2023年, 第47卷, 第6期　刊出日期：2023-06-15

  

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理论研究
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  二级阻尼先导式平衡阀动态性能研究

  陆亮, 李一凡, 司国雷, 李侃, 李梦如

  液压与气动. 2023, 47(6): 1-10. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.06.001

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  平衡阀是导弹发射车变幅机构液压系统中的关键部件,用于承担负值负载,其动态性能的优劣决定了液压系统的稳定性和安全性。建立了二级阻尼先导式平衡阀所在系统的详细数学模型,并进一步得出了传递函数。采用频域分析方法研究了阻尼孔直径和控制活塞直径对系统的稳定性和快速性的影响;采用MATLAB/Simulink对平衡阀-液压缸-变幅机构系统进行了动力学仿真,分析了阶跃流量输入下系统的抗负载扰动性能。结果表明:系统快速性随阻尼孔直径增大而提高,系统稳定性随控制活塞直径增大而提高;通过对平衡阀关键几何参数的设计,保证了平衡阀输出流量的稳定性,使系统具有较强的抗负载扰动能力,从而提升了液压系统的安全性和可靠性。
     
工程技术
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  末端速度操控的重载冗余机械臂运动学分析与仿真验证

  刘刚, 张红, 王晓磊, 程敏, 苏琦, 陈国栋

  液压与气动. 2023, 47(6): 11-18. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.06.002

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  重载冗余机械臂具有动作灵活,载重大等特点,非常适合消防、地震救援等复杂现场。然而,现有机械臂控制方式存在控制难度大、硬件要求高、控制效果差等问题。目前,针对这些问题的有效控制方式是末端控制,对此,分析了两种面向机械臂末端进行速度控制的算法——梯度投影法和分解速率法。针对重载冗余机械臂进行数学建模,运用MATLAB对两种控制算法进行了仿真验证,并比较了两种算法的可操作性。分析结果表明,梯度投影法和分解速率法总体上都能较好实现重载冗余机械臂的控制,分解速率法在误差控制方面更好,而梯度投影法在可操作性方面更强。这两种末端控制算法为下一步建立双臂重载救援机器人的操控策略和实际的应用末端控制提供了理论基础。
理论研究
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  喷雾时刻对等温压缩空气储能系统性能的影响

  虞启辉, 赵敏, 孙国鑫, 路亮

  液压与气动. 2023, 47(6): 19-28. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.06.003

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  为了研究压缩过程与喷雾换热过程的耦合关系,首先对喷雾换热等温压缩空气系统数学模型进行建立;其次通过实验数据验证了模型的准确性;最后研究了喷雾启闭时刻对系统总效率的影响,同时分析了不同压缩比和活塞速度与喷雾关闭时刻的关系。研究结果表明:给定0.12 m的气缸行程,当压缩比为2,活塞速度为0.1 m/s时,在下止点开启喷雾,0.3 s后关闭,系统总效率最优为87.73%,相对于压缩过程一直喷雾情况下的效率提高了7.63%。当活塞速度为0.15 m/s时,压缩比从2增大为5,最优喷雾关闭时刻从0.3 s增大为0.5 s。当压缩比为3时,活塞速度从0.1 m/s提升为0.2 m/s,最优喷雾关闭时刻从0.5 s减小为0.3 s。
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  超高压旋流除砂器结构响应面优化及数值模拟

  李美求, 赵志远, 宋德双, 詹良斌, 曾云

  液压与气动. 2023, 47(6): 29-39. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.06.004

