2023年, 第47卷, 第8期　刊出日期：2023-08-15

  

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专题
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  工业液压的未来:从“恐龙”到“金独角兽”

  Steffen Haack

  液压与气动. 2023, 47(8): 1-7. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.08.001

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  传统液压技术将在未来十年内发生重大变化。电气自动化、数字化和IT技术的新发展将使工业液压系统的集成变得更加容易,并使其更具竞争力。综合剖析了工业液压所面临的市场挑战,与电传动技术在未来的竞争关系,以及在关键细分市场的发展趋势。通过分析当前和未来的技术发展,结合产品和应用案例,提出了工业液压技术转型的方向、要点和解决方案。
理论研究
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  串联式轴向柱塞泵转位角对合流流量脉动的影响

  徐楠, 谢海波, 洪昊岑, 王承震

  液压与气动. 2023, 47(8): 8-16. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.08.002

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  串联式轴向柱塞泵作为工程机械液压作动系统的核心动力源,其输出性能的好坏直接决定整机的操控性能。提出了通过转位角错配的方法来抑制双泵在合流时产生的流量脉动与压力冲击。首先,通过对双泵柱塞孔的几何分布构型分析,划分了7组大小不同的转位角;然后,利用CFD技术,对不同转位角构型的双泵模型进行流场仿真,对比流量-压力特性,得出当串联泵两套转子系统的结构、类型均一致,且柱塞数目为9个时的最佳转位角为20°;最后,对比了带有最佳转位角构型与原始的零错配构型在不同工况下的输出特性,验证优化效果。研究结果表明:串联式柱塞泵在设置最佳转位角构型后,通过运用双泵输出流量之间存在的固定相位差,实现了合流流量的“错峰”叠加效应,并能够满足任何工况条件下的合流脉动性能均优于无转位角构型,抑制脉动冲击效果显著。
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  非全周开口滑阀液动力分析及补偿

  邹小舟, 葛声宏, 付己峰, 王涛, 张健

  液压与气动. 2023, 47(8): 17-25. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.08.003

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  为研究某型比例阀在换向过程中,最大开口处驱动电流过大的问题,利用CFD对U形槽非全周开口滑阀的流场进行数值模拟,研究了不同阀开口处的液动力及流量,同时对原阀芯结构进行优化,在出口侧台阶上加两个对称分布的节流槽,并对不同节流槽半径和阀口开度时的液动力进行了比较。结果表明:原结构瞬态液动力在2.94 mm处到达峰值,随后迅速减小。节流槽半径为2.5 mm时,液动力补偿效果较好,相较于原结构最大液动力降低了21%,且大开口处液动力变化较为平缓。该研究为滑阀结构的优化设计提供指导。
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  基于NSGA-II的柱塞泵阻尼槽多目标参数优化

  戴海曙, 郭志敏, 翟江, 徐楠, 洪昊岑

  液压与气动. 2023, 47(8): 26-33. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.08.004

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  配流盘的阻尼槽结构,对于柱塞泵脉动抑制与减振降噪优化起着至关重要的作用。提出了基于快速非支配排序遗传算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II,NSGA-II)的阻尼槽多目标参数优化方法,对柱塞泵的阻尼槽参数进行优化计算。首先,通过搭建柱塞泵联合仿真模型,求解得到不同阻尼槽结构下的流量特性与变化规律;然后,构建了基于NSGA-II的多目标参数优化模型,以柱塞泵的输出流量脉动与斜盘受力冲击均取最小值作为优化目标,进行阻尼槽关键参数寻优。最后,得出优化后柱塞泵的出口流量脉动率相比优化前可降低约35.78%,斜盘合力脉动率降低约9.85%,优化效果较好。通过对仿真结果分析,确定阻尼槽的结构参数对柱塞泵脉动冲击特性影响显著,采用NSGA-II算法的多目标参数优化方法,能够有效的求解最优阻尼槽参数,极大提升了阻尼槽结构优化效率。
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  转速对外啮合齿轮泵内部流动及脉动特性的影响

  司国雷, 陈君辉, 陈川, 陶思佳, 史广泰

  液压与气动. 2023, 47(8): 34-40. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.08.005

