2023年, 第47卷, 第5期　刊出日期：2023-05-15

  

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理论研究
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  斜轴式柱塞马达轴承寿命影响因素分析

  郭志敏, 黄伟迪, 崔凯, 许昕蕾, 刘施镐

  液压与气动. 2023, 47(5): 1-7. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.05.001

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  为了提高斜轴式柱塞马达轴承的使用寿命,研究和分析缸体摆角、轴承运行温度和柱塞合力偏载对轴承寿命的影响规律。首先,利用Romax软件建立斜轴式柱塞马达轴承的受力模型;然后,根据载荷、主轴转速和润滑油黏度,计算了不同缸体摆角对轴承寿命的影响,进一步分析轴承运行温度和柱塞合力偏载对轴承最小油膜厚度与轴承寿命的影响;最后,以轴承寿命大于2000 h为目标,确定合理的柱塞球窝中心分布圆半径。结果表明:缸体摆角、轴承运行温度和柱塞合力偏载都对轴承寿命有较大影响,由于承载力与力矩的能力不同,两轴承的寿命变化趋势并不相同;为了满足该型号斜轴式柱塞马达轴承寿命的设计要求,柱塞球窝中心分布圆半径应不超过72 mm,同时马达工作过程中需要避免轴承运行温度过高。
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  样本不平衡下基于自定步调集成的液压系统智能诊断方法

  苏颖迪, 贾峰, 杨飞, 沈建军

  液压与气动. 2023, 47(5): 8-16. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.05.002

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  在液压系统智能诊断中,样本不平衡将使得智能诊断模型容易学习到样本充裕的液压系统健康状态的诊断规则,忽略样本匮乏的健康状态诊断规则,致使模型诊断精度下降。针对上述问题,提出基于自定步调集成的液压系统智能诊断方法。该方法首先将多数类样本集根据不同的硬度等级分为k个容器;然后通过欠采样平衡每个容器对分类硬度的贡献,使重采样后每个容器中的样本硬度总和一致;在训练过程中不断更新自步因子,用来降低样本数量过多的容器采样权重,经过n次迭代形成最终的集成诊断模型。将提出方法应用于液压系统不同故障数据集进行智能诊断,结果表明,该方法能够提高样本不平衡情况下液压系统故障识别的准确率,且诊断结果优于传统的智能故障诊断方法。
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  时变工况下电静压伺服机构性能退化监测方法研究

  马行健, 贺青川, 刘慧, 赵守军, 潘骏

  液压与气动. 2023, 47(5): 17-25. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.05.003

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  针对缺乏时变工况下电静压伺服机构性能退化监测方法,在地面摇摆测试过程中难以预测性能退化程度,进而影响火箭健康状态评估准确性的问题,提出了一种利用人工神经网络进行电静压伺服机构性能退化监测的方法。通过对电静压伺服机构的系统建模与性能退化机理分析,确定了性能退化表征参数;通过分析不同性能退化阶段与正常状态下的特征参量相对偏离程度的方法构建了健康因子;提出了基于可控参数的前馈神经网络进行健康因子监测的方法。利用地面摇摆实验平台进行了验证,结果表明:所构建的健康因子具有较强的性能退化程度表征能力;所提监测方法对解决时变工况下电静压伺服机构性能退化监测问题是有效的。
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  冷热气流混合容腔温控系统建模及特性分析

  何震, 杨钢, 储景瑞, 李宝仁

  液压与气动. 2023, 47(5): 26-33. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.05.004

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  面向高超声速飞行器总温模拟装置的冷热气流混合容腔温控系统主要由等离子加热器、电-气伺服阀、混合容腔等组成,存在难以建立精确数学模型、系统特性复杂等问题,从而导致开展气流温度控制方法研究难度较大。首先基于机理建模法建立混合容腔、电-气伺服阀数学模型,然后利用受控自回归滑动平均模型对等离子加热器进行开环离线辨识,从而得到系统的数学模型,并基于MATLAB/Simulink搭建仿真模型,通过PID控制策略分析了混合容腔内冷热气流混合过程其出口气流温度的动、静态特性。同时通过实验与仿真结果对比,验证了冷热气流混合容腔温控系统数学模型的准确性,为气流温度控制方法的研究提供理论基础。
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  基于动态重叠网格的阀芯振荡空化的研究