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  采用中心组合试验设计(Central Composite Design,CCD)方法和计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)数值模拟方法,对旋流除砂器进行了不同结构设计变量与目标变量之间的响应面实验。选用Kriging模型完成了响应面拟合,并结合混合整数顺序二次规划(Mixed-Integer Sequence Quadratic Programming,MISQP)算法完成了最优解的获取,实现了对旋流除砂器结构参数的优化。数值模拟结果与预测结果在分离效率和压降上的误差不超过1%,验证了模型的准确性。多组粒径的数值模拟结果表明:优化结构在分离效率上从87.17%提高到95.63%,提升8.46%;底流管直径、溢流管直径和溢流管插入深度都会对分离效率造成显著影响,但溢流管插入深度对压降的影响并不显著;12组不同粒径模拟结果的tromp曲线显示,粒径35~80 μm区间,优化结构具有较高的分离效率,在30 μm以下对分离效率提升并不明显。该研究结果对超高压旋流除砂器的优化设计可提供参考。
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  航空伺服作动器热仿真建模与迭代优化

  吴帅昊, 胡建军, 张义仁, 徐岩, 徐扬, 肖强

  液压与气动. 2023, 47(6): 40-47. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.06.005

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  以某型航空伺服作动器为研究对象,搭建了高温热环境试验台来模拟作动器的工作环境,基于Fluent软件建立其流固耦合换热仿真模型,开展了试验验证与仿真模型的迭代优化研究。通过开展试验得到10组有效工况数据,部分工况用于仿真模型的迭代优化,剩余工况用于验证优化后仿真模型的准确性。结果表明,通过送风口风速修正、湍流模型选择修正、物性参数修正,优化后仿真模型平均误差为4.30%,各工况下测点平均温度试验与仿真结果最大误差为2.1%,表明本研究建立的仿真模型具有准确性。以作动器为载体提出了一套完整的仿真试验验证与迭代优化方法,可用于作动器温度场与流场特性研究,并为其他热端部件的仿真建模与试验验证提供方法借鉴,具有较高的工程应用价值。
综合应用
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  四浮子振荡扑翼波浪能发电装置设计与研究

  方子帆, 邱名岱, 左新球, 何孔德, 杨蔚华

  液压与气动. 2023, 47(6): 48-56. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.06.006

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  为了实现波浪能的高效采集与稳定的电能输出,提出一种浮子半径为2.5 m的四浮子振荡扑翼波浪能发电装置的设计方案。基于多腔油缸液压转换系统,创成一种多腔油缸液压转换与合并系统,确定了系统的组成及工作原理,以及采集机构、液压转换与合并系统各元件参数。运用AQWA仿真扑翼角位移响应,AMESim搭建采集机构、多腔油缸液压转换与合并和电能变换与储能系统仿真模型,搭建仿振荡扑翼波浪能发电装置试验平台,模拟规则波浪进行试验与仿真研究。研究结果表明:在三、四级波浪作用下,四浮子振荡扑翼波浪能发电系统能够稳定工作,其蓄电池组平均输入功率分别为46.5 kW与56.5 kW,总容量为300 Ah的蓄电池组分别需要1.42 h与1.17 h充满;试验验证了四浮子振荡扑翼波浪能发电装置发电原理的合理性和可行性,研究成果为阵列式波浪能发电装置的开发与研究奠定了理论基础。
理论研究
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  电液伺服增压系统的压力冲击抑制方案及特性

  韩笑, 郝云晓, 权龙

  液压与气动. 2023, 47(6): 57-63. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.06.007

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  传统伺服增压系统采用电磁换向阀控制增压缸双向运动,电磁换向阀阀芯位移阶跃变化,导致液压泵变量机构响应不及时而产生大的压力冲击,造成系统中部分元件的损坏并影响系统的正常工作。为此,提出一种液压泵压力主动调控与增压缸位置闭环控制的方法,在液压泵出口增设蓄能器,并使液压泵压力根据增压缸水腔压力实时变化,减小增压缸换向过程压力冲击。建立了所提伺服增压系统的仿真模型,分析伺服增压系统运行特性和所提方案减小压力冲击的效果。结果表明,与传统伺服增压系统相比,采用提出的解决方案,液压泵出口压力冲击由21 MPa减小为14 MPa;增压缸在系统启动过程中的油腔压力冲击由32 MPa 降低为7.1 MPa,降低幅度为77.8%;高压运行过程中,油腔压力冲击降低4.5 MPa。同时,所提方案具有良好的节能效果,一个增压周期内,与传统增压系统相比,能耗降低了6.7%。
工程技术
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  2500 kJ海上作业打桩锤液压系统液阻结构参数分析与实验

