2024年, 第48卷, 第10期　刊出日期：2024-10-15

  

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元件分析与优化
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  基于对抗蒸馏的轴向柱塞泵关键摩擦副磨损状态在线辨识轻量化方法

  王丹丹, 苗克非, 吕飞, 刘施镐, 黄伟迪, 张军辉

  液压与气动. 2024, 48(10): 1-11. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.10.001

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  在线辨识轴向柱塞泵磨损状态对保证液压传动与控制系统的稳定可靠运行具有重要意义,但实际工况下的辨识性能受强噪声干扰。磨损状态辨识模型能通过对抗训练增强抗噪声鲁棒性,但庞大的参数量限制了其在边缘计算设备上的应用。为了兼顾抗噪声鲁棒性和模型体量,提出了一种基于对抗蒸馏的磨损状态在线辨识轻量化方法,设计了基于一维卷积神经网络的学生模型和教师模型,学生模型生成对抗样本作为知识迁移数据集,并通过知识蒸馏学习教师模型的鲁棒特征知识。通过故障注入、对比实验和消融实验,表明所提方法能兼具抗噪声鲁棒性强和模型结构轻量的优势。通过边缘部署和在线验证实验,验证所提方法能实时准确地辨识轴向柱塞泵磨损状态。
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  基于转矩控制的变转速定量泵的运行特性研究

  赵磊, 葛磊, 杨飞, 权龙, 郝云晓, 夏连鹏

  液压与气动. 2024, 48(10): 21-27. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.10.003

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  采用变转速电机驱动定量泵作为电液动力源时,通过控制转速来实现压力控制,难以适应负载流量快速变化的工况。而采用伺服电机通过直接转矩控制的方法驱动定量泵实现压力控制,与变转速控制压力相比,具有动态响应更快的优点。但受转速等非线性因素影响,使得转矩与压力具有非线性对应关系,在开环控制时,压力控制偏差较大。为此,在开环控制压力时,采用可以迭代离线生成的转速、压力控制偏差二维图表来进行转速补偿。通过理论分析与数字仿真进行研究,结果表明,在相同条件下,与用拟合曲线进行转速补偿的压力控制方案相比,该方案的压力控制误差降低为2%,可以更好的实现压力控制。
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  新型低速大扭矩内曲线柱塞泵空化特性分析

  曾亿山, 楼阳, 尹纯真, 王雷, 胡敏

  液压与气动. 2024, 48(10): 28-37. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.10.004

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  为了研究一种新型低速大扭矩内曲线柱塞泵的内流域空化特性,建立了内曲线柱塞泵的配流体内流域模型,通过CFD流体仿真对配流体流域的空化分布和产生进行研究。分析了不同工况参数对配流体流域空化特性的影响。研究表明:空化主要发生在排油单向阀阀口和高速开关阀阀口,气相体积分数直接反应空化的剧烈程度,泵轴转速和负载压力对于空化的影响明显,但过低的吸油压力会导致柱塞发生吸空。通过增大流道局部内径和缩小流道长度两种不同方式对配流体内流域结构进行优化,以此减小油液流速,进而削弱空化现象,优化方式较好。
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  基于背景纹影的气液界面行为特性可视化

  任政钢, 祝昊杰, 苏芮, 申英男, 胡亮

  液压与气动. 2024, 48(10): 38-44. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.10.005

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  气密封技术是维持浸没流场稳定性的主要机制。气体射流冲击晶圆表面,防止浸没液体泄漏造成套刻误差和曝光缺陷。因此,浸没流场和密封气体的相互作用、气-液界面的行为特性亟需研究。采用背景纹影技术观测气体射流,介绍了该可视化技术的测量原理和硬件搭建。通过光路设计实现气-液、内-外流场同步观测,以及界面行为特性研究。对背景纹影技术等非接触式测量技术在超洁净流控中的应用提供指导。
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  复杂流场下对焊燃油管路流固耦合特性分析

  权凌霄, 宫瀚文, 孙世博, 李朋杰, 王明远

  液压与气动. 2024, 48(10): 54-64. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.10.007

