2023年, 第47卷, 第7期　刊出日期：2023-07-15

  

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综合应用
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  基于热管的轻量化液压油箱散热设计与试验研究

  肖洋, 胡建军, 姚静, 孔祥东

  液压与气动. 2023, 47(7): 1-7. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.07.001

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  为强化轻量化液压油箱的散热能力,基于传热学原理,利用热管高效传热的特性,配合多层螺旋折流板,设计了一种储油散热一体化的轻量化液压油箱,完成了样机加工和试验台的搭建。以样机散热功率和总传热系数为研究目标,探究了不同冷却风量、加热温度和水流量对油箱散热性能的影响,针对试验中的新发现进行了样机改进试验。结果表明,在一定范围内增加冷却风量、提升加热温度和水流量均能强化油箱的散热性能。在研究工况范围内,样机最高散热功率达到了1.13 kW,散热功率密度为22 kW/m³。
理论研究
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  油液温度对液压缓冲阀动力学特性影响分析

  强彦, 崔元亭, 单乐, 毛飞鸿, 徐晓鑫, 魏列江

  液压与气动. 2023, 47(7): 8-17. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.07.002

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  油温对重型车辆机械控制式液压缓冲阀的运动部件动力学特性及出口压力调节过程均会产生显著影响。依据某重型车辆液压缓冲阀,建立阀芯及缓冲活塞的动力学模型,通过流场仿真对阀芯过流面积、流量系数及射流角进行详细解析,最后在20～100 ℃油温下对换挡缓冲液压系统进行仿真分析和实验对比研究,从而揭示了油温对缓冲阀运动部件及调压过程的作用机理。研究表明,随着温度升高:缓冲阀入口流量系数小幅增大,入口射流角及阀芯黏性摩擦力先增大后减小;阀芯和活塞运动速度增大;100 ℃时的压力调节时间较20 ℃时缩短36%,缩短幅值大;缓冲结束时,对稳定输出的压力影响不大;缓冲阀在缓冲升压阶段的起止压力不会因油液温度变化产生较大变化。
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  非惯性系下柱塞腔空化及腰形孔结构参数敏感性分析

  刘东强, 纪宇龙, 孔屹刚, 安高成, 刘宝玉, 王文康

  液压与气动. 2023, 47(7): 18-27. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.07.003

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  为适应轴向柱塞泵高速化发展趋势,建立了非惯性系下腰形孔压降理论模型,依托柱塞泵CFD仿真模型,进行了柱塞腔压力分布、空化研究及腰形孔参数敏感性分析。研究结果表明:柱塞泵运行工况对柱塞腔空化程度有一定影响,气体体积分数随着转速的升高和入口压力的降低而增大。高转速下,柱塞腔内部流体出现较大的轴向和径向压力梯度,压力分布情况恶劣,部分低压区域出现空化现象。改变腰形孔径向倾角、高度、切向偏转角、入口倒角和出口倒角等结构参数,可有效降低柱塞腔空化程度。
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  多通道振动信息融合的柱塞泵异常检测方法

  鲁思杰, 潮群, 刘成良

  液压与气动. 2023, 47(7): 28-36. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.07.004

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  目前柱塞泵的故障诊断普遍采用监督式机器学习,但实际工程应用中难以收集到大量带有标签的故障训练集。提出一种无监督式机器学习的柱塞泵异常检测方法,在训练阶段仅需要柱塞泵健康状态下的振动数据。同时,为了提升在不同工况下柱塞泵的异常检测性能,对柱塞泵壳体上多个方向的振动信号进行融合,将其时频图合成为RGB图像。通过变分自编码器重建图像,根据输入输出图像的差异度确定柱塞泵异常检测的阈值。通过故障模拟试验台所采集的柱塞泵典型故障振动信号进行实验,结果表明,相比于普通自编码器,变分自编码器和多通道振动信号融合能够提升不同工况下柱塞泵的异常检测性能。
工程技术
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  基于优化模糊自适应PID的除雪撒盐车马达恒转速调控

  沈建军, 唐正, 王斌强, 贾峰

  液压与气动. 2023, 47(7): 37-45. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.07.005

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  除雪撒盐车在工作时会受到干扰并产生液压冲击。为实现撒盐马达转速恒定,提出了基于野狗优化算法的阀控马达模糊自适应PID控制方法。通过分析除雪撒盐车阀控马达和模糊自适应PID控制原理,建立了基于野狗优化算法模糊自适应PID的液压系统与控制系统联合仿真模型;比较了野狗优化算法与遗传算法、粒子群算法、人群搜索算法的传统优化算法在控制效果上的优势。结果表明:联合仿真模型准确,采用野狗优化算法的模糊自适应PID控制相比较于传统优化算法响应速度更快,且几乎没有超调,抗干扰能力更强,鲁棒性较强,满足除雪撒盐车工作过程撒盐马达恒转速调控。
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  矿井提升机电液制动非线性控制方法