  周海勇, 王琳, 郑博寒, 黄增, 何小龙, 孙灿兴

  液压与气动. 2023, 47(6): 64-70. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.06.008

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  针对2500 kJ海上打桩锤的打击能量控制、系统响应速度、回路压力切换冲击等问题,通过仿真模型分析,从结构方面解决问题。首先介绍打桩锤工作原理,通过AMESim建立准确的液压系统仿真模型;其次通过设定进/回油路主阀及其先导阀内液阻仿真参数,分析不同液阻配比对打桩锤锤击的频率、能量和高度的影响,根据结论对开合时序设置和液阻结构设计给出指导性意见,并得到最优液阻选配方案;最后,根据2500 kJ打桩锤海试实验结果曲线,与同工况下仿真曲线进行对比,曲线趋势基本一致,证明相关结论对海上作业液压打桩锤优化设计起到一定的指导作用。
理论研究
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  湿喷台车新型喷嘴参数优化及其减磨特性研究

  廖金军

  液压与气动. 2023, 47(6): 71-78. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.06.009

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  为优化混凝土喷头的结构设计,提高喷射质量和减小喷嘴管壁的磨损,采用数值计算的方法模拟喷嘴的内部多相流流动过程,首先计算了常规喷嘴模型,分析了内部流动规律,在此基础上提出了一种带来复线的喷嘴设计方案,重点研究了来复线数量、螺距和凹槽剖面宽度对混凝土喷射的影响,也分析了喷嘴轴向摩擦力的参数。计算结果表明,来复线设计可以在喷嘴处产生一个轴向涡,将混凝土托起,减少混凝土与管壁的接触,从而可以有效减小摩擦力。
工程技术
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  前馈模糊PID控制的直驱双泵控三腔缸系统

  张树忠, 张雪峰, 郑祥盘, 刘晓红, 刘意

  液压与气动. 2023, 47(6): 79-87. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.06.010

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  针对液压挖掘机在工作过程中大量动臂势能被浪费,提出一种复合速度前馈与模糊PID控制的直驱双泵控三腔缸系统。在MATLAB/Simulink中,建立直驱泵控差动缸系统模型,通过试验验证其正确性,在该模型基础上搭建直驱泵控三腔缸系统模型,设计速度前馈模糊PID控制器,建立挖掘机动力学模型,将所提出节能系统应用于挖掘机动臂。通过仿真,对动臂在典型挖掘工况下的运行性能及能耗特性进行分析。结果表明,相比于直驱泵控差动缸系统,所提出系统峰值功率降低25.12%和节能33.11%;同时所设计控制器将位移跟踪误差控制在3%,与传统PID、速度前馈PID相比,响应速度快、超调小、位置跟踪精度更高。
综合应用
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  气液联动系统及其加载系统建模与机理分析

  邱华, 黄智鹏, 王晨旭, 赵峰, 俞滨

  液压与气动. 2023, 47(6): 88-95. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.06.011

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  为驱动大负载实现往复运动,多采用高功重比的液压驱动系统来实现,针对采用压力油箱供油的液压驱动系统即气液联动系统进行机理分析,并对其中各元部件进行数学建模,形成整个气液联动系统仿真模型,并探究关键元件压力油箱的工作机理及其工作特性。通过搭建加载系统进行加载分析,并搭建加载系统数学及仿真模型,通过气液联动系统与加载系统联合仿真模型进行仿真分析。考虑了温度对液压油的影响,实现了对压力油箱的精准建模,通过仿真与实验平台的对比,验证气液联动系统及其加载系统仿真模型的准确性,可为液压驱动系统实际设计与特性分析提供理论基础。
理论研究
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  陶瓷涂层对叶片泵配油盘磨损与腐蚀行为的影响

