2024年, 第48卷, 第1期　刊出日期：2024-01-15

  

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理论研究
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  高压阀口液动力补偿控制策略仿真分析

  李海宾, 沈俊, 仇智, 苏琦, 张志豪, 徐兵

  液压与气动. 2024, 48(1): 1-9. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.01.001

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  直动式比例伺服阀是一种新型的单级伺服阀,采用比例电磁铁或线性力马达直接驱动滑阀运动,具有成本低、频响高、抗污染能力强等优点,广泛应用于注塑机进给控制、轧机板厚控制系统等高速高精度液压控制系统中。传统的直动式比例伺服阀采用PID控制策略实现阀芯的精确位置控制,在高压大流量工况下(供油压力达到20 MPa、流量大于100 L/min),阀芯受到液动力扰动变得更加剧烈,易出现响应速度慢、阀芯抖动的现象,影响了比例伺服阀的控制精度。为了解决大液动力扰动的问题,提出了一种基于指数收敛干扰观测器的滑模控制器。通过建立阀芯动力学模型来设计滑模控制器,保证阀芯位置的高动态跟踪性能;使用基于指数收敛的干扰观测器,估计阀芯动力学模型中液动力的不确定性扰动,解决高压大流量工况下的阀芯液动力扰动补偿问题。搭建了比例伺服阀系统的联合仿真模型进行仿真验证,结果表明,提出的控制器可以解决高压大流量工况下阀芯液动力扰动对阀芯位置控制的干扰问题。
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  轴向柱塞变量泵斜盘小摆角的稳定性分析

  张广成, 胡德, 左强, 沈伟, 陈浩毅

  液压与气动. 2024, 48(1): 10-19. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.01.002

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  以斜盘式轴向柱塞变量泵作为系统动力源的液压系统,由于节流损失较低,相较于阀控的液压系统具有良好的节能效果。其在斜盘小摆角工况下的工作稳定性是影响其应用的关键问题之一。根据轴向柱塞变量泵的变量原理,将变量泵稳定性转化为变量缸的稳定性分析。首先分析斜盘的受力情况,得出斜盘所受到的平衡力矩方程,从而得出变量缸的负载,再通过变量缸的流量方程与动力学方程推导变量缸的传递函数,最后运用灵敏度分析方法,分析出影响变量泵稳定性的关键因素,为后续优化轴向柱塞变量泵提供了理论基础。
综合应用
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  液压机械臂驱动关节的非线性摩擦力自适应补偿控制

  夏杨修, 吕立彤, 陈正, 赫连勃勃

  液压与气动. 2024, 48(1): 20-30. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.01.003

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  液压机械臂在重载任务中至关重要,但在精细化作业中却普遍存在“力量够大、精细不足”的问题。无论采用全自主还是半自主的作业方式,精密运动控制都是实现精细作业的首要基础。液压机械臂多采用液压缸直动推动关节转动的非线性驱动关节构型,摩擦分别来自液压缸和转动轴,但现研究大多忽略直动摩擦而仅考虑转动摩擦,因而运动控制中的摩擦补偿不到位。建立了面向模型补偿控制的液压机械臂非线性驱动关节动力学模型,全面考虑液压缸和转动轴的摩擦特性,进而提出摩擦补偿控制方法。结合基于最小二乘的在线参数自适应律,设计了直接/间接自适应鲁棒控制器。最后开展多组仿真对比,验证所提控制方法对液压机械臂驱动关节控制精度的提升效果。
工程技术
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  层叠式三片串联压电俘能器的设计与实验

  孙振菊, 赵海霞, 刘航, 史伟杰, 罗小辉

  液压与气动. 2024, 48(1): 31-37. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.01.004

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  针对液压系统中低功耗电子元件使用电池供电时,存在续航短、更换困难等弊端,提出了一种收集压力脉动能量的层叠式三片串联压电俘能器。针对该压电俘能器,实验分析了静态压力、脉动频率、负载电阻等参数对俘能特性的影响。结果表明,频率与静态压力相同时,输出电压会随着负载电阻的增加而增大,最终趋于平缓,而且输出电压在电阻相同时会随着频率的增加而增大,频率为100 Hz,压力为3 MPa时,800 kΩ处输出电压最高可达9.52 V;输出功率先增大后减小,即存在最佳电阻使输出功率达到最大,且不同频率下使俘能器达到最大输出功率的负载电阻不同,频率为100 Hz,压力为3 MPa时,100 kΩ处输出的平均功率最大可达368.45 μW。
综合应用
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  电液位置伺服系统的MPC控制仿真分析

