2023年, 第47卷, 第9期　刊出日期：2023-09-15

  

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理论技术
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  多自由度扑翼飞行器的气动特性

  张兴, 双丰, 蔡毓, 陈太庆

  液压与气动. 2023, 47(9): 1-7. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.09.001

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  扑翼飞行器的翼型从最初的单段翼逐渐衍生出双段翼,学术界至今尚未对单段翼和双段翼优劣形成共识。为探究两种翼型优劣情况,设计并建造了一种新型扑翼飞行器,实现同一飞行器上单翼模式和双翼模式的转换。采用柔性复合泡沫膜作为翼膜材料,提升飞行器外段翼拍打韧劲。搭建可以模拟来流状态和感知扑翼机瞬时力矩的实验平台,控制扑翼拍打频率,测得不同扑翼模式下的升力数据,控制自由流速,测得不同扑翼模式下的推力数据。数据表明,风速适宜且拍打频率为中高频时,双段翼升力约是单段翼的1.2~1.5倍;同等条件下,单段翼推力约是双段翼的1.8倍。表明目前的双段翼机型技术还不成熟,与自然界鸟类高超的飞行能力不符,有待进一步改进机体技术。
综合应用
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  高压水射流在飞机发动机叶片清洗的应用

  范晓宇, 纪云

  液压与气动. 2023, 47(9): 8-14. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.09.002

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  高压水射流清洗操作通常使用较大压力的水射流(20~40 MPa),这些射流通过空气夹带过程在周围大气中扩散,有助于射流的扩散和随后的压力衰减。在飞机发动机清洗行业中,对这种压力衰减的估计以及发动机叶片的放置是至关重要的。此外,需要评估清洁表面上的速度及压力分布,通过对水射流清洗过程进行理论和数值研究,以了解和优化材料去除过程。研究结果表明,增大水射流入口压力会增加清洗效率,但单次清洗面积及清洗增长率下降,增大入口压力意味着较大的水量消耗,会导致射流从清洁表面反弹并阻碍喷嘴流动,从而降低清洁效率。
工程技术
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  集中控制式智能阀CAN通信环形缓冲存取技术

  魏列江, 安贞嬛, 李健伟, 赵保才, 毛飞鸿, 强彦

  液压与气动. 2023, 47(9): 15-23. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.09.003

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  为实现智能工程机械中各执行机构的协同联动控制,采用整机控制器通过CAN通信网络直接控制每联多路阀的集中控制模式,阀控制器只做数据采集、收发和功率驱动。因CAN通信过程中的数据存取环节会严重影响控制性能,考虑使用整机控制器内置环形缓冲区代替传统顺序缓冲区的解决方案,检测环形缓冲区是否存在未写入数据的空白区域,将多路阀参数依次写入空白缓冲区,显著提高CAN通信数据存取的速度,降低CAN通信延时。实验表明:在CAN通信波特率为250 Kbps时,存取100个数据,整机控制器采用环形缓冲区所用的时间比顺序缓冲区缩短了43.75%,同时内存利用率远高于顺序缓冲区的最大利用率。
理论技术
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  基于SVM的双阀芯电液阀磨损故障诊断研究

  陈俊翔, 蒋昕航, 杨晓东, 王虎, 孔祥东, 艾超

  液压与气动. 2023, 47(9): 24-30. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.09.004

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  针对工程机械用多路阀磨损故障频率高、故障类型不易诊断的问题,以自主研发的双阀芯电液多路阀为研究对象,对其压力特性进行数学建模,理论分析阀芯不同磨损程度下对其压力特性的影响规律;搭建电液多路阀仿真模型,模拟不同磨损条件下的压力特性曲线,由仿真数据训练支持向量机(Support Vector Machine,SVM)模型,对不同磨损程度进行分类。仿真与实验结果表明,压力特性曲线随着阀芯磨损程度的变化而变化,SVM预测模型具有较高正确率,能够有效和精准地识别阀芯的不同磨损程度。
工程技术
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  基于电液直驱技术的半主动膝关节假肢设计

  李振男, 韩阳, 任雷, 刘春宝

  液压与气动. 2023, 47(9): 31-37. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.09.005