  汤裕, 解辉, 沈刚, 朱真才, 李翔

  液压与气动. 2023, 47(7): 46-54. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.07.006

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  电液制动装置是矿井提升机最后一道安全保障设备,合理的制动控制方法是保障提升机安全运行的关键。以单绳缠绕式矿井提升机为研究对象,考虑钢丝绳柔性特性,基于拉格朗日方程构建了提升系统非线性制动控制模型。采用径向基函数神经网络估计制动过程罐道摩擦力、非定常扰动、建模误差等不确定性,结合反步设计原理提出了基于模型的矿井提升机电液制动非线性控制方法,引入自适应更新律对神经网络权值进行在线调节,增强了设计控制方法的鲁棒性。搭建了矿井提升机制动模拟实验台并开展了对比实验,实验结果表明,与传统制动控制策略相比,提出的方法能够有效改善提升机制动平稳性和安全性。
理论研究
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  高压大流量纯水液控单向阀冲击特性与气蚀损伤的关联性

  刘磊, 赵继云, 张磊, 满家祥, 黄传辉, 郭华锋

  液压与气动. 2023, 47(7): 55-63. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.07.007

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  针对高压大流量工况下纯水液控单向阀的气蚀损伤问题,研究其冲击空化特性与气蚀损伤的关联性,通过冲击实验、扫描电镜、电化学等方法对高压大流量纯水冲击后的液控单向阀阀芯表面进行分析。结果表明:随着冲击特性的增强,空化指数显著增强,气蚀损伤越剧烈,说明空化溃灭的动力学作用与冲击特性呈正相关。空化溃灭时能够在短时间内释放高温传递至不锈钢表面,并经过纯水介质的快速冷却,导致出现马氏体结构。经空泡溃灭作用后不锈钢表面钝化膜出现早期裂纹及气孔,其包含区域的电流密度较高,从而电离产生更多H⁺,致使纯水pH值降低,产生酸性的腐蚀溶液,加速钝化膜的破坏,早期气孔逐渐扩大发展为明显气蚀坑。
工程技术
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  自增压高速航空柱塞泵前置诱导轮及涡轮组件的设计与仿真

  陈远玲, 张泽, 陈家文, 闫明洋, 潘越洋

  液压与气动. 2023, 47(7): 64-72. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.07.008

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  为减轻高速航空柱塞泵的空化现象,提出了一种带前置诱导轮及涡轮的自增压高速航空轴向柱塞泵结构。以0.3 MPa的增压值为目标,根据柱塞泵的工况参数以及边界条件确定了离心涡轮和诱导轮的参数,并通过流场数值仿真研究了有/无诱导轮以及不同诱导轮结构和参数对离心涡轮的水力性能和抗气蚀能力的影响。结果表明:增加诱导轮可使离心涡轮的抗气蚀能力增强48.5％,扬程提高3.4％;诱导轮几何参数的改变主要影响了离心涡轮的抗气蚀能力,三叶片诱导轮比四叶片诱导轮的抗气蚀能力强24.8％;圆锥形诱导轮比圆柱形诱导轮抗气蚀能力强14.7％;1 mm轮缘叶片厚度抗气蚀能力最强,比2 mm与3 mm分别增强了11.8％,31.1％。研究结果可为高速航空柱塞泵诱导轮涡轮组件的设计提供理论参考。
理论研究
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  基于上游单点测量信息和机器学习的气动系统并联双气缸泄漏故障诊断

  朱宏伟, 王志文, 杨波, 王虎, 熊伟

  液压与气动. 2023, 47(7): 73-82. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.07.009

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  利用少量传感器融合机器学习技术进行系统多故障诊断是实现气动系统低成本智能化故障诊断的潜在途径。以气动系统中常见的泄漏故障为例,探究了利用上游单点测量信息实现下游并联双气缸泄漏故障诊断的可行性。上游单点测量信息包括压力、流量和火用数据,预处理后的数据通过栈式自编码器(Stacked Autoencoder,SAE)进行特征提取,并将提取的特征送入高斯过程分类器(Gaussian Process Classifier,GPC)中进行学习分类。实验结果表明:通过机器学习模型学习分析上游单点测量信号来实现对下游并联双气缸泄漏故障的诊断和定位是可行的;在本实验同等条件下,基于火用数据的平均分类准确率达到100%,高于基于流量数据的98.99%和基于压力数据的77.38%。
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  基于机舱负载特性的力控伺服加载系统仿真分析