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  飞机燃油管路内部流体流动特性复杂,油液与管壁相互作用产生的流固耦合作用严重影响管路安全,深入研究流固耦合特性对减少管路振动和磨损具有重要意义。通过金相检测和微拉伸试验获得焊接接头区域具体尺寸和力学性能参数,建立带有90°弯管的对焊燃油管路流固耦合模型。采用Realizable k-ε 湍流模型开展研究,综合分析在恒速流场下不同入口流速对流体域流动特性及固体域应力响应规律的影响和在脉动流场下不同区域等效应力的响应结果。结果表明:恒速流场下,出口弯管段最大等效应力受流速影响显著;脉动流场下,焊接接头处的最大等效应力出现在焊缝区且应力水平较为集中。可为改善飞机燃油管路的构型设计和系统性能提供重要参考。
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  高压气动减压阀内部湿空气凝结特性

  任甲辉, 李嘉成, 樊昱豪, 雷伟佳, 高隆隆, 李宝仁

  液压与气动. 2024, 48(10): 75-84. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.10.009

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  针对高压气动减压阀内部结露结冰的现象,建立高压湿空气凝结流动数学模型,开展高压气动减压阀内部结露机理研究。以湿空气和液滴为流动介质,采用湿蒸汽凝结理论和多组分运输模型,通过C语言和Fluent-UDF编程开发了高压超音速湿空气凝结流动数值模型,搭建实验平台进行数值模型验证。利用该数值模型对高压气动减压阀内部湿空气凝结流动特性进行仿真,并分析了高压超音速流动过程中湿空气的流动凝结行为。结果表明:高压压缩气体流经节流阀口为绝热等熵过程,产生焦耳-汤姆逊正效应,气体体积迅速膨胀,压力和温度急剧下降,流速达到超音速流动;阀口附近下游区域大量成核,液滴快速增长,形成主要凝结区。高压湿空气凝结流动模型可为高压减压阀结构优化及进一步结冰机理研究提供参考。
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  水液压扭转关节的结构优化设计与试验

  纪辉, 张旭峰, 聂松林, 冯俊学, 高鹏望, 尹方龙

  液压与气动. 2024, 48(10): 85-92. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.10.010

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  针对压力流体驱动的柔性机械手操作空间有限、支撑刚度不足等问题,提出一种由水液压驱动的新型扭转关节。通过有限元分析方法,对不同结构参数以及不同系统压力下关节的扭转变形特性进行了分析。基于Kriging代理模型混合优化算法获得扭转关节最大扭转角度对应的最佳结构参数组合,并对水液压扭转关节进行了试验研究。结果表明:试验与仿真的关节扭转角随系统压力变化的趋势基本一致,当系统压力为0.6 MPa时,扭转关节达到最大扭转角度,约为40°,且试验与仿真结果误差低于2%。为扭转关节设计和驱动方式提供了新思路、新方法。
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  集成储能挖掘机动臂液压缸运动特性优化

  赵庆康, 夏连鹏, 葛磊, 郝云晓, 黄伟男, 王鹏廷

  液压与气动. 2024, 48(10): 93-99. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.10.011

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  集成储能液压缸是一种多腔液压缸,由差动缸和柱塞缸组合形成。其储能腔与蓄能器直接连接,形成储能回路,用于回收再利用动臂势能,具有高效的势能再生利用和广泛适用性,但蓄能器的引入使其难以实现高精度运行。为了解决上述问题,提出了一种主回路和储能回路协同控制的方案,在储能回路中引入比例阀,并与主回路阀协同控制,以改善挖掘机动臂的运动特性。通过在SimulationX软件环境中建立挖掘机的联合仿真模型,分析并对比采用该方案与采用传统控制方案下的动臂运动特性。结果表明,该方案可以降低蓄能器对动臂运动特性的影响,并提升集成储能液压缸的速度和位移控制精度。
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  低速大扭矩水液压马达的深海性能迁移特性

  许长坤, 吴德发, 高恒, 张鹤鸣, 米卓, 刘银水

  液压与气动. 2024, 48(10): 100-106. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.10.012

