计具有参考意义。