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  为实现半主动膝关节假肢随使用者残肢意图自由摆动的功能,通过低传动比实现低被动运动摩擦是先进电动假肢广泛采用的技术方法,但由于低被动摩擦和高传动比驱动不兼容的瓶颈问题,导致低扭矩输出。为此,基于电液直驱技术,提出了膝关节液压半主动驱动原理,设计了一种半主动膝关节假肢。充分利用液压传动的特点,使驱动系统具备低被动摩擦的同时能够输出大范围的驱动扭矩;完成了膝关节假肢样机集成,采用有限状态机控制方法,开展了截肢患者穿戴实验。结果表明,提出的半主动膝关节假肢结合了被动和主动假肢的优点,在水平行走摆动期提供被动屈曲和主动伸展,穿戴舒适性高。
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  先导式高精度电液比例阀控制器电路设计

  王传宇, 孟祥冬, 闫传荣, 倪云龙, 丁涛杰, 魏敬和

  液压与气动. 2023, 47(9): 38-48. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.09.006

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  电液比例阀广泛应用于电气化工程机械及一些高精度液压机床等领域。其中比例阀控制器是构成电液比例阀系统的关键部件。针对国内先导式电液比例阀控制器自研程度低、功能单一等问题,自主设计了一款高性能控制器。为保证推挽电路工作的可靠性,设计死区电路实现“快关慢开”的时序逻辑;并采用电压抬升方案设计“浮动地”,降低电路对宽电压供电的敏感性。该控制器能够同时输出6路高精度控制信号,还可复用为大功率输出。为验证控制器性能,设计了电气试验平台。测试结果表明,该控制器可耐受宽电压输入;输出信号在10 kHz频率下,误差低于0.3%,具备较高精度;设置为32 V/2.5 A功率输出功能时,器件壳温稳定在39 ℃,能够实现长期可靠工作。
理论技术
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  四配流窗口轴向柱塞泵流场仿真与分析

  周围, 高有山, 卫立新, 张瑞

  液压与气动. 2023, 47(9): 49-55. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.09.007

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  泵控系统具有能量效率高的特点,四配流窗口轴向柱塞泵可直接闭式控制差动缸运动,也可单泵闭式控制两个对称执行器。为分析柱塞泵内部流场特性,运用流体仿真软件PumpLinx建立柱塞泵内部流场网格模型,考虑摩擦副油膜,通过用户自定义函数定义网格运动,在不同工况下对柱塞泵进行流场仿真,得到了排油口流量曲线、柱塞腔压力曲线、速度云图和压力云图。通过对比仿真结果与理论计算结果验证了流场模型的准确性,为四配流窗口轴向柱塞泵结构设计及优化提供参考依据。
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  阵列压电叠堆驱动高速开关阀的设计与仿真分析

  高强, 朱勇, 钱鹏飞, 张兵, 王杰

  液压与气动. 2023, 47(9): 56-62. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.09.008

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  针对目前高速开关阀采用PWM控制信号产生诸如高频流量脉动、振动与噪声等问题,基于并联液阻和二级制编码技术设计一种阵列压电叠堆驱动的高速开关阀。阵列压电叠堆的轴向长度呈二进制编码排列,故采用PCM(脉码调制)信号来控制每个压电叠堆的工作状态进而实现阀口开度的离散化调节。其次,基于MATLAB/Simulink建立高速开关阀数学模型,并通过仿真揭示了流量瞬态不确定产生机理。最后,提出一种基于模型的PCM编码控制策略,阶跃跟踪结果表明:流量跟踪无超调,且稳态误差在0.015 L/min以内;正弦跟踪结果表明:当阵列压电叠堆的开启和关闭动态特性不对称时,最大误差增加至0.61 L/min,但平均误差和误差标准差的变化范围仅在0.004 L/min和0.013 L/min以内。
综合应用
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  多路阀K形节流槽阀口流阻特性

  张宇航, 杨明昆, 艾超, 余聪, 闫桂山, 姜文光

  液压与气动. 2023, 47(9): 63-74. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.09.009

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  针对多路阀K形节流槽阀口流动阻力大、阀芯滞卡、振动噪声等问题。以某型装载机多路阀铲斗滑阀联为研究对象,基于流体动力学和湍流场协同理论,应用数值模拟方法对不同阀口开度和入口体积流量下的铲斗滑阀联流场进行稳态仿真,研究入口节流阀口面积、流场特性及压降场协同角分布规律。研究结果表明:K形节流槽内部流动阻力较大的区域主要分布在节流槽等效阀口面积、节流槽外壁、阀芯凹角及剧烈涡流等压力梯度变化较大或流线弯折角度较大处,随着阀口开度的增加,流动阻力逐渐减小,入口体积流量对阀内流动阻力没有显著影响。研究成果将为非全周开口滑阀的流动减阻优化设计提供思路。
理论技术
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  缸内喷雾强化换热的活塞式膨胀机膨胀过程分析