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  为实现深海水液压机械手回转关节的稳定输出,研制了一种新型阀配流低速大扭矩水液压马达。搭建了其数学及物理模型,完成了马达与机械手腕部关节的集成设计,通过马达的AMESim仿真模型分析了深海环境对马达输出性能的影响。研究发现:随着海深的增加,马达的输出扭矩显著降低,输出转速也出现一定变化,环境压力从0 MPa增加至120 MPa的过程中,马达的输出扭矩累计降低了34%,最大稳定转速却较陆上工况增加了13%。此研究为马达的结构优化与深海作业控制提供了理论依据。
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  迷宫流道流阻特性研究与优化设计

  高原, 甘润林, 任甲辉, 赵祉昕, 高隆隆, 李宝仁

  液压与气动. 2024, 48(10): 117-127. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.10.014

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  迷宫流道流阻特性的设计是迷宫式调节阀实现节流减压的关键。然而,迷宫流道结构较为复杂,流动介质中的沉积物易导致迷宫流道堵塞,影响节流减压性能。对迷宫流道的流阻性能和抗堵塞性能进行研究,分析不同结构迷宫流道的流场与颗粒运移规律,并优选特斯拉形作为基础迷宫流道结构。通过正交试验设计,阐明了特斯拉形流道结构参数与流阻系数、颗粒通过时间之间的影响关系,并建立多元非线性回归模型。采用基于NSGA-II的多目标优化算法,以流阻系数最大、颗粒通过时间最小为优化目标进行高流阻低堵塞迷宫流道优化设计。结果表明:特斯拉形迷宫流道宽度和深度的减小可以增大流阻系数,出口段长度的减小可以降低颗粒通过时间;优化后特斯拉形迷宫流道流阻系数提高了55.3%,颗粒通过时间降低了1.58%,有效的提升了流阻特性和抗堵塞性能。
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  仿生微凹坑表面叶片对离心泵空化性能的影响

  林煦程, 胡亚辉, 李沁阳, 王雨霖, 陈坚

  液压与气动. 2024, 48(10): 143-149. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.10.017

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  空化现象是影响离心泵性能的关键因素,为研究仿生微结构对离心泵空化性能的影响,以比转速为112.4的离心泵为研究对象,基于海滑虫的仿生气包微纹理表面,提出一种类蘑菇状凹坑微结构叶片。利用CFD仿真软件对模型进行非定常空化数值模拟,研究微结构不同凹坑深度比对离心泵空化性能的影响。结果表明:仿生微结构对离心泵水力性能影响较小,扬程变化为-1.42%～1.38%;不同深度比对离心泵空化性能影响较大,当深度比为2.5时,抑制空化效果最佳,在空化初生阶段空泡体积减少54.75%,断裂扬程提高17.07 m;在吸力面进口1/3处布置仿生类蘑菇状凹坑后,减少了叶轮进口处低压区分布,减小了流道内空泡横截面积,抑制流道内空化的初生和发展。
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  面向微流控芯片工作状态感知的智能泵:设计、实现和验证

  刘国镪, 方策, 肖林, 赖永康, 张东旭

  液压与气动. 2024, 48(10): 150-157. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.10.018

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  针对微流控芯片内部流体状态实时预测和工作流程调控的需求,提出了一种基于“驱动器即传感器”理念的智能泵。对所提出智能泵系统工作原理和工作流程进行介绍,并对测试微流控芯片及工作状态预测需求进行分析。建立压力信号处理流程,气压信号经预处理后,提取有效时域特征,进行状态预测训练。进行微流控芯片工作状态验证,实验表明:智能泵预测磁珠球复溶结果和冻干球复溶结果与实际测量和生物实验结果相一致,验证了智能泵系统的有效性。
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  液压柱塞马达的约束阻尼层降噪研究

  张圳, 黄惠, 杜恒, 李雨铮, 苏俊收

  液压与气动. 2024, 48(10): 158-169. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.10.019