  刘乐璠, 郑直, 闵为, 冀宏

  液压与气动. 2023, 47(5): 34-41. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.05.005

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  锥阀是压力控制阀中常用的阀结构形式,其阀芯的轴向振荡直接影响着压力控制阀的调压精度和工作稳定性。针对先导级锥阀,将动态重叠网格技术与可视化试验相结合,对锥阀振荡时启闭空化的产生原因进行了研究。结果表明:开阀时产生空化的原因是由于阀口开启时的射流;关阀时产生空化的原因是由于断流后液体惯性产生的低压压力波,且改变阀芯运动速度会对流动造成影响。
工程技术
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  自抗扰控制的单双泵控分布式挖掘机液压系统

  张树忠, 刘意, 李苏, 张雪峰

  液压与气动. 2023, 47(5): 42-50. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.05.006

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  针对挖掘机工作装置差动缸中存在流量不平衡和多象限工况,提出一种单双泵控混合分布式液压系统,其中动臂为单泵控,斗杆和铲斗为双泵并联式泵控。以某微型挖掘机为对象,分别设计单泵、双泵并联式泵控单元及其自抗扰控制器。在MATLAB/Simulink中建立附加泵控单元的工作装置动力学模型、负载敏感阀控系统和所提出的泵控系统模型;在典型挖掘循环下进行阀控和泵控系统的仿真,分析系统速度-负载特性、跟踪性能及能耗。结果表明,双泵并联式泵控能有效抑制四象限工况导致的速度波动;所提出泵控系统与阀控系统相比,三个缸的均方根误差和最大误差平均值分别增加了2.5 mm和7.5 mm,但系统效率由21%提高到60%;所设计的ADRC与PID相比,系统效率基本相当,系统响应速度得到提高,实现与阀控系统相仿的跟踪性能。
综合应用
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  变刚度弹性轴微颗粒嵌入与阻塞的机理分析与实验研究

  许文智, 耿德旭, 王霞, 彭贺

  液压与气动. 2023, 47(5): 51-58. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.05.007

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  为提高柔性机器人承载能力,结合微颗粒嵌入和阻塞原理的优势,提出了一种正压驱动的变刚度弹性轴,分析其变刚度机理,设计并制造了变刚度弹性轴样机,搭建了变刚度弹性轴实验平台通过实验分析不同因素对弹性轴刚度影响。实验结果表明:弹性轴自由状态,弹性轴充入压力越大,其刚度越大;弹性轴充入压力一定时,随着位移的增加,刚度的增量逐渐减少;金属螺旋管内侧间隙越大弹性轴刚度越强;填充颗粒种类对弹性轴刚度有影响;颗粒大小对弹性轴刚度有影响,且颗粒越小弹性轴刚度越大。当弹性轴完全伸长填充物为直径1.2 mm白刚玉时,变刚度效果最好可提高56.1倍。可为变刚度柔性机器人设计提供新的技术支持。
理论研究
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  滑阀阀芯凹角结构CFD仿真分析与优化设计

  张敬芳, 张宇航, 余聪, 杨明昆, 张勇, 艾超

  液压与气动. 2023, 47(5): 59-67. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.05.008