  虞启辉, 李晓东

  液压与气动. 2023, 47(9): 75-84. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.09.010

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  膨胀机作为压缩空气储能系统释能环节的主要部件,其效率及运行特性对整体性能具有决定性影响。与绝热膨胀相比,等温膨胀是提高活塞式膨胀机输出性能的有效方法。利用高温水雾喷入气缸强化缸内气体换热,进而提高膨胀做功能力。为了研究喷雾换热对膨胀过程的影响,首先建立了活塞式膨胀机绝热膨胀的非线性数值模型,并通过实验结果验证了模型的准确性。其次引入水雾-空气的传热方程,建立了准等温膨胀的非线性数值模型。仿真表明:进气压力1 MPa,负载扭矩30 N·m时,准等温膨胀的缸内平均空气温度提高了56 K,输出功率降低了1.48%,效率降低了3.63%。通过压力-容积图可知,准等温膨胀提高了膨胀阶段的缸内气体压力也导致了排气阶段气体背压的增加。
综合应用
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  气动管网系统故障检测与节能控制技术发展综述

  赵诗建, 郝木凯, 王一轩

  液压与气动. 2023, 47(9): 85-91. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.09.011

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  气动系统具有成本低、无污染、易维护等优点,广泛应用于现代工业制造生产。但气动系统的生产能耗较高,由于管网布局不合适、用气调度方法不合理、节能技术空白和工业生产节能意识薄弱等原因,导致企业管网本身的运行成本普遍偏高、气动系统内部能量损失不明、管网调度手段缺乏、管网泄漏大等问题。通过分析国内外在管网优化运行、管网建模与管网故障检测等方面的研究现状,并指出目前我国在气动管网系统智能检测与调控方面现存问题和未来发展趋势,为我国气动管网系统检测与节能调度技术的发展提供参考。
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  掘进机器人电液系统位置控制死区补偿

  张国泰, 沈刚, 汤裕, 李翔

  液压与气动. 2023, 47(9): 92-98. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.09.012

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  针对掘进机器人截割电液系统中比例换向阀结构死区影响截割头位置控制精度,以比例阀实际开口作为阀控缸系统输入,建立了控制系统二阶状态空间模型。提出一种死区自适应补偿方法,基于李雅普诺夫稳定性理论设计死区参数自适应律。搭建了掘进机试验样机,通过与传统死区逆补偿方法进行实验对比,结果表明:所提控制方法可以降低掘进机跟踪指定轨迹的动态误差和定位偏差,改善比例阀死区对掘进机截割系统性能的影响。
理论技术
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  一种气动塑料瓶分拣系统的设计与分析

  范景峰

  液压与气动. 2023, 47(9): 99-106. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.09.013

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  为了解决废旧塑料瓶分拣的问题,减少劳动强度,降低环境污染,实现废旧塑料瓶分拣自动化,设计出一种气动塑料瓶分拣系统;利用三维软件SolidWorks建立分拣系统的整体结构图,利用数学方法对机械手受力进行分析,得出影响机械手受力大小的参数;利用数学方法建立机械手精准抓取模型,得出影响机械手精准的参数;利用气压回路实现对机械手的运动控制;利用张定友标记法对相机进行标定,实现机械手抓取成功率为0.99;现场试验表明,该分拣系统能够满足目前废旧塑料瓶回收站的分拣要求,不仅成本低、结构简单、易操作,而且分拣精准、效率高;为进一步实现废旧塑料瓶工业化分拣提供参考依据。
综合应用
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  结构参数对两级压力式油气悬架动态特性的影响

  王刚锋, 王万汀, 索雪峰, 杜腾, 刘湘

  液压与气动. 2023, 47(9): 107-115. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.09.014

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  油气悬架因其非线性刚度和阻尼特性,在工程车辆上得到广泛应用。两级压力式油气悬架可以降低车辆重载时的刚度,同时悬架结构参数对其性能有着重要的影响。为了合理地选择两级压力式油气悬架的结构参数,以某型矿用自卸车1/4油气悬架为研究对象,对悬架性能评价指标进行理论分析,在AMESim中搭建了两级压力式油气悬架模型,通过分析得到结构参数变化对油气悬架性能的影响趋势,并采用Morris法分析了结构参数对悬架性能的灵敏度。结果表明:活塞杆外径和缸筒内径为影响两级压力式油气悬架垂直加速度和动行程的敏感因素;动行程与活塞杆外径呈正相关、与缸筒内径呈负相关;适当降低高压蓄能器的初始压力,可提升车辆平顺性。成果为两级压力式油气悬架结构参数的选择提供参考。
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  尖边喷嘴磨料水射流特性分析及对去除函数轮廓的影响