  孙海燕, 马嘉启

  液压与气动. 2023, 47(6): 96-101. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.06.012

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  为有效解决叶片泵配油盘在高速、重载等工作条件下的磨损和腐蚀问题,基于激光熔覆技术制备出一种陶瓷涂层。对不同激光功率和扫描速率下涂层的粗糙度、厚度、宽度、硬度以及残余应力等进行测定,得出工艺参数对涂层结构的影响效果。在10~30 N压力和10~20 mm/s有润滑摩擦速度的试验条件下,对配油盘的母材试样与涂层试样进行摩擦学测试,对比分析平均摩擦系数、磨损量的变化规律以及表面磨损机理。在酸性油液环境下,验证陶瓷涂层对母材磨损和腐蚀行为的强化效应。研究表明,陶瓷涂层能够显著提升配油盘的耐磨性和耐腐蚀性,其在不同试验条件下均以微细划痕损伤为主,未出现点蚀凹坑、表层剥落等问题。
综合应用
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  pVTt法气体流量标准装置热量主动补偿方法

  胡文清, 徐志鹏, 张高明, 郭婧

  液压与气动. 2023, 47(6): 102-108. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.06.013

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  pVTt因其精度高、结构简单、维护费用低等独特优势,已被许多国家用作主要气体流量标准。然而,由于进气和排气过程的稳定时间较长,其标定效率相对较低。为了缩短稳定时间,提出了一种具有主动热补偿的新型pVTt气体流量标准;介绍了新型pVTt标准装置的原理图;详细分析了气动状态变化和传热的数学模型;对热补偿的影响进行了数值模拟;进行了实验,结果表明,进气后的稳定时间可以从10 min缩短到1 min左右。
工程技术
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  矿用大型挖掘机器人轨迹规划与控制

  桑子文, 丁海港, 李志鹏, 史继江, 孟德远, 杨程程

  液压与气动. 2023, 47(6): 109-115. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.06.014

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  为提高矿用大型液压挖掘机的自动化水平,适应挖掘工况,设计了一种基于倾角传感器检测反馈的轨迹规划与控制系统。对目标挖掘机D-H建模,确定了其运动学正解及位姿表示;提出了一种适应性运动学逆解方法,提高了轨迹规划的柔性;建立了关节空间-驱动空间-检测空间的转换关系;对常见的挖掘卸料工况进行了轨迹规划,得到了液压执行器的位移目标曲线;通过上位机输出控制信号,控制比例多路阀开口,实现了执行器位置伺服。以95 t大型矿用挖掘机为试验对象,进行了挖掘轨迹规划与控制试验。试验结果表明,通过轨迹规划得到的各执行器目标曲线平滑连续,多执行器动作协调且铲斗位置精度较高,初步实现了自主挖掘作业。
理论研究
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  飞机燃油箱增压系统模拟试验的压力补偿方法

  钟若瑛, 李康康, 宋伟, 彭远卓

  液压与气动. 2023, 47(6): 116-122. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.06.015

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  采用通气增压系统对飞机燃油箱内燃油上表面空气增压,可避免燃油箱内燃油高空沸腾、汽化。通气增压系统在研制过程中,必须进行地面模拟试验以验证飞机飞行过程中的通气增压性能。由于大气压力随高度变化而变化,燃油箱内空气压与环境大气压之间的相对气压也随飞行高度变化,因此在地面模拟试验时,如何模拟相对气压的变化成为试验的关键。提出了一种基于压力补偿的燃油箱通气增压地面模拟系统,在飞机爬升过程中对燃油箱充正压、在下滑过程中抽负压,以实现对燃油箱相对气压进行补偿。通过通气增压系统压力补偿的流量理论计算,求解燃油箱正压力补偿向燃油箱充入空气的流量和燃油箱负压力补偿向燃油箱抽出空气的流量。然后通过仿真研究燃油箱通气增压特性,得到全剖面过程中燃油箱增压压力变化情况。最后通过地面模拟试验,试验和仿真的油箱增压压力变化趋势一致,误差均小于5%,验证了燃油箱通气增压系统仿真结果可信、基于压力补偿的地面模拟试验方法正确有效。
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  液压油黏度与含气率对涡旋泵性能的影响