  赵峰, 李化顺, 邱华, 刘旭, 俞滨

  液压与气动. 2023, 47(7): 83-90. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.07.010

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  民用运输机具有集装化运输能力的同时有着高效率、高机动性等优势,得到了远程运输领域相关研究人员的重视。其承载能力、重心平衡与飞行安全均受到机舱负载特性的影响,因此需要使用加载系统对机舱进行加载实验,为确定运输机负载性能、故障排除和后续构型改进提供指导建议。针对机舱载荷模拟加载控制,设计了一种力控伺服加载系统的机械结构与加载方式,并基于系统控制模型,分别对单套伺服缸与由多套伺服缸组成的加载系统进行了不同响应信号与工况下的负载特性仿真分析,表明该系统有着较快的跟踪速度和较高的跟踪精度,仿真结果可作为后续力控伺服加载系统设计及深入研究的依据。
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  留学生液压与气动技术课程实践教学设计

  蒋丹, 赵雯婷, 郭庆, 付益路, 杨平

  液压与气动. 2023, 47(7): 91-99. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.07.011

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  在留学生液压与气动技术课程教学中,为了让留学生更直观理解和灵活掌握流体传动与控制的专业知识,从理论教学、实践教学设计、成绩评定等环节入手介绍实践教学实施过程。在液压与气动元件的拆装实验以及液压与气动回路设计与搭建实验基础上,将科研案例与教学密切结合,增加了管路水击实验和参观SMC电子科技大学技术中心的实践教学内容。通过把先进的工程技术理念带入到实践教学课堂中,提高了留学生动手能力、团队协作能力及理论结合实际的能力,进一步增强了留学生的创新精神与科研素养。
综合应用
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  苹果采摘机器人手部结构设计与分析

  郑华栋, 王宏, 张洲, 王才东

  液压与气动. 2023, 47(7): 100-105. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.07.012

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  苹果种植是农业经济中不可或缺的一部分,目前的人工采摘形式效率低、成本高。针对该问题,提出一种气动式苹果采摘机械手。针对苹果大小不一、组织较脆,采摘过程容易受机械损伤的特点,设计了能够适应不同苹果尺寸的采摘机械手结构,搭建了机械手的驱动系统、建立了机械手的运动学、动力学和结构优化模型,并进行了样机制作与抓取实验。通过实验验证了机械手可以安全抓取苹果,完成作业。该机械手能够为苹果采摘的机械自动化、智能化研究提供一定的借鉴作用。
理论研究
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  径向充磁磁性液体密封性能

  王军, 王乐宏, 王永强, 王建梅

  液压与气动. 2023, 47(7): 106-112. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.07.013

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  针对大轴径大间隙工况下磁性液体密封耐压力减弱问题,设计了一种径向充磁磁性液体密封结构。采用有限元数值仿真的方法研究了该磁性液体密封结构的磁场和密封间隙中的磁通密度分布特征。讨论了内部永磁体结构尺寸对密封耐压性能的影响,并确定其结构尺寸。分析了经典磁性液体密封结构与径向充磁新型磁性液体密封结构的密封耐压力随密封间隙和转轴转速的变化规律。结果表明:相比经典磁性液体密封结构,径向充磁密封结构的理论静密封耐压力平均提高约57.4%;随着密封间隙的增大,径向充磁密封结构密封效果提升越加显著,密封失效极限转速逐渐减小。
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  微磨料水射流抛光喷嘴数值模拟及磨损规律分析

  林琳, 张云朋, 蒋东岑, 赵志磊, 尤晖

  液压与气动. 2023, 47(7): 113-123. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.07.014

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  基于CFD-DEM方法和Oka磨损模型,通过充分考虑颗粒间及颗粒与壁面间相互作用建立数学计算模型,分析研究不同喷嘴结构、硬度以及射流工艺参数对喷嘴磨损以及分布规律的影响。研究表明:随着喷嘴收缩角增加,喷嘴内表面所受总力增加,喷嘴磨损加剧,其磨损主要分布在过渡区和出口处;提高喷嘴硬度可以降低喷嘴磨损;改变喷嘴的长径比、系统工作压力及抛光液黏度会影响喷嘴磨损程度,而对磨损分布区域基本没影响。综合考虑各因素对喷嘴磨损的影响,当长径比为4,收缩角在10°~20°范围内,喷嘴材料剪切模量不低于48 GPa时最佳,且适当增加抛光液黏度可缓解喷嘴磨损。
综合应用
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  气动柔性细长管道机器人的结构设计及特性分析