  林琳, 赵志磊, 蒋东岑, 张云朋, 尤晖

  液压与气动. 2023, 47(9): 116-129. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.09.015

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  磨料水射流抛光喷嘴的出口形状对射流特性及去除函数轮廓有重要影响,从而影响加工质量和效率。因此设计了圆形、三角形、方形、线形四种出口形状的喷嘴,通过数值模拟、射流微观及定点去除实验分析不同喷嘴的射流特性及对去除函数轮廓的影响。研究结果表明在低靶距内,三角形喷嘴射流动量在空气中更易损失,冲击压力更小。射流的发散性与射流初始段和基本段的长度呈负相关,其中尖边喷嘴射流更易发散,材料去除深度对喷射靶距更敏感。不同喷嘴去除函数轮廓俯平面形状和喷嘴形状相似,其中圆形、三角形、方形喷嘴去除函数截面轮廓为“W”形,有尖端角的三角形和方形喷嘴材料去除均匀性较差,线形喷嘴去除函数的截面轮廓为“V”形,材料去除深度相对圆形喷嘴提高了140%。
工程技术
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  液压挖掘机动臂势能回收系统设计

  崔凯

  液压与气动. 2023, 47(9): 130-139. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.09.016

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  针对现有挖掘机动臂重力势能回收系统缺陷及重力势能严重浪费等问题,进行了重力势能回收系统方案设计,提出一种液压挖掘机动臂下降流量再生回收系统。基于AMESim对各元件模型及系统仿真总模型进行了搭建和参数配置,仿真分析了动臂升降时大小腔压力、流量、再生流量动态性能及动臂位移速度动态性能,计算了动臂下降再生流量贡献率,研究了再生阀芯通径、大腔回油背压、主阀LS→动臂小腔通流面积对再生流量和动臂速度的影响情况,最后进行了整机数据测试。研究结果表明:流量再生阀对动臂下降贡献率仿真值为48%,实测计算值为28.2%;增大流量再生阀通径,再生流量增加,动臂下降速度增大;增加动臂下降背压,再生流量不增加,反而减小,动臂下降速度减小,原因是增加下降背压使大腔输出流量减小,故可再生流量减小,则动臂下降变慢;增大主阀LS腔→小腔通流面积,再生流量增加,动臂下降加快。
理论技术
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  提升机过卷主动节流缓冲系统缓冲性能验证

  郭兆松, 刘静, 邓侃

  液压与气动. 2023, 47(9): 140-147. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.09.017

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  针对提升机过卷缓冲过程存在的过卷回落、缓冲腔憋压及过卷位移不确定等问题,设计了一种立井提升机过卷变节流液压缓冲系统,分析了变节流缓冲机理和蓄能器补油机理,建立了变节流主动缓冲和蓄能器补油过程的数学模型,基于AMESim搭建了系统仿真模型,对有杆腔缓冲变节流函数和无杆腔补油变节流函数进行了设计,对比仿真了5种有杆腔变节流缓冲控制函数和3种蓄能器放液控制函数下的系统缓冲性能,并对系统缓冲性能影响因素开展仿真研究,得到了箕斗过卷质量、过卷速度对系统缓冲性能的影响规律,并通过冲击设备进行试验验证,研究结果表明:箕斗过卷缓冲位移不受过卷工况影响,主要由有杆腔变节流缓冲控制函数决定;蓄能器给无杆腔变节流补油对过卷回落降低具有显著效果;有杆腔变节流缓冲和无杆腔变节流补油对缓冲装置的研制具有较好的理论指导,冲击试验验证了仿真可行性。
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  电动静液作动器的阻尼自适应扰动主动补偿控制方法

  杨荣荣, 马永杰, 付永领, 张玲, 赵家黎, 王亚洲

  液压与气动. 2023, 47(9): 148-157. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.09.018

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  对于电动静液作动器(Electro-Hydrostatic Actuator,EHA),传统扰动主动补偿控制方法(Active Disturbance Compensation Control Method,ADCM)存在扩张状态观测器(Extended State Obsever,ESO)对噪声敏感、控制器设计需要作动加速度信息的问题。针对以上问题,首先利用奇异摄动理论对EHA数学模型进行合理降阶,然后设计了一种基于滤波估计器(Filter Estimator,FE)的串级扰动估计器。此外,在控制器中加入阻尼自适应函数,设计了阻尼自适应扰动主动补偿控制器(FE-AD-ADCM),从而提高了系统的位置跟踪性能。最后,利用MATLAB/Simulink和Simcenter/AMESim联合仿真平台将该方法分别与传统PI和ADCM控制器进行了详细的仿真对比分析。仿真结果表明,提出的FE-AD-ADCM能有效提升EHA位置跟踪性能和对扰动的估计精度。
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  空泡溃灭与Al₂O₃颗粒联合作用下的材料强化模型及实验验证