  张贻哲, 李跃松, 李阁强, 李贵飞, 王棒

  液压与气动. 2024, 48(1): 38-45. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.01.005

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  电液位置伺服系统广泛应用在大负载、快速、精确反应的控制领域中,然而其存在时变非线性的特性,因此传统控制系统不能达到理想的控制效果。模型预测控制(Model Predictive Control, MPC)具有无需模型、鲁棒性强、抗扰动能力强等优点,较适合应用在时变非线性系统的控制中。分别采用PID控制、线性MPC、自适应MPC和非线性MPC 4种控制策略对电液位置伺服系统的控制性能进行仿真研究。结果表明:线性MPC、自适应MPC和非线性MPC都比PID控制性能好,非线性MPC控制精度较高、响应速度较快、抗扰动能力较强,自适应MPC控制精度、响应速度和鲁棒性次之。
工程技术
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  基于小波包分析和优化KNN的电动开度阀故障检测方法

  唐炜, 陈远, 程鲲鹏

  液压与气动. 2024, 48(1): 46-55. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.01.006

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  针对以微控制器MCU为控制核心的电动开度阀控制系统难以集成高效且计算量小的故障检测子系统的问题,基于小波包变换和优化K近邻(K-Nearest Neighbor, KNN)算法提出了一种电动开度阀故障检测方法。对阀门振动信号进行小波包变换,计算小波包节点的能量值与其重构信号的时域特征参数。根据Pearson系数筛选出两种与能量强相关的故障特征参数:峰峰值与均方根,并将两者作为KNN算法的样本评价指标;通过对评价指标进行加权优化了KNN算法的距离计算公式,分别在MATLAB和实验样机中进行故障检测测试,对应最高分类准确率分别为92.5%与86.7%。结果表明:实验测试与仿真分析具有较好的一致性,该故障检测方法的优势在于计算量小、故障识别率较高,并能有效地应用于以MCU为核心的电动开度阀控制系统。
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  热流密度对平行圆盘间隙中一维可压缩流动影响分析

  李玉立, 郭良斌

  液压与气动. 2024, 48(1): 56-62. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.01.007

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  以高压圆盘气体轴承平行间隙中一维可压缩理想流动分析结果为基础,在考虑平行圆盘间隙内面积变化、壁面摩擦和热量输入时,通过理论推导及程序编制,利用数值计算方法得到了平行气膜区气膜对称线上一维模型的马赫数、静温和静压的分布规律。结果表明:对于一维模型而言,气膜对称线上的马赫数始终呈现下降的趋势,静温始终呈现上升的趋势,静压呈现先上升再缓慢下降的趋势;在整个平行气膜间隙中,热量的输入会导致马赫数下降的速率减缓,当热流密度不大时,马赫数受热量输入的影响很小,而热流密度较大时,热量输入对马赫数有较明显的影响;静温受热量输入的影响很大,且热流密度越大,温度上升的越明显,静压受热量输入的影响很小。
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  纵列双桨无人机的气动仿真分析

  贺登俊, 康会峰, 刘颖, 刘泽辉, 宣佳林, 黄新春

  液压与气动. 2024, 48(1): 63-71. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.01.008

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  为解决纵列双桨无人机的桨叶重叠部分的气动干扰导致的旋翼效率减少问题,基于计算流体力学(CFD)方法对纵列双桨无人机的气动特性进行了仿真分析,包括不同攻角、两桨叶相对位置变化以及整流罩气动外型优化。结果表明:在不同攻角下,无人机的攻角对升力系数的影响大于阻力系数;无人机两桨叶在纵向距离3420 mm、轴向距离540 mm时旋翼的干扰最小,效率最高。之后进行了无人机整流罩优化,得到了更加理想的气动外型。为纵列双桨无人机的气动设计提供了重要的参考和指导,同时也为无人机的发展和应用提供了有益的实践经验。
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  方坑-半圆柱体叠加织构滑块润滑性能仿真与参数优化

  刘朝伟, 杨发展, 姜芙林, 黄珂, 杨宇

  液压与气动. 2024, 48(1): 72-85. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.01.009