  王伟进, 严鲁涛, 李海源

  液压与气动. 2023, 47(7): 124-130. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.07.015

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  为了解决小直径管道的探测问题,提高管道机器人的适用性,对气动柔性细长机器人进行了深入的分析和研究。通过对机器人在管道内的受力分析,建立机器人的力学方程;对机器人的拐弯特性进行分析,得到机器人的拐弯半径方程;针对机器人需要的负载,进行力学分析,得到机器人的负载方程。设计了一种气动柔性细长机器人,搭建管道实验环境进行机器人的摩擦力实验和拐弯实验;搭建负载实验环境进行负载实验。测试值与理论分析基本一致,说明了气动柔性细长管道机器人在小直径管道内具有优秀的拐弯特性与负载特性。
理论研究
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  射流管阀控液压马达参数辨识建模与故障诊断

  于黎明, 周洁华

  液压与气动. 2023, 47(7): 131-138. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.07.016

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  为实现射流管阀控液压马达故障诊断的精准预判与分析,需要准确建立数学模型以提升仿真研究的有效性。根据射流管阀控液压伺服作动器(Hydraulic Servo Actuator,HSA)关键部件即力矩马达、射流放大器和阀控作动元件的工作原理,建立射流管阀控液压马达数学模型。基于AMESim软件构建仿真模块,利用阶跃特性实验数据进行仿真模型参数辨识。采用反向传播神经网络实现基于此仿真模型的射流管阀控液压马达故障诊断,包括对实验数据预处理获取有效样本的故障特征,选取关键故障特征并用BP神经网络进行训练以实现故障诊断。实验和仿真结果显示,射流管阀控液压马达的仿真模型与实际相契合,并且基于仿真模型数据能够完成精度为99.512%的故障诊断,提高了实际作动器的可靠性。
工程技术
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  变速器振动噪声分析及轮齿修形优化

  鄢万斌, 余晓波, 卢再毅, 章勇华, 张森博, 刘春宝

  液压与气动. 2023, 47(7): 139-146. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.07.017

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  变速器是影响整车噪声振动舒适性(Noise Vibration & Harshness,NVH)的重要因素,如何降低变速器运行过程中的呼啸噪声是研究焦点。面向工程中应用的变速器,建立了综合考虑壳体刚度、轴承接触变形等因素的变速器壳体有限元模型,分析了齿轮传递误差及接触斑点,对比了接触斑点的测试与仿真结果,验证了有限元模型的可靠性。根据频谱分布确定了噪声激励源为输出齿轮副,给出了变速器齿轮修形的技术方案。优化后,变速器系统齿轮动态啮合过程的传动误差下降了69%、噪声下降了4 dB。
理论研究
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  液压恒压网络驱动系统参数匹配

  邹天刚, 毛飞鸿, 张金乐, 狄崇峰, 刘丽芳, 崔晓风

  液压与气动. 2023, 47(7): 147-153. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.07.018

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  匹配了液压恒压网络驱动系统各部件参数,根据液压恒压网络驱动系统的结构、工作原理和特性,提出了一种有效的参数匹配方法。基于液压恒压网络驱动系统原理,分析了驱动力、恒压网络、液压变压器和液压马达之间的关系,研究了系统参数与车辆动力性能的关系,总结了关键参数的匹配原则和方法,引入了液压恒压网络驱动系统特征驱动力、液压变压器等效功率和等效流量,确定了衡量驱动系统驱动能力的指标,以及液压变压器匹配的原则。利用驱动系统参数匹配方法,对液压恒压网络驱动系统中的发动机、蓄能器、恒压网络、液压变压器和液压马达进行了参数匹配。研究结果表明,匹配的液压恒压网络驱动系统能够满足性能要求。搭建液压驱动系统实验台,验证了系统加减速能力,表明系统能够稳定运行。
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  单座调节阀阀芯曲面参数化设计及流场特性分析

  段大军, 王伟波, 郝娇山, 蒋继苇, 周忠云, 常露丹

  液压与气动. 2023, 47(7): 154-163. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.07.019