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  外啮合齿轮泵实际运行时,流道内易出现旋涡与脉动较大等现象,严重影响齿轮泵的正常运转。为了精确揭示不稳定流动对外啮合齿轮泵性能的影响,在不同转速工况下对外啮合齿轮泵进行三维非定常数值模拟分析。研究结果表明:转速的增加明显恶化了齿轮泵流道内的流态,排油区至出口段的高速区由平滑的光顺三角形条形区逐步演变为波浪形的不规则状。齿轮泵内的流量脉动系数远大于压力脉动系数,但转速对齿轮泵压力脉动的影响程度更剧烈,增加转速有利于减缓齿轮泵出口处的流量脉动程度。转速对齿轮泵内从动轮y轴方向上的影响最大,转速增大使得泵内齿轮所受径向力更分散,加剧了齿轮间隙处的泄漏流产生。研究结果可为外啮合齿轮泵的优化设计与稳定运行提供参考。
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  基于DNN-CapsNet的液压泵故障程度诊断方法

  郑彪, 高丙朋, 程静

  液压与气动. 2023, 47(8): 41-49. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.08.006

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  液压泵作为液压系统中的主要动力提供者,其内部若发生故障,将对液压系统运行稳定性和可靠性产生威胁。针对其在多故障模式下的故障程度诊断问题,提出一种将深度神经网络(Deep Neural Network,DNN)与胶囊网络(Capsule Network,CapsNet)相结合的液压泵故障程度诊断方法。首先,采用DNN网络替换胶囊网络中的特征提取层来充分挖掘液压泵故障数据中的关键特征;其次,利用胶囊网络数字胶囊层中的动态路由算法更新模型参数;最后,计算输出层输出向量模长实现对液压泵多故障模式下故障程度的准确识别。通过搭建液压泵数字孪生体采集压力故障数据来进行实验。结果表明:相比于传统深度神经网络、胶囊网络,该方法对于液压泵故障程度诊断的准确率达到99.67%。
工程技术
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  基于Fuzzy-PID的负载敏感挖掘机位姿控制策略

  宋昊举, 李桂琴, 熊炘, 秦强

  液压与气动. 2023, 47(8): 50-57. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.08.007

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  挖掘机执行机构轨迹的精确控制是实现其智能化、无人化发展的基础。针对泵控/阀控相耦合的负载敏感(Load Sensitive, LS)系统挖掘机,提出了一种自适应的模糊PID控制方法(Fuzzy-PID)以实现LS挖掘机执行机构位姿的精确控制。该方法不依赖离线计算,可实现作业过程中PID参数的整定。建立LS挖掘机联合仿真模型对Fuzzy-PID的控制性能进行验证,结果表明,Fuzzy-PID控制精度更高,与PID相比,其均方根误差(Root Mean Square Error, RMSE)减少了23.85%。进一步,通过发动机转速及斗杆运行速度验证了Fuzzy-PID稳定性和响应性。研究结果可为负载敏感系统液压挖掘机智能化升级提供理论指导及工程应用价值。
综合应用
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  基于BP神经网络的独立节流口阀流量-压力复合控制方法

  魏列江, 赵保才, 孙辉, 刘亚斌, 安贞嬛, 强彦

  液压与气动. 2023, 47(8): 58-65. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.08.008

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  相较传统比例阀,独立节流口阀因阀口独立控制,更易实现流量-压力复合控制功能。但由于流量、压力控制过程为多级闭环控制,仅采用传统PID控制算法难以满足流量-压力复合控制的要求。针对某型双阀芯独立节流口阀,提出了基于BP神经网络PID的流量-压力复合控制策略,利用BP神经网络算法可以逼近任意非线性函数的特性,实时调整PID控制器的参数值,并进行了理论分析和实验研究。结果表明:采用BP神经网络PID控制算法在流量-压力复合控制时,流量、压力控制精度分别为1.8%和2.1%,可以满足大多数流量-压力复合控制场合的需求。
工程技术
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  基于负载敏感与势能回收系统的液压精冲机节能研究

  刘艳雄, 韩森波, 徐志成

  液压与气动. 2023, 47(8): 66-75. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.08.009