  王培栋, 赵远扬, 李连生, 高一鸣

  液压与气动. 2023, 47(6): 123-129. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.06.016

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  基于空化模型和动网格技术,建立了含轴向间隙的涡旋泵流体域模型,对其内部流场进行数值模拟,得到不同转角下涡旋泵工作腔内流体的压力、速度、气相体积分数和流量等参数,分析了不同液压油的温度、种类和气相质量分数等对涡旋泵内的压力脉动和空化的影响。结果表明:液压油中气体质量分数从3e^-5 增加到1.2e^-4,导致泵的容积效率下降;液压油从32#到68#,动力黏度增加0.0315 Pa·s,涡旋泵的压力峰值增加11.93 MPa,容积效率增加2.7%;从38 ℃增加到44 ℃,液压油动力黏度减少0.011 Pa·s,涡旋泵的压力峰值降低5 MPa,容积效率下降1.1%。
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  单作用滑片泵内部流动特性数值研究

  张志宇, 黎义斌, 曹文斌, 陈玉党

  液压与气动. 2023, 47(6): 130-138. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.06.017

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  为了揭示偏心距对单作用滑片泵水力性能的影响规律,建立6种不同偏心距的泵模型进行研究,并对偏心距10 mm工况下3种封闭角进行分析。基于动网格技术和RNG k-ε湍流模型,对滑片泵进行三维非定常计算。研究表明:偏心距对滑片泵水力性能影响较大,随着偏心距由6 mm增大至11 mm,泵出口平均流量呈上升趋势,但其容积效率逐渐下降,偏心距为9 mm时滑片泵容积效率与流量较高;随着偏心距增大,转子所受径向激励力也随之增大,其中偏心距对转子径向激励力y方向分量影响较为明显,随着偏心距增大,其脉动曲线形状发生变化;封闭角为10°时,泵腔与吸油窗口相连前两者压力差较低,对进口处回流抑制较明显。
工程技术
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  一种液动苹果手机包装线的设计与分析

  范景峰, 梅二召, 叶欣, 张亚芳

  液压与气动. 2023, 47(6): 139-146. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.06.018

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  为了加快苹果手机包装生产线的自动化程度,设计一种液压控制的苹果手机包装线。利用三维软件SolidWorks建立该生产线的整体结构示意图。详细介绍了该生产线中的包装机构、自动贴标机、捆扎机等控制方法,运用数学方法分析包装机构设计的合理性和可行性;利用PLC控制自动贴标机的运动,实现精准贴标;利用液压控制回路控制捆扎机的运动,实现精准捆扎;利用PLC控制机器人的运动,实现苹果手机包装箱的精准搬运。同时,对该生产线各个模块的控制进行详细介绍,试验结果表明,该生产线能够满足苹果手机包装生产,具有成本低、自动化程度高、效率高、运行平稳等特点。
综合应用
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  伺服比例阀多物理场耦合仿真研究

  黄柯, 俞亚新, 金波, 陈雷, 张策

  液压与气动. 2023, 47(6): 147-155. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.06.019