  刘磊, 张磊, 李龙海, 于萍, 郭华锋

  液压与气动. 2023, 47(9): 158-165. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.09.019

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  采用空化泡与Al₂O₃纳米颗粒耦合的方法对镁合金进行强化处理,通过空泡溃灭产生的能量将Al₂O₃纳米颗粒打入样品从而实现强化,建立强化作用模型并进行实验验证。通过显微硬度仪、SEM、XRD、XPS对强化后的样品硬度、表面形貌、物相、元素含量与化学态等参数进行分析。结果表明:联合作用5 min后,样品表面出现纳米级颗粒,且Al₂O₃含量明显增多,表明Al₂O₃颗粒渗入表面,同时样品硬度提高了29.1 HV。联合作用的强化机制为空泡溃灭的能量并不直接作用于镁合金表面,而是传递给Al₂O₃颗粒,继而由Al₂O₃颗粒冲击样品表面,因此凹坑与其相邻区域更加连贯平滑,同时Al₂O₃颗粒渗入镁合金后也增强了表面性能。
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  ILC-H∞控制下车辆液压减振特性分析

  伍家鸿, 曹太强, 李柏宏, 司国雷, 阳小明

  液压与气动. 2023, 47(9): 166-174. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.09.020

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  为进一步提高复杂路况下车辆半主动悬架系统的减振性能,提出一种基于迭代学习(Iterative Learning Control, ILC)改进的H∞控制(ILC-H∞ Control)策略。首先,提取自适应阻尼减振器(Adaptive Damping System, ADS减振器)的阻尼特性实验数据,利用Sigmoid模型对阻尼参数进行辨识拟合;引入P型迭代学习控制器弥补传统H∞控制中权函数的盲目性,构建期望回路增益,将模型匹配问题转化为迭代学习中期望回路函数的路径跟踪问题,提高悬架阻尼调节的灵活性与自适应性。结果表明:在B级随机路面和冲击路面激励下,与被动悬架和H∞传统控制下的半主动悬架相比,该控制方法的性能提高了近49.04%。
工程技术
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  BP神经网络优化参数的螺杆点胶阀无模型自适应控制技术

  朱燕飞, 楚友洋, 李传江

  液压与气动. 2023, 47(9): 175-181. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.09.021

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  螺杆点胶阀因点胶效率高、精度高、胶点均匀性高等优点,广泛应用于微电子封装等领域,而电机转速的控制性能是决定螺杆点胶阀点胶质量的重要因素。针对点胶阀在外部干扰和负载扰动情况下,PID速度控制效果不理想,参数难以整定的问题,采用BP神经网络-无模型自适应控制(BP-MFAC)算法,通过BP神经网络在线整定无模型自适应控制器参数来实现对电机速度的自适应控制,无需人工整定参数。仿真和实验对比结果表明,该算法相较于PID控制算法,在电机速度控制上具有更小的超调量和稳态误差,更短的调节时间;在外部干扰和负载扰动的情况下,具有更好的抗扰动能力。
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  工程机械平地作业铲刀液压浮动系统设计

  张丽, 黄续芳, 罗骁, 文仁兴, 李旭东

  液压与气动. 2023, 47(9): 182-188. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2023.09.022

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  针对工程机械铲刀平地作业铲刀与地面的刚性冲击问题,提出一种工程机械平地作业液压浮动系统,通过增加阀芯行程在铲刀联主控阀芯上增加浮动工作位,详细阐述了液压浮动系统工作原理,基于AMESim搭建负载敏感控制的铲刀液压浮动系统仿真模型,进行了仿真参数设置,模拟了铲刀平地越障浮动升降过程,得到了铲刀油缸压力和位移动态曲线,并基于平地越障铲刀油缸易产生震动问题,在铲刀油缸大腔增加蓄能器进行减震,铲刀相同负载工况下进行了浮动升降仿真,研究结果表明:铲刀浮动平地作业越障易抬起铲刀,有效提升铲刀寿命; 蓄能器对铲刀油缸平地越障的震动具有很多的吸能减震作用; 铲刀油缸大腔冲击压力降低31%,活塞冲击速度降低42%。