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  液压滑阀作为基础的液压放大元件之一,广泛应用于液压伺服系统。液压滑阀通过节流原理实现对流量或压力的控制,同时阀口节流作用会导致能量损失和剧烈漩涡,影响液压系统的工作性能。以液压滑阀阀芯为研究对象,采用有限元分析软件Fluent研究阀芯凹角结构对滑阀内部流场流动特性和能量损失特性的影响,其次基于粒子群算法对阀芯凹角结构参数进行智能寻优。研究结果表明:“斜边+弧边”形结构阀芯可以有效平缓流场,抑制阀口处漩涡的发生,当阀芯凹角斜线角度为57.4°,圆弧半径为1.14 mm,阀口处最大湍流动能较常规滑阀降低25%。研究成果将为液压阀阀芯结构的设计和优化提供思路。
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  基于多物理场耦合的线性压缩机吸排气阀组气动噪声分析

  刘昊, 刘佳, 赵红菊, 姜宇, 黄鑫宇

  液压与气动. 2023, 47(5): 68-76. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.05.009

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  以线性压缩机吸排气阀组为研究对象,考虑吸排气阀组特征,依据结构动力学构建吸排气阀组结构域动力学方程;利用计算流体力学的基本理论,建立吸排气阀组流体控制方程;结合Lighthill声比拟方法建立吸排气阀组声学模型。考虑吸排气阀片组结构-流体-声学各物理场耦合面间物理量传递关系,利用ANSYS Workbench多物理场仿真平台,构建基于结构-流体-声学多物理场耦合的线性压缩机吸排气组仿真模型,研究不同工作频率下吸排气阀组的气动噪声。结果表明:随着活塞运行频率的增大,吸排阀组的气动噪声随之增强,但运行频率达到100 Hz之后增幅变缓,为合理选取压缩机工作频率提供了依据。
综合应用
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  气液溶解式液压储能技术的储能密度研究

  瞿炜炜, 周连佺, 杨成, 王金凤, 徐添

  液压与气动. 2023, 47(5): 77-84. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.05.010

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  针对现有蓄能器储能密度低导致体积过大的问题,提出一种气体压缩与气液溶解相结合的混合储能方式。以CO₂-H₂O作为储能介质,采用自主搭建实验台进行了储能特性的实验研究。结果表明:CO₂和H₂O的溶解度增大使得混合储能技术的升压范围明显低于常规蓄能器,在压力变化范围相同的情况下,该蓄能器储存能量更多;蓄能器初始压力、储能速度以及气液比例是影响气液溶解式蓄能器储能密度的三个因素,蓄能器初始压力越高、储能速度越低,储能密度改善越明显;随着注水量的增大,气体溶解量增大,当溶解量达到最大值时,储能密度的改善受到限制。气液混合储能技术具有高能量密度和节能环保的特性,是一种现实可行的替代性技术。
工程技术
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  基于Kriging代理模型的离心通风机叶片优化

  孟凡念, 张子琦, 苏晓龙, 李立伟

  液压与气动. 2023, 47(5): 85-91. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.05.011

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  为了提高离心通风机的气动效率,进而实现节能减排和保护环境,提出了一种基于Kriging回归的代理模型用于离心通风机的气动优化。首先,通过拉丁超立方采样设置初始样本点,构建样本点对应下的离心通风机结构模型;进而用CFX软件计算其结构参数对应下的气动性能响应参数;其次,构建Kriging回归的代理模型用于表征初始样本点参数与气动性能响应参数间的耦合对应关系;最后把代理模型嵌入到智能优化算法中,并以气动效率最大为目标进行函数迭代寻优,进而寻得最佳的叶轮结构参数,优化后风机的工况效率从76%提高到80.9%,气动效率明显提高。
理论研究
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  涡旋泵关键部件受力与变形分析

  王培栋, 赵远扬, 高一鸣, 李连生

  液压与气动. 2023, 47(5): 92-98. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.05.012

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  采用CFD方法,建立了涡旋泵内部流动分析模型,得到不同转角下涡旋盘表面的压力载荷分布规律。将流场边界压力载荷施加到涡旋齿表面,得到不同转角下涡旋齿的受力和变形情况。研究表明:最大变形发生在动静涡旋盘啮和处的涡旋齿内侧,液体压力差是导致其变形主要因素。涡旋齿内外侧变形规律基本相同,齿高增加,变形量增加。转速增加,涡旋齿所受的最大应力和最大变形量均明显增大。
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  压力角对齿轮泵整体性能的耦合影响与分析