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  伺服比例阀是一个涉及多学科领域的复杂物理系统,建立包含机械、电、磁、流场等模块在内的多物理场耦合模型对其进行仿真研究。基于对伺服比例阀结构和工作原理的分析,搭建阀芯位移闭环控制电路及阀芯动力学模型,建立伺服比例电磁铁有限元瞬态仿真模型、液动力瞬态流场降阶模型,并将各模块耦合完成伺服比例阀多物理场模型,实现动态特性仿真。为验证伺服比例阀多物理场耦合模型的准确性,对采用相同的测试条件及控制电路的伺服阀阀芯位移控制系统进行试验,通过输入不同的指令信号得到阀芯位移的阶跃响应曲线及电磁铁电流曲线。经对比,阶跃响应测试中阀芯位移仿真结果与试验曲线相比最大误差不超过15%,不同阶跃指令下仿真得到的电磁铁电流与试验电流曲线变化趋势相同,验证了模型的准确性,为后续伺服比例阀的研发及优化提供有效平台。
理论研究
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  数字式气动桥式回路故障诊断

  孙健, 度红望, 熊伟

  液压与气动. 2023, 47(6): 156-162. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.06.020

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  针对数字式气动桥式回路可靠性不高的问题,提出了基于支持向量机的气动系统故障诊断方法。通过分析气动桥式回路常见故障,得出9种故障类型和1种正常状态,使用AMESim建立了回路的仿真模型,基于多传感融合思想获取系统正常动作、工作压力低、气缸泄漏、开关阀不工作或者产生泄漏、减压阀不减压等正常/故障状态数据。针对系统整体工作数据集,在MATLAB中建立支持向量机故障模型进行桥式回路故障诊断实验与分析,结果表明该方法可准确分辨出系统的1种正常状态和9种故障状态。
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  航空发动机二元矢量喷管控制系统设计及验证

  齐东兴, 朱传龙, 毛晓奇, 李凌汉, 赵海然

  液压与气动. 2023, 47(6): 163-172. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.06.021

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  矢量推进和红外隐身能力在现代空战中尤为重要,与之密切相关的是航空发动机尾喷管,根据某型发动机二元矢量喷管的特定工作条件,对其控制系统开展研究,提出了喷管喉道控制和矢量控制双回路双余度的设计方案,实现了在发动机稳态和过渡状态下调节喷口喉道面积、出口面积及矢量偏转,并在故障状态下将矢量喷口控制到安全位置等功能。经计算仿真及整机试验验证,设计方案合理可行,满足某型发动机使用要求。
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  基于时频控制的恒流量泵机理研究

  杨凌, 王德海, 刘明, 王珂, 刘宝玉, 安高成

  液压与气动. 2023, 47(6): 173-180. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.06.022

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  针对转向系统恒流量需求的背景,以简化结构提高可靠性为目标,以对应于转速的运动频率、有效吸油行程及其行程占比的控制,提出基于时频控制的恒流量泵原理,并从理论角度验证了其基本机理。以某型恒流径向柱塞泵开发为背景,开展了相关的仿真研究,针对该型柱塞泵关键参数进行了敏感性分析,对恒流控制的影响因素进行了解析。相关研究成果可拓宽恒流泵的设计思路,具有较强的理论及工程价值。
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  基于贝叶斯分类器的液压泵故障分级诊断方法

  贾超广, 肖海霞

  液压与气动. 2023, 47(6): 181-188. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.06.023

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  矿用液压泵故障种类较多,其分类过程一直存在无明确标签特征量化,导致故障诊断精准性较差的问题。对此提出应用贝叶斯分类器的矿用液压泵故障分级诊断方法,采用动态统计滤波计算矿用液压泵运行过程中的正常数据、噪声数据的特征性相关值,根据噪声和其他数据信息量不同的特点,离散噪声数据以达到过滤的目的。考虑到矿用液压泵故障数据集中存在无特征标签的问题,为避免混淆,划分无特征标签数据状态,计算二者属于同种类别的概率值,并采用损失函数对其进行约束。建立贝叶斯分类器,让已知种类和未知种类的矿用液压泵故障数据集处于同一分类空间,计算二者的先验概率和证据因子,通过概率值诊断待检测数据与已知数据间的属性差异,并利用贝叶斯分类器划分的故障诊断等级实现矿用液压泵故障分级诊断。实验结果表明:所提方法矿用液压泵故障诊断精准度高,不同类型故障的特征捕捉性能强,实用价值高。