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  通过设计方坑-半圆柱体叠加织构,建立了不同面积占有率、不同深度、不同角度的方坑-半圆柱体叠加织构的流体动压模型,探索叠加织构不同几何参数对流体动压分布和油膜承载能力的影响。仿真结果表明:随着织构面积占有率的变化,方坑-半圆柱体叠加织构油膜承载能力呈先增加后减小趋势,织构深度对油膜承载能力的影响较小,具有一定倾角的织构能够提升滑块的动压润滑性能;当织构中方坑及半圆柱体深径比不变时,面积占有率为36%时流体动压效果较优,平均摩擦系数最小;在织构面积占有率不变时,深度为0.15 mm,织构倾角30°时动压效果较优,此时织构化滑块表现出优良的摩擦学性能。研究结果为进一步提升织构化特征滑块的润滑性能提供参考。
理论研究
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  液压过滤器内的颗粒迁移数值模拟

  田韬, 陈健, 朱建新

  液压与气动. 2024, 48(1): 86-92. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.01.010

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  过滤技术广泛应用于化工过程、燃油和液压领域。在液压系统中,过滤器也是重要的元件之一。与针对过滤的结构设计和滤芯选材研究相比,颗粒污染物迁移是影响过滤器性能的基础因素,需要加以重视。由于颗粒污染物的尺寸较小且数量巨大,在数值模拟中完全追踪每一个颗粒难度较大。因此,以某一液压过滤器为例,采用计算流体动力学-离散相(CFD-DPM)耦合的方法,对过滤过程中颗粒污染物的迁移规律进行初步探讨,尤其是流量和油温对颗粒迁移的影响。结果表明,入口油液速度对过滤的快慢影响较大,但对于过滤效率影响较小。相比之下,油液温度在0.3 s内对颗粒的瞬态阻拦影响较大,但对于稳态的影响也较小。
综合应用
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  多管阵列近等温压缩空气储能方法研究

  李震领, 许未晴, 贾冠伟

  液压与气动. 2024, 48(1): 93-99. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.01.011

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  针对压缩空气储能系统传热性能和压缩/膨胀效率低的问题,提出了一种多管阵列近等温压缩空气储能方法,设计了液体活塞结构与管式换热结构耦合的多管阵列压缩/膨胀机,液体活塞结构实现高压密封,管式换热结构增加换热面积以提高换热量,采用隔膜式结构实现气-液隔离避免空气的溶解,采用水箱储存压缩热并在空气膨胀时释放。建立了系统热力学模型和传热学模型,分析了多管束参数对空气压力、温度和压缩功的影响,使空气从0.8 MPa增压至5 MPa,采用1000根管、压缩时间60 s时,可实现空气压缩效率达到70%。为高压和高效的近等温压缩空气储能提供了一种新的方式。
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  液压挖掘机液能回收再利用节能装置测控系统

  王金凤, 周连佺, 蒋红旗, 杨成, 徐添

  液压与气动. 2024, 48(1): 100-107. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.01.012

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  液压挖掘机动臂下降重力势能和回转制动动能均以节流和溢流的形式转化为了油液的热能,严重影响整机能效,亟需提高液压挖掘机液压系统的效率。针对这一问题,提出了基于三腔蓄能器的挖掘机液能回收再利用的节能装置方案,可以回收挖掘机动臂势能和回转制动动能,用于驱动动臂举升。首先,介绍了节能装置的工作原理。其次,设计并开发了节能装置的测控系统,采用CoDeSys编写了下位机控制器程序,直接控制节能装置的动作实现能量回收和再利用;运用C#语言开发了上位机程序进行节能装置电控系统和液压系统的模拟调试和数据监控,并实现了节能装置的远程无线通讯功能。试验结果表明:该测控系统实现了对插装阀开闭和比例节流阀开度的快速、精准控制;达到了对节能装置远程控制和数据实时采集的目标;节能装置的动臂势能回收效率为84.9%,动臂节能效率为52.8%,回转制动工况下的动能回收效率为41.1%。
工程技术
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  叶顶间隙对低比转数小流量泵性能的影响

  郝开元, 安东森

  液压与气动. 2024, 48(1): 108-114. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.01.013

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  为建立叶顶间隙对低比转速小流量泵性能的影响关系,采用数值计算的方法,以叶顶间隙宽s和叶轮出口宽b的比值(s/b)表征间隙大小,对不同间隙下泵的性能展开对比分析。分析发现,随着间隙的增加,泵的扬程和效率均逐渐降低,最大和最小间隙下的扬程和效率差分别达15.4%,5.5%。当间隙较小即s/b＜0.2时,扬程曲线在小流量工况会出现不稳定的“驼峰”现象,在s/b＞0.3后,设计工况附近效率的降幅显著增大。从流动特性来看,随着叶顶间隙的增大,间隙泄漏流对叶轮内主流区影响加剧,会诱导严重的二次流和旋涡的产生,同时间隙内不稳定流动也会产生能量损失,造成扬程和效率下降。为低比转数小流量泵的设计与优化提供借鉴意义。
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  电液阀故障气动半实物仿真平台设计