  钟国坚, 杨元慧

  液压与气动. 2023, 47(5): 99-104. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.05.013

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  为挖掘压力角对齿轮泵整体性能的综合影响及分析,以20°标准压力角及25°大压力角和大侧隙齿轮副为例,在分析压力角对齿轮副传动平稳性、泵内密封、输出流量特性、泵轻量化效果等性能的基础上,重点分析大压力角对重迭系数和卸荷面积及其困油压力的综合影响。结果表明:相对于20°的标准压力角,25°时虽然重迭系数下降9.64%,流量脉动系数下降7.33%,单位排量泵体积下降0.37%,最大困油流量下降49.14%,但齿顶压力角增大10.58%,顶齿厚角下降16.36%,卸荷面积大幅下降69.20%,由此虽然明显改善了流量脉动,但是降低了传动平稳性和径向密封效果,且对泵的轻量化效果和困油现象的改善很小;轴向缝隙对困油现象的缓解效果更灵敏更明显;针对齿轮泵整体性能的改善而言,大压力角并非有效方案。
工程技术
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  一种柴油机用液压调速器设计与实现

  张邵平, 文李明, 黄念劬

  液压与气动. 2023, 47(5): 105-110. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.05.014

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  在传统的机械喷油泵中,喷油量的调节是通过调速器来实现的。在各类型的调速器中,液压调速器因其特有的优点在柴油机及发电机上仍在广泛使用。但又因其结构复杂,大功率柴油机用液压调速器仍依赖进口。为打破这种情况,基于液压调速器的工作原理,从正向设计方法出发,介绍了设计步骤以及关键部件计算公式;以此来计算某型柴油机用液压调速器的结构参数,建立AMESim模型,并进行仿真分析得出瞬时补偿中缓冲弹簧刚度、针阀通流面积的最佳匹配参数;并在试验平台上进行不同针阀通流面积的测试验证,试验结果与仿真结果基本吻合。
理论研究
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  基于往复式柱塞的呼吸机测试仪校准装置仿真

  徐峥, 徐志鹏, 张高明, 蒋庆

  液压与气动. 2023, 47(5): 111-116. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.05.015

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  呼吸机作为治疗重症新冠肺炎等呼吸疾病的重要医疗器械,需要使用呼吸机测试仪进行定期校准。针对目前有关呼吸机测试仪的校准工作效率和精度低,且动态流量等参数缺乏科学的评价依据等问题,提出了一种基于往复式柱塞的动态流量发生装置,通过伺服电机驱动柱塞缸往复运动,产生频率幅值可调节的动态流量。通过AMESim一维仿真获得动态流量与柱塞速度的关系曲线,并利用ANSYS Fluent三维动网格技术对所得柱塞速度下输出流量进行仿真验证。初步结果表明装置可以输出频率约0.4 Hz,潮气量最大为2876 mL,流量幅值为240.92 L/min的动态流量,以及流量幅值196.43 L/min,误差2.5%左右的静态流量,可以实现静态、动态流量整合校准,满足呼吸机测试仪流量参数的校准需求。
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  低温环境液压元件现状与展望

  崔季, 吴张永, 朱启晨, 蒋佳骏, 蔡晓明

  液压与气动. 2023, 47(5): 117-127. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.05.016

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  低温液压元件广泛应用于特殊环境中,而环境温度变化对液压元件性能有显著影响,低温会导致液压元件启动与运行困难、压力损失增加、尺寸形变、寿命缩短等。归纳和分析了环境温度低于-20 ℃液压元件的使用场景、材料选取与加工、结构设计与优化、性能以及测试等。分析了低温液压元件在新材料、新工艺、低温性能测试技术发展、磁弹簧机构应用等方面的前景。可作为特殊环境下液压元件设计和分析的参考。
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  液黏调速器接合过程建模与特性分析