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  针对现有液压精冲机能耗高、能量利用率低的问题,提出基于负载敏感与势能回收的新型液压精冲机节能系统,通过负载敏感泵匹配精冲负载需求压力降低节流损失以及利用液压蓄能器进行滑块势能回收再利用,最终实现系统节能增效。首先建立精冲机液压系统能耗数学模型,后基于AMESim平台搭建了负载敏感与势能回收液压精冲机机电液能耗仿真模型,最后分析对比了新系统与旧系统的滑块工作性能和能量损耗分布。结果表明,与旧系统相比,在负载为2500 kN时新系统单个工作周期总能量损耗下降46.35 kJ,降幅达39.76%,能量利用率25.69%,提高10.23%。在不同负载条件下,新系统相较于旧系统总能量损耗平均降低47.42 kJ,能量利用效率平均提高9.62%。
理论研究
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  交变配流泵的流量特性

  葛正, 许全周

  液压与气动. 2023, 47(8): 76-83. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.08.010

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  阀控液压激振系统能耗较高,无阀激振系统在高频加载等方面尚存在不足。为解决以上问题,提出了通过配流盘连续旋转直接输出交变液流,驱动作动元件完成激振加载的泵控液压激振新方法。针对交变配流原理,设计了交变配流泵机械结构,研究了交变配流泵的工作原理,建立了交变配流泵的数学模型,分析了泵主要组成部件的结构参数和运动参数对交变流量的幅值和频率的影响规律。研究表明,配流盘连续旋转的交变配流泵能够产生准正弦交变液流,满足液压激振加载的需求。
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  航空发动机多级滑油泵仿真计算及试验验证

  管传宝, 毛磊, 张林嘉, 王欢

  液压与气动. 2023, 47(8): 84-90. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.08.011

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  滑油泵作为航空发动机润滑系统重要零部件,其工作性能的好坏直接影响航空发动机的使用安全。同时,转速流量特性及高空特性是评价航空发动机滑油泵工作性能的关键参数。以某型航空发动机多级滑油泵为研究对象,利用PumpLinx仿真计算软件及滑油泵真空试验台,通过仿真计算和试验验证相结合的方式,对多级滑油泵的转速流量特性和高空特性进行分析。结果表明:多级滑油泵的出口流量随转速升高而增大;在不同转速下,随着进口绝对压力的降低,多级滑油泵内部的空化现象不断加剧,含气率不断增大,流量不断减少,且下降幅度越来越大。
工程技术
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  工程机械用液压缸活塞杆的仿生轻量化设计

  钟国坚, 杨元慧, 王红卫

  液压与气动. 2023, 47(8): 91-97. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.08.012

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  对竹子进行了随机采样,并分别从宏观和微观两个尺度进行了结构观测。在此基础上,提取出了宏观变壁厚带节特征和微观多胞分布特征,并将这些结构特征应用至工程机械用液压缸活塞杆的轻量化设计上,得到了变壁厚带结活塞杆、多胞薄壁活塞杆及多胞变壁厚带结叠加结构活塞杆等三种仿生结构活塞杆。与传统轻量化设计方法得到的空心活塞杆相比,三种仿生结构活塞杆的质量分别减轻了22.652%,54.927%和6.326%。利用ABAQUS有限元软件分别对各结构活塞杆进行了最大受压条件下的静力学数值模拟。应力结果表明:变壁厚带结活塞杆和多胞变壁厚带结叠加结构活塞杆上的最大压应力均未超过材料的许用应力,满足强度要求,且仿生活塞杆的应力集中面积均较小。变形结果表明:三种仿生活塞杆均能满足合理变形要求。
理论研究
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  多级降压调节阀流激振动监测方法研究

  徐东涛, 隋帆, 彭思达, 路庆发, 孟祥瑞, 安龙

  液压与气动. 2023, 47(8): 98-106. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.08.013

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  流场内流激振动是诱发调节阀流激共振和流致噪声的主要原因。以DN250多级降压调节阀为研究对象,采用Fluent软件对其流场流动特性进行数值模拟,得到典型开度下体积流量、流速、压力的分布规律。设计了循环式并联流量测试装置,对阀进行流量实验,验证了流量数值模拟的可靠性。采用监测流场漩涡脱落过程中横流会形成平均升力和监测流场湍流压力脉动的不同方法,得到流场流激振动的频谱信息。对两种监测方法机理研究,结果表明:监测升力系数是对整个流场涡脱过程产生的流激振动进行检测,适合监测小开度流场;监测压力脉动是对有限监测点的多种流激振动因素综合效果的监测,受监测点位置和数量的限制,适合中、高开度流场。
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  注氢位置对天然气高压调压阀内部流场的影响