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  液压柱塞马达在工作状态下振动噪声剧烈,针对削弱内部声振源和外部壳体结构优化的传统减振降噪方案设计难度大、优化成本高的问题,提出了在液压柱塞马达壳体敷设约束阻尼层的减振降噪方法。进行液压柱塞马达的动力学模型和液压模型耦合仿真,得到液压柱塞马达内部对壳体的振动激励。以振动激励作为载荷,结合强迫响应分析和基于模态声传递向量法的声压仿真,得到马达壳体的模态参与因子和声学板块贡献量,从而精确阻尼层敷设区域。通过对约束阻尼层进行有限元建模分析,研究阻尼层材料参数对振动抑制的影响,选择合适的阻尼层材料。在半消声室内对敷设约束阻尼层前后的液压柱塞马达进行多工况下平均声压级测试。结果表明:在峰值噪声频率下,约束阻尼层能将液压柱塞马达的噪声至少降低2 dB。
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  基于TimeGAN的电液伺服阀性能评估模型

  余萍, 孙嘉徽, 谢周鹤, 张超

  液压与气动. 2024, 48(10): 170-179. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.10.020

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  电液伺服阀容易受到油液污染的影响,当污染颗粒通过节流口时会对阀口壁面产生冲蚀磨损,使得电液伺服阀阀口过流断面变大,内泄漏量增加。针对现有仿真手段难以准确衡量电液伺服阀的性能退化,而试验样本有限等问题,提出一种基于时间序列生成对抗网络算法的评估模型用于评估电液伺服阀性能。首先分析了电液伺服阀的失效机理,然后建立了时间序列生成对抗网络算法的框架,利用维纳过程分析并得到了电液伺服阀的性能评估模型,最后设计并完成了污染磨损试验,利用时间序列生成对抗网络算法对试验数据扩充,通过参数估计的结果对比发现,利用时间序列生成对抗网络算法对试验数据扩充可以有效提升电液伺服阀性能评估模型的准确度。
系统设计与研究
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  电动工程机械双热源热泵空调系统的仿真和试验

  王琦, 任好玲, 林添良, 林元正, 王湧, 张杏

  液压与气动. 2024, 48(10): 12-20. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.10.002

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  热泵空调系统是电动汽车新型加热取暖方式之一,具有制热制冷效率高、控制方便等优势,其在电动工程机械领域也有良好的应用前景。但热泵空调系统最大的应用难题是其利用的冷媒R134a在低温环境温度下,由于制冷剂本身性质的限制及室外侧换热器结霜现象,导致系统的制热性能严重下降,进而影响热泵空调系统的综合性能。据此,提出了基于双热源热泵空调的纯电工程机械整车热管理系统的解决办法,引入工程机械的电驱系统余热作为电驱源,与传统热泵空调的空气源组成双热源热泵空调系统,通过系统中余热的合理运用,提高能量利用率。AMESim仿真和热管理试验平台不同模式下的试验结果表明,电驱源热泵系统的制热性能明显优于传统空气热源热泵,有效提高制热能效系数。
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  磁悬浮微型机器人在流体环境下工作稳定性分析

  陈健, 徐威挺, 邱旭东, 庞文尧, 黄学宇, 刘军

  液压与气动. 2024, 48(10): 45-53. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.10.006

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  针对流体环境下磁悬浮结构微型机器人操作控制难、工作效能低等问题,提出了一种加强微型机器人在流体环境中工作稳定性的组合式磁体配置模式。该配置模式是在流体环境上下两侧分别配置一大一小两块环形钕铁硼永磁体组合,通过增强机器人所受纵向力,实现增强工作稳定性的目的。首先对另外三种配置模式与该配置进行对比,表明后者使机器人周围磁场线更加线性,并围绕得更加集中。随后,对四种配置分别进行了仿真模拟与实验测试对比,验证了组合式磁体配置模式对流体环境中的机器人具有更优秀的控制能力,显著增强了流体腔内微型机器人的工作稳定性。
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  水下液压机械臂主被动柔顺控制系统设计与验证

  潘志文, 郭昌鸿, 贾睿亨, 程敏, 张军辉, 徐兵

  液压与气动. 2024, 48(10): 65-74. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.10.008