  王翔宇, 汪浒江, 郝惠敏, 黄曦, 黄家海

  液压与气动. 2023, 47(5): 128-134. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.05.017

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  针对液黏调速离合器接合过程中的挤压膜流动以及摩擦阶段过渡问题,综合考虑摩擦副表面粗糙度、表面油槽结构和流体惯性力等因素,根据流体动压润滑理论和GW粗糙接触模型,建立离合器接合过程的动力学模型,并采用有限体积法对平均流量雷诺方程求解,对挤压过程中的油膜压缩速度、油膜厚度、被动盘转速、传递转矩等动力学参数的变化规律展开了仿真分析。仿真结果表明,液黏调速离合器接合过程主要处于流体润滑阶段和混合摩擦阶段。流体润滑阶段黏性扭矩迅速增加,但是相对角速度变化不大,由于油膜厚度变化较快,在0.1 s左右进入混合摩擦阶段,该阶段油膜厚度变化较小,黏性扭矩逐渐下降至零,摩擦扭矩开始占据主导地位。
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  集成电路用气动隔膜阀流体特性的数值研究

  唐金鑫, 李培源, 陈波, 周临震

  液压与气动. 2023, 47(5): 135-142. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.05.018

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  基于Fluent流场模拟软件,对自主设计的集成电路用气动隔膜阀的流阻特性与内部流场特性进行了可视化数值研究。在保证计算条件相同的前提下,对不同开度下的全三维流体域进行了稳态模拟仿真。结果表明:此隔膜阀为快开流量特性,流量系数随开度的增加呈对数级增大,流阻系数随开度的增加呈反比例式减小,且在开度为1.8 mm后均变化不明显。阀芯与阀座的间隙为流速和压强的突变处,阀芯在此处易受到流体的冲刷。研究结果为此阀的合理使用开度提供了有效数据,为同类产品的相关研究提供了参考价值,并为后续的结构优化设计指明了方向。
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  射流偏转板伺服阀小电流输出引发异响声问题及解决措施

  赵朋林, 周浩浩

  液压与气动. 2023, 47(5): 143-151. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.05.019

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  针对射流偏转板伺服阀在液压马达速度闭环控制系统应用实例中伺服阀小电流工况下存在的异响声问题,通过对伺服阀射流口处流场进行仿真分析。确认异响声的原因为:射流偏转板伺服阀前置级供油压力高,在伺服阀射流前置级入射口形成气穴效应,引起小流量输出压力脉动增大,当压力脉动频率与产品结构固有频率接近时,谐振响应导致异响声。采用在射流偏转板型伺服阀前置级增加进油节流孔措施,在不损失伺服阀性能前提下,可抑制供油压力波动对控制级的影响,有效解决伺服阀小电流输出引起的异响声问题。
综合应用
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  多路阀用三通流量卸荷阀阀口结构参数对流场特性影响的分析

  任建颖

  液压与气动. 2023, 47(5): 152-160. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.05.020

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  为了探究6 t轮挖多路阀用三通流量卸荷阀阀芯锥角、阀芯异型分压角以及阀体阀口处倒角对阀口流动特性的影响,应用CFD技术,对不同阀芯锥角、阀芯有无异型分压角以及阀体阀口处有无倒角条件下阀口的流场特性进行了仿真模拟计算。仿真分析表明:不同的阀口结构参数对三通流量卸荷阀阀口的流动特性有显著影响,选取合理的阀芯锥角,有利于三通流量卸荷阀的快速卸荷;阀芯异型分压角的存在,可减小阀口处的压力损失;阀体阀口处有倒角,阀口处的瞬时流量增加,有利于三通流量卸荷阀的快速卸荷。同时对制造样机进行了静态特性台架试验测试,为多路阀用三通流量卸荷阀的设计提供了重要参考。
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  引流发动机高压煤油的泵控式伺服机构设计与试验