  贾冠伟, 许未晴, 李睿, 孙晨, 安永伟, 蔡茂林

  液压与气动. 2023, 47(8): 107-116. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.08.014

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  在役天然气管网中加入氢气会使相关临氢部件出现氢脆隐患。对临氢零部件内部流动特性及氢浓度分布分析是十分必要的。以掺入氢气的甲烷为主要工质,对A型、B型、C型、D型4种掺氢入口位置的高压调压阀内部流场进行模拟仿真研究,分析流场内压力、速度、温度、氢气摩尔分数等物理参数的分布状态。结果表明,压力损失主要出现在阀门处,降压比在2.5以上;由于有效流动横截面积的变化和高压差的存在,气体在出阀门和节流孔后形成喷射流,速度达到峰值,同时温度急剧下降;通过对比分析,D型为最佳掺氢位置模型。该模型在出口处氢气摩尔分数达到8%,在掺氢天然气管道的安全范围内。研究结果可对掺氢天然气在高压调压阀内部的流动特性和掺氢入口位置选取提供参考。
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  调速阀堵塞故障分析及数字化反馈系统设计

  周 琪, 孟利民, 李强, 曹旭峰

  液压与气动. 2023, 47(8): 117-123. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.08.015

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  为了研究调速阀阀口堵塞对液压传动系统工作状态的影响机理,基于AMESim软件,建立了调速回路仿真模型,分析节流口不同堵塞程度下的调速阀出口流量及压力波动特性,观察执行元件的速度变化趋势。研究表明由于堵塞引起的通流面积下降使介质流动状态发生改变,从而影响回路及执行元件的工作状况。鉴于此,针对调速阀节流部分设计一种监测流量并可实现自我调节的数字化反馈系统。结果表明在不同程度的堵塞情况下,该反馈系统可以实现流量调控或停止回路工作,因而提高调速回路准确性及调速阀维护时效性。
工程技术
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  多卷筒提升装备液压制动器同步性能仿真

  李留政, 王正国, 刘贺伟, 李济顺, 薛玉君

  液压与气动. 2023, 47(8): 124-132. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.08.016

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  为研究多制动器工作时的同步性能,以多卷筒提升装备液压制动系统为研究对象,采用SimHydraulics对制动系统进行建模仿真,分析油液管路长度、内径对多制动器同步性工作的影响。研究结果表明,油液管路长度越短,内径越小,制动器开闸响应时间越快,油液管路长度越短,内径越大,合闸响应时间越快。对不同油液管路长度和内径进行合理配置,可使制动器实现良好的同步性;在主路管径78 mm及主路长度10000 mm参数配置下,制动过程中的油压波动值满足行业标准对液压系统二级制动的参数要求;为多卷筒的液压制动系统设计提供参考。
综合应用
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  盾构机推进液压缸试验平台设计

  唐超权, 贾路路, 张义春

  液压与气动. 2023, 47(8): 133-145. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.08.017

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  随着城市地铁的高速建设,盾构机作为开挖的专用设备之一,对其可靠性要求非常高,尤其对推进液压缸的性能要求很高。为制造出高性能的推进液压缸,需开发盾构机推进液压缸试验平台。该平台可对不同规格的推进液压缸进行启动压力、同步侧向载荷等测试。对试验台的需求、结构设计、液压系统与同步控制系统等进行了设计与开发。通过试验对盾构机用液压缸进行了综合测试。并根据失效形式提出了改进方案,最终完成新样品的5000次疲劳测试。证明该样机对盾构机推进液压缸的可靠性检测具有较高的实用价值。
理论研究
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  某新型液压电磁阀的可靠性分析策略

  王岩松, 度红望, 王稳超, 熊伟

  液压与气动. 2023, 47(8): 146-154. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.08.018