  刘健伯, 田昊, 陈圣涛, 弓永军

  液压与气动. 2024, 48(1): 115-121. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.01.014

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  针对阀口独立电液阀故障诊断与状态感知功能开发需求,设计搭建了一种基于高速开关阀与低惯量气缸驱动的高频阀芯-电磁铁加载与故障半实物仿真试验平台,并对试验台性能进行了初步测试。该仿真平台通过PWM信号驱动高速开关阀控制双作用气缸活塞杆位移与输出力,调控加载于阀芯比例电磁铁的模拟工况,实现电液阀阀内故障的半实物模拟。试验平台基于ARM平台建立,集成了场效应驱动电路与位移传感器、拉压力传感器与电流传感器等感知元件,可完成对模拟工况下阀芯的动态特征的捕捉。初步试验结果表明,通过设置不同PWM驱动信号可实现阀芯加载力调节、实现阀芯卡滞模拟,验证了平台功能。
综合应用
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  基于正交试验法的铝合金车体高压水清洗喷嘴结构优化

  孙浩, 栾锋, 冯乐乐, 赵鹏, 陈萧阳, 张军

  液压与气动. 2024, 48(1): 122-130. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.01.015

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  抑尘剂等复杂的化合物黏着在铝合金车体上,导致车体污染十分严重,高压水射流清洗方法能够有效去除铝合金车辆车体表面黏着的化合物。通过分析圆柱形、锥形、文丘里形和余弦形喷嘴的射流流场分布、射流出口速度、最大壁面静压、相同清洗宽度下压力值范围,得到余弦形喷嘴的清洗性能最佳,锥形喷嘴次之。基于正交试验法设计五因素、四水平正交试验表,得到常用清洗压力下余弦形喷嘴的最优结构参数:进口直径为40 mm、出口直径为20 mm、过渡段半径为40 mm、出射段长度为25 mm、过渡与余弦部分长度比为4。按照最优喷嘴结构参数进行建模,得到三组压力值下高压水出射速度比未优化前提高了2%,且优化效果随着入口压力值的提高而有所下降。在优化后的喷嘴结构参数下进一步计算得出入口压力为10 MPa时,靶距设置为250 mm能达到较好的清洗效果和节能作用。
理论研究
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  恒流径向柱塞泵输出特性分析与试验

  王德海, 杨凌, 王二毛, 杨帅, 刘宝玉, 安高成

  液压与气动. 2024, 48(1): 131-140. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.01.016

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  基于特种装备车辆转向系统恒流量需求的背景,以优化某型恒流量径向柱塞泵输出动特性为目的,进行了恒流量机理解析及流量脉动分析优化。针对流量输出特性搭建了数学及仿真模型,并对比仿真、试验结果,以验证原理、模型的有效性。并以恒流量值、恒流量临界转速为约束条件,对流量脉动率进行了优化分析研究。结果表明:可通过该型结构实现柱塞泵恒流量功能;在输入转速大于恒流量临界转速后,随转速升高,平均流量将趋于稳定,而流量脉动将随转速升高而升高;通过优化柱塞直径、偏心距和节流口开口量,可有效降低流量脉动率5%以上。
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  航空过滤器压力脉动衰减抑制机理分析

  赵龙超, 张遨翔, 姚静, 杨帅, 张乾瑞

  液压与气动. 2024, 48(1): 141-149. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.01.017

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  应急放能源系统是飞机液压系统失效时用于飞机起落架收放的应急动力单元,但该系统存在压力脉动大导致系统不稳定等问题,严重影响飞机的运行安全。利用航空过滤器内部腔体形成压力脉动衰减器对脉动进行抑制。采用压力波声学传播理论及Comsol Multiphysics进行了有限元建模及仿真,得到过滤器腔体直径、腔体长度、入口直径、出口直径为影响过滤器传递损失的关键参数。通过实验测试,过滤器后压力脉动幅值由20.9±0.44 MPa衰减至20.9±0.15 MPa,衰减效果良好,增大腔体直径后脉动抑制效果进一步增强,与仿真结果一致。验证了过滤器压力脉动建模仿真方法的正确性,也为小流量液压系统过滤器设计提供了新的思路。
综合应用
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  微型迷宫螺旋泵仿真分析优化

  刘司南, 殷参, 郭孟蕾, 赵健, 李咚咚, 刘畅

  液压与气动. 2024, 48(1): 150-158. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.01.018