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  水下液压机械臂是用于水下特种作业的重要装备。目前控制液压机械臂进行水下作业时主要基于视觉反馈来确定作业位置,由于摄像头畸变、水流干扰等存在多种作业误差,容易在抓取、定位等作业时产生卡滞、楔紧等问题,严重影响作业效率和安全性。对此,提出了一种面向水下液压机械臂的主被动柔顺控制方法。通过末端夹具设计,补偿定位误差和偏转误差,实现被动柔顺;基于虚拟解耦控制方法建立精确位置控制器,结合接触力观测器和变阻抗控制,实现主动柔顺。实验验证了主被动柔顺控制的有效性,为水下液压机械臂的安全柔顺控制作业提供了参考。
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  鲸鱼优化算法优化卷积神经网络与双向长短期记忆网络的飞机液压系统优先阀故障诊断

  孙琦, 任杰锶, 王伟杰, 葛磊, 熊晓燕, 权龙

  液压与气动. 2024, 48(10): 107-116. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.10.013

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  优先阀作为飞机液压系统的一种重要控制元件,一般用于在液压系统供油压力较低时,优先保证主飞控系统的供油,其稳定性是飞行安全的重要保证。然而,飞机液压系统中仅存在压力传感器,传统诊断方法难以应用。为此,提出了一种用鲸鱼优化算法优化卷积神经网络与双向长短期记忆网络的故障诊断算法。以优先阀进出口压差信号为依据,利用卷积神经网络与双向长短期记忆网络融合算法提取故障特征,并通过鲸鱼优化算法优化超参数,避免所提算法陷入局部最优。通过AMESim与MATLAB多学科联合仿真,结果表明:该方法在复杂工况下的平均诊断准确率超95%;与现存方法相比,其在诊断精度和稳定性上有显著提升。
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  基于多松弛时间格子玻尔兹曼方法的矩形腔静压转台流动及沉淀物影响分析

  张红霞, 林晓川

  液压与气动. 2024, 48(10): 128-135. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.10.015

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  针对矩形油腔的静压转台,利用多松弛时间参数的格子玻尔兹曼方法对油液在油腔内的流动进行了分析,讨论了进油口位置、沉淀物位置及沉淀物大小对液压油的流动及流速分布的影响。结果表明:进油口位置偏离中心将引起较大的速度起伏波动,而由于杂质或氧化物形成的沉淀物,干扰了液压油的正常流动,当沉淀物出现在中心与边缘的中间位置时,对形成的主涡以及速度分布具有显著影响。沉淀物的大小阻碍了液压油的正常流动,当增至一定程度时,左侧的流动被严重削弱,油液的流动主要集中在沉淀物右侧,且沉淀物的出现间接引起了油腔内部的尺寸突变,进一步引起了速度的波动。上述3个参数虽然还影响了承载能力的变化趋势,但是压力分布的差值较小。
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  数字液压阀控系统中压力脉动试验

  陈福龙, 杜恒, 李雨铮, 周时钊, 李福气, 马玉山

  液压与气动. 2024, 48(10): 136-142. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.10.016

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  压力脉动主动抑制是提升数字液压阀控系统控制精度和可靠性的关键技术。然而,目前主动抑制方法在对压力脉动进行抑制时缺乏对其特性的深入理解,导致抑制效果不理想。因此,设计了压力脉动测试试验台,分析了系统中不同位置压力脉动的变化情况,探索了液压泵、高速开关阀对不同位置压力脉动的影响。结果表明:数字液压阀控系统中压力脉动的主要来自于高速开关阀持续开/关引起的水击现象,并且压力脉动的频率始终与阀的开/关频率保持一致。为设计前馈的压力脉动主动抑制系统提供了新思路,同时也为研发更高效的压力脉动衰减器提供了参考。
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  船舶舵机电液负载模拟液压系统建模与分析

  魏永海, 门晓强

  液压与气动. 2024, 48(10): 180-188. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.10.021

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  针对多余力影响电液负载模拟装置精度和动态特性的问题,搭建电液负载模拟液压系统,并基于电液伺服阀和液压缸的数学模型,构建电液负载模拟装置的阀控液压缸位置伺服系统及力伺服系统的数学模型。采用AMESim软件对电液负载模拟液压系统加载缸的位移及加载力进行建模分析,分析结果表明力超调量过大,由此,提出采用加装先导式比例减压阀来减小外部负载冲击引起的多余力。通过仿真和试验表明,加装先导式比例减压阀可抑制系统压力冲击,有效降低系统多余力。可为电液负载模拟装置多余力的抑制提供理论指导。