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  针对某新型液压电磁阀可靠性试验缺乏指导原则的问题,对传统故障模式影响及危害性分析(Failure Mode Effects and Criticality Analysis,FMECA)方法进行了改进,并基于改进后的FMECA分析方法对该阀进行可靠性理论分析。将模糊综合评判方法引入传统FMECA分析方法中,通过建立因素集、评价集和权重集确定评估框架,再引入“梯形模糊数”提高FMECA分析方法的准确性,应用改进后的分析方法计算得到该电磁阀薄弱环节的影响因素。将影响因素进一步划分并通过二次分析确定了影响因素中的最极限工况。最后,通过仿真验证了可靠性理论分析方法的正确性,为该阀提供可靠性研究及试验的参考标准。
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  高温下应力不对称及热变形对射流管伺服阀零位的影响

  夏天, 陈誉, 张晋

  液压与气动. 2023, 47(8): 155-166. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.08.019

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  高温环境下射流管伺服阀呈现出诸多如温漂、小信号曲线局部增益激增、小信号流量曲线锯齿状波动、全信号曲线不平滑等影响其工作性能的问题,且这些现象具有不规则性、不可重复性。基于系统级参数化仿真和元件级有限元数值模拟方法,针对射流管伺服阀存在应力不对称的情况下温度变化导致的零漂问题,推导了气隙长度、磁性材料物性和油液黏度关于温度的参数化模型,运用AMESim仿真分析并揭示等效应力不对称对伺服阀零位的影响规律;同时为解决高温下射流管伺服阀热变形改变整阀形位尺寸变化导致的零漂问题,综合考虑介质密度、黏度、比热容、导热系数等参数随温度、压力变化,运用热-流-固耦合仿真方法探究分析前置级热变形对零位的影响。对比两种结果表明:射流管伺服阀零位受应力不对称影响较小,造成过大零漂和零位特性不确定的原因是伺服阀热变形导致的形位误差。
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  常温推进剂自动排气阀流动特性数值计算

  张永江, 高彦峰, 常智新, 黄福友, 郭铭杰, 赵明朝

  液压与气动. 2023, 47(8): 167-172. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.08.020

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  为解决常温推进剂加注系统管路填充时的气体排出问题,设计了适用于腐蚀性常温推进剂的自动排气阀。其腔体内的浮球、阀芯不能被气流吹关闭,利用仿真计算方法对其腔体内气体的流动情况、浮球/阀芯的受力情况进行了研究。数值计算结果表明,常温推进剂自动排气阀排气量随入口压力增大而增大;浮球所受气流作用力向下,不会被气流吹起;阀芯组件所受气流作用力向上,当此作用力将大于阀芯组件重力与弹簧力之和时,阀芯组件将被吹关闭。目前常温推进剂自动排气阀已成功应用于加注系统。
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  并联波纹管式气动柔性机械臂的动力学分析

  徐俊妍, 高广洋, 王海涛

  液压与气动. 2023, 47(8): 173-181. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.08.021

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  柔性机械臂相较于刚性机械臂具有更强的环境交互性和适应性,运动学和动力学建模对于其特性研究非常重要,以此特点介绍一种气动并联柔性机械臂,以橡胶波纹管作为执行单元的气腔主体设计制造柔性机械臂模型。根据气动柔性臂空间动作特点,利用几何法建立运动学模型,得到柔性臂的等效几何参数、柔性臂末端中心坐标及各驱动气腔压力之间的映射关系,利用拉格朗日法建立动力学模型,得到柔性臂各执行器单元长度与输入气压之间的关系,实验测试柔性臂的空间运动性能,验证运动学及动力学模型的有效性,可应用于空间范围内物体的定位抓取。
综合应用
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  微量液体的高速精确加样技术

  和发展, 杨伟, 闫慧敏, 赵鹏, 王超

  液压与气动. 2023, 47(8): 182-188. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.08.022

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  为了提升微量液体的加样性能,以液体的高速精确加样为研究对象,建立了加样系统的流体动力学模型,分析了影响微量液体加样的影响因素。采用仿真与实验相结合的验证方法,研究了微量液体高速加样的力学特性。研究结果表明:随着加样针注液加速度的增大,加样系统的精确性与稳定性变化较大,加速度参数对系统的可靠性影响显著;合理的选择加样针的内径,有助于提高加样系统的动态稳定特性;合理的选取加速度参数与加样针内径,有助于提升加样系统的加样效率。