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  针对单座调节阀高精度阀芯曲面的设计难点,基于调节阀的节流方程和其调节特性理论方程,以及阀芯几何设计方程,对等百分比流量特性和线性流量特性的阀芯曲面进行了理论设计分析,结合ANSYS Fluent流体数值模拟软件,开展了阀芯曲面的正向设计方法研究。以可调比为50∶1的DN200-C_vmax300等百分比流量特性调节阀和DN200-C_vmax650线性流量特性调节阀为例,进行了其阀芯曲面的正向设计和数值模拟验证。结果表明,随开度的增大,两调节阀内部漩涡均逐渐增多;DN200-C_vmax300调节阀各开度模型的数值模拟C_v和理论C_v相对误差均在5%以内;DN200-C_vmax650调节阀各开度模型的数值模拟C_v和理论C_v相对误差均在4%以内;两调节阀数值模拟流量特性曲线和理论流量特性曲线趋势均高度吻合。研究成果弥补了单座调节阀阀芯曲面设计方法上的不足。
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  放气活门用金属膜盒压力-位移特性

  李肖, 满春雷, 曹洋, 尹文龙, 张晋

  液压与气动. 2023, 47(7): 164-171. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.07.020

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  某型航空发动机采用放气活门放掉压气机出口部分空气以防止发动机喘振,放气活门配套的金属膜片膜盒组件作为压力敏感元件,膜盒的压力-位移特性直接影响放气活门的控制性能。基于金属膜盒的工作原理及使用环境,从膜盒结构出发得出膜盒的一般特性表达式。结合膜盒有效工作面积,使用有限元分析的方法得出膜盒组件的压比-位移方程。结果表明,膜盒的位移随压比呈线性关系,并且随着环境压力的降低,膜盒组件达到最大位移的压比升高,通过搭建膜盒组件试验台对仿真结果进行了对比与验证。为放气活门的系统建模分析与航空发动机控制性能的提升提供理论基础。
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  冷气系统漏气故障分析

  史金辉, 梁世哲, 程家林, 张晓娟

  液压与气动. 2023, 47(7): 172-176. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.07.021

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  冷气系统是关系飞机安全的重要系统,是保证飞机应急刹车和应急放起落架的重要装置。对某型飞机冷气系统高空漏气故障进行分析,根据冷气系统工作原理,依次排查了传感器故障,导管泄漏,成品泄漏三个方面,将问题定位到气压电磁阀低温密封故障出现漏气。对气压电磁阀低温漏气故障进行机理分析,分析故障原因是密封圈材料选择不当,造成密封圈压缩量过大,导致左活门组件与阀体之间的间隙小于设计值,造成左活门组件内部的先导活门在低温环境密封圈材料收缩后会提前触碰电磁铁组件顶杆被打开,出现漏气。对故障原因提出了合理有效的解决措施,完成了试验验证。
综合应用
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  封隔器密封胶筒挤压失效分析与改进设计

  黄亮, 郭知龙, 王喜乐, 贺富贵, 吴春洪, 李文波

  液压与气动. 2023, 47(7): 177-182. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.07.022

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  为提高封隔器的密封功能和使用寿命,设计了一种封隔器用新型密封结构。基于有限元方法和试验研究,开展了常规密封结构和新型密封结构力学分析,结果表明常规密封结构的上胶筒应力变化剧烈,特别在胶筒倒角位置应力最大,上胶筒挤压过度后易发生永久变形;新型密封胶筒应力远小于常规胶筒,且三个胶筒相互挤压变形很小,三个胶筒都在安全范围内工作,且坐封结束后三个胶筒分别与中心管和套管发生较大挤压接触,封隔密封效果较好;通过密封性能和承压试验得到新型密封结构的密封效果稳定,胶套回弹性好。研究结果可为封隔器的设计制造及现场应用提供依据。
工程技术
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  快锻压机比例变量泵供液系统的稳压策略

  张晓丽, 马志刚, 魏海涛, 黄周轩

  液压与气动. 2023, 47(7): 183-188. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.07.023

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  快速锻造液压机组主要用于钢锭的开坯和自由锻件的压力加工,是锻造生产的重要设备之一,其液压系统具有负载干扰大、运动惯量大、系统冲击大等特点。快锻压机采用比例变量泵时,在实际应用中压机工作时主泵会存在瞬时变量的工况,此时供液系统压力出现不稳定的情况,对主泵造成破坏,且影响系统平稳运行。为稳定供液系统压力,本研究采用仿真和试验相结合的方法,提出稳压策略。结果表明稳压阀采用先导比例控制,在变量泵摆角瞬时增大时,稳压阀提前关闭,在变量泵摆角瞬时减小时,稳压阀提前打开,并通过批运行确定出供液系统压力波动最小、稳压效果最好时的稳压阀提前关闭时间为0.26 s,提前打开时间为0.17 s。采用该策略,可有效减小供液压力波动范围46.4%以上,为快锻压机液压系统及控制策略开发提供依据。