  张朋, 冯伟, 郝伟一, 赵春, 李凌云

  液压与气动. 2023, 47(5): 161-168. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.05.021

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  针对航天大推力液体发动机推力矢量控制的需求,提出了引流发动机高压煤油的泵控式伺服机构方案,高压煤油驱动液动机恒速转动,由小功率机电伺服机构控制变量泵的调节机构,实现变量泵输出流量大小和方向控制,完成泵控式伺服机构精确位置输出。研制了高集成一体化泵控式伺服机构样机,建立了系统数学模型,进行了仿真分析和试验测试,-3 dB幅频带宽可达53.5 rad/s,-45°相频带宽可达28.5 rad/s。表明,泵控式伺服机构具有良好的频率特性,满足发动机推力矢量控制的需要。
工程技术
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  一种微型比例电磁铁研究开发

  郭加利, 张曦, 张鑫彬, 江金林, 金理, 朱文杰

  液压与气动. 2023, 47(5): 169-174. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.05.022

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  精密气体比例阀应用于各种重要气动控制领域。提出了一种动极靴方式的比例电磁铁结构,并介绍了比例电磁铁的设计开发过程。利用有限元分析软件Ansys Workbench平台对极靴的各项参数进行优化设计分析,得到了各项参数的最有值。开发设计了适应结构需求的柔性弹簧,实物刚度的测试结果验证了设计的有效性。由此组成了一款微型比例电磁铁样机,试验表明该样机满足电磁铁比例性能的要求。该形式的微型气体比例电磁铁,具有结构紧凑、性能可靠的特点,可以应用到各种气体比例控制场合。
理论研究
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  挡圈引起冷氦电磁阀用弹簧蓄能圈失效机理分析

  魏东, 郭志海, 刘红宝, 王树杰, 臧辉

  液压与气动. 2023, 47(5): 175-181. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.05.023

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  某型号用冷氦电磁阀在室温下动作若干次,主阀发生卡滞;但在低温(-196 ℃)下工作正常。对卡滞的电磁阀进行分解,发现主阀上维持前后压差的弹簧蓄能圈发生失效,蓄能圈内金属弹簧碎断,金属片进入主阀与壳体之间的间隙,进而卡住主阀;后将主阀上的挡圈取下,电磁阀恢复正常。为分析挡圈造成蓄能圈失效的机理,分别建立起冷氦电磁阀带挡圈及不带挡圈的AMESim数学模型,获取两种状态下主阀及蓄能圈在电磁阀动作时的运动特性曲线;以此为基础,在LS-DNYA显示动力学分析软件中建立起主阀-蓄能圈冲击仿真模型。计算结果表明:挡圈令蓄能圈在电磁阀打开过程中背部憋压。在蓄能圈运动速度变慢后,与主阀发生碰撞,造成蓄能圈失效。
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  节流锁紧回路驱动稳定性

  石家庆, 张建新, 张震, 王贝, 刘念

  液压与气动. 2023, 47(5): 182-188. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.05.024

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  围绕某火箭发射装置提升锁紧系统在下降驱动时的抖动问题,以发射装置提升锁紧回路为研究对象,分析了节流锁紧回路的原理,通过AMESim软件搭建了回路仿真模型,开展了问题复现与技术分析,确定了在液压锁、节流阀与液压缸组合应用工况下,造成液压缸负向负载驱动时抖动的技术原因,提出了增加背压阻尼的改进技术方案,并通过对不同背压下的驱动特性进行仿真验证,摸清了背压值对驱动稳定性的影响规律,将改进回路方案及合适的背压参数进行了试验验证,解决了抖动问题,满足技术要求。为后续节流锁紧回路在负向负载驱动方案设计、仿真分析和参数匹配中提供了有价值的技术参考。