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  基于航天器热控系统对微型迷宫螺旋泵小流量高扬程的需求,开展了对微型迷宫螺旋泵结构参数的优化设计,以流道的螺旋升角、螺纹头数及动力界面夹角为研究对象,以扬程为优化目标,采用数值计算和试验相结合的方法,开展响应面分析及多参数优化,获得了扬程最优的结构参数组合,通过试验验证了优化结果的有效性,优化后的微型迷宫螺旋泵最大扬程提高了65.4%,该分析为微型迷宫螺旋泵的性能提升提供了技术支撑。
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  微型高压空压机动力学优化设计

  杜鑫, 李鹏飞

  液压与气动. 2024, 48(1): 159-164. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.01.019

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  随着高压空气作为新型清洁动力源和冷却源的应用越来越多,微型高压压缩机便成为该领域研究的一项重点。传统的压缩机经验设计方法很难满足所有设计要求的最优方案。在传统热力设计的基础上,充分考虑压缩机的动力平衡特性,以各级缸径为主要设计变量,以各级气体力合力为优化目标开展多目标多变量优化研究。经过动力学优化设计,压缩机各级气体力相比传统设计更加均衡。气体力合力最大值降低了18.4%,合力的波动幅值降低了56.1%,同时指示功率也降低了4.2%。
工程技术
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  防波板连杆机构启闭过程动态优化设计

  王闻航, 储景瑞, 卢超, 陈伟, 杨钢

  液压与气动. 2024, 48(1): 165-171. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.01.020

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  随着潜航器功能的复杂化,其内部可用空间高度紧张,可携带的能源受到极大的限制。为减少潜航器防波板启闭机构能源消耗及空间尺寸,针对防波板启闭机构开展了受力状态分析,基于Fluent仿真分析了防波板开启过程中所受的水动力,得到防波板水动力-开度函数,由此搭建了防波板启闭机构ADAMS动力学模型,基于控制变量法分析了不同结构参数条件下,防波板启闭全过程所需驱动力矩的变化规律,得出了使得防波板启闭全过程驱动力矩较小的结构参数。结果表明:采用优化结构参数后,其最大驱动力矩减小为8.812 kN·m,较现有结构最大驱动力矩(17.934 kN·m)减少了50.86%,优化效果较为显著。工作综合考虑了防波板启闭全过程中的动态受力情况,并优化得出了防波板启闭全过程驱动力矩均较小的结构参数,该方法对同类结构的全过程动态设计有借鉴意义。
综合应用
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  航空发动机滑油系统LRU级故障树建模与分析

  李哲, 豆鹏飞, 刘津宏, 王卓健

  液压与气动. 2024, 48(1): 172-180. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.01.021

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  滑油系统是航空发动机的关键系统之一,一旦发生故障,严重影响飞行安全。滑油系统结构复杂,排故难度较大。对滑油系统进行LRU级故障树建模和分析,能够为快速定位LRU级故障源提供指导性建议。根据滑油系统工作原理、组成与运行特点,构建了以LRU级故障为底事件故障树模型,运用下行法求解故障树最小割集,采用不交化的最小割集表达式,计算滑油系统顶事件故障发生概率,以及滑油压力异常、油液污染、滑油消耗量大、滑油系统部件损坏等典型故障发生概率;在不交化最小割集矩阵中,与求顶事件概率相对应,分析LRU级故障树底事件概率重要度和相对概率重要度;通过概率重要度分析明确航空发动机滑油系统的易损部件,为日常维护与管理提供参考。
理论研究
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  某大扭矩船用间接式阀位指示器测量误差分析

  张宏, 刘佳康, 王守真, 雷宜达, 刘佳杭

  液压与气动. 2024, 48(1): 181-188. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.01.022

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  为实现阀门遥控系统中阀门开度的精确测量,对影响船用间接式阀位指示器误差最大的油液压缩性进行了研究,提出了应用AMESim仿真与压缩性变化特性方程及结构相结合的策略对不同工况下液压油的有效体积弹性模量进行研究的方法,进而得到间接式阀位指示器测量误差变化规律,揭示了阀位指示器在油路中不同安装位置对测量误差的影响。结果表明:间接式阀位指示器测量误差对油液压缩量敏感,当油液含气量从0.05%增大到1%时,油液压缩量增加,测量误差变大;含气量相同,在低压、高温工况下,会加大测量误差。研究成果为新型船用间接阀位指示器补偿模块的研究提供了模型基础。