2024年, 第48卷, 第2期　刊出日期：2024-02-15

  

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理论研究
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  考虑气液耦合作用的柱塞泵三角槽空化特性分析

  刘伟, 夏士奇, 孙成杰, 杨斌, 王成瑜

  液压与气动. 2024, 48(2): 1-9. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.02.001

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  针对柱塞泵在运转过程中容易产生空化现象,建立了液压油黏度计算方程。方程在考虑黏温特性的前提下进一步增加了气液耦合作用的影响。根据柱塞泵结构特点,建立了柱塞泵内部流体域仿真模型,并通过压力特性试验验证了模型结果的准确性。最后探究了三角槽宽度角和深度角结构参数对柱塞泵空化特性的影响。结果表明,仿真与试验在出口压力均值上的对比误差小于4%,仿真模型可以较好地模拟柱塞泵工作实况;考虑气液耦合作用的黏度模型在配流盘内、外死点处均存在黏度下降;三角槽宽度角和深度角的增加均导致气体体积分数下降,有利于抑制空化现象,且内死点空化现象较外死点更加严重。   
工程技术
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  液力变矩器叶轮重力铸造和低压铸造工艺对比与验证

  沙宇, 闫清东, 刘城, 魏巍

  液压与气动. 2024, 48(2): 10-17. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.02.002

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  以某型铸造型液力变矩器为研究对象,对比其重力铸造和低压铸造两种常用铸造方式的成型质量。应用铸造工艺仿真软件ProCAST进行了充液和凝固过程的仿真及铸造缺陷的评估及对比分析。在此基础上,将预测的缺陷与实际浇铸产品射线无损探伤结果进行对比验证。结果表明,相比于重力铸造,低压铸造可以通过调整压力实现对液流充型过程的控制,使得充型平稳、顺序凝固、补缩动力增强,提高液力变矩器的力学性能。实际浇铸及探伤结果表明,铸造仿真可以较好地预测缺陷种类及分布,为铸造工艺改进提供有效指导。   
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  感光干膜微结构模具制备关键技术

  刘旭玲, 刘威, 左文思, 叶国勇, 金少搏, 李松晶

  液压与气动. 2024, 48(2): 18-24. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.02.003

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  基于负性感光干膜的微结构模具制备关键技术,针对压膜、紫外曝光和显影等主要工艺环节,给出光源光谱特性、紫外光源功率、曝光时间、显影时间、显影液浓度等关键试验参数的选择优化和试验现象原因分析,并对极限试验条件下干膜性状进行研究,为干膜存储、裁剪、晾放时间提供技术支持。利用该工艺制备的干膜微结构模具,可封装不同结构和功能的聚二甲基硅氧烷(PDMS)微流控芯片。试验结果表明,与传统光刻微流控模具制备方法相比,负性感光干膜的微流控模具制备方法具有省时、工艺简单、无需超洁室和价格昂贵的曝光设备等优点,且制备的干膜微流控模具表面平整度高、成功率高,应用效果良好。   
理论研究
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  基于分形理论的静压支承滑靴系统摩擦自适应特性分析

  刘思远, 郁春嵩, 康伟

  液压与气动. 2024, 48(2): 25-31. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.02.004

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  静压支承滑靴副比一般的滑动摩擦副具有更好的摩擦自适应特性,对滑靴的早期磨损有一定的修复效果,但其摩擦自适应机理目前尚不明确。为此,基于分形理论,采用分形维数、尺度系数等分形参数描述滑靴表面形貌,对摩擦自适应过程进行理论分析,开展磨损试验并以分时段更换试件的试验方法观察分形参数的变化情况,得到分形参数对摩擦学特性的影响规律,揭示滑靴摩擦自适应机理。结果表明,滑靴副在发生早期磨损后,分形维数呈增大-减小-再增大-再减小的变化过程,尺度系数和摩擦系数呈减小-增大-再减小-再增大的变化过程,滑靴在早期磨损阶段呈现出显著的摩擦自适应特性,其表面性能表现出劣化-修复-再劣化-再修复的变化特征。
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  基于四配流轴向柱塞马达的制动能回收方法

  卫立新, 张瑞, 周围, 宁志强, 化建辉, 高有山

  液压与气动. 2024, 48(2): 32-40. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.02.005

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  针对大惯性回转机构在制动时,动能都以热能的方式损失的问题,提出一种四配流轴向柱塞马达和蓄能器结合的制动能回收方法。不同体积、初始压力的蓄能器对惯性负载的回转制动能的回收和再利用的效果不同,为寻求较合理的蓄能器参数以达到较高的能量回收效果,手动调整仿真参数较为繁琐,提出采用基于多核CPU的快速并行优化方法用于蓄能器参数优化。首先,大惯性负载的驱动机构采用四配流轴向柱塞马达,其能量系统回收模型在Simulation X搭建,进而导出成具有CVODE求解加速的可执行程序,脱离仿真软件平台,在Windows操作系统独立运行;然后,利用导出的可执行程序与VC++进行二次开发,以微粒群算法解决特定工况下蓄能器选型的问题,充分利用多核CPU实现并行优化以提高仿真速度。仿真结果表明,在特定负载下得到优化后的蓄能器的参数,蓄能器回收并释放的能量占惯性动能的24.5%,回收油液全部得到释放。采用基于多核CPU的并行优化方法,仿真效率提高了10倍以上,该方法对系列化液压产品的快速开发具有一定的借鉴价值。
综合应用
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  复合储能式装载机能量控制优化与仿真

  白宇, 林慕义, 陈勇, 刘振博

  液压与气动. 2024, 48(2): 41-51. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.02.006

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  针对工程车辆在机群作业下的能量管理问题,以复合储能式装载机为研究对象,利用Recurdyn-Edem联合仿真建立连续作业环境获取工况数据;分别以V型工况及集群作业下装载机单次循环工况油耗最少为目标,设计了基于等效油耗最小策略与规则相结合的控制策略,为了能够进一步提高全局工况的燃油经济性,使用遗传算法对等效油耗最小关键参数进行寻优,最后带入整车模型进行仿真验证。结果表明,V型工况与集群作业工况下,该控制策略相较于自适应神经模糊控制,燃油经济性分别提升了3.23%和4.26%;通过dSPACE 进行硬件在环试验,试验与仿真结果基本一致,进而验证了优化结果的有效性。   
工程技术
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  超磁致伸缩驱动高压共轨式喷油器的结构设计及喷油特性分析

  喻曹丰, 魏梓贤, 段永勇, 朱建华, 陶雪枫, 聂仪楠

  液压与气动. 2024, 48(2): 52-59. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.02.007

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  针对现有喷油器存在的喷油速率低、喷油脉宽大、响应速率慢的问题,提出了一种超磁致伸缩驱动高压共轨式喷油器的设计方案。简述了该高压共轨式喷油器的整体设计及工作原理,并且在Jiles-Atherton磁滞模型和液压传动理论基础上建立数学模型;采用COMSOL建立了驱动部分仿真模型,并进行输出位移和应力特性分析,采用AMESim建立了喷油器整体模型,并进行喷油速率分析;搭建试验平台,验证了超磁致伸缩驱动高压共轨式喷油器设计方案的有效性。结果显示:当线圈电流为3.6 A时,超磁致伸缩棒的最大输出位移可达52 μm;在160 MPa的压力下喷油最低脉宽从1 ms降低到0.15 ms,并且无论脉宽长短,其脉宽-喷油量均具有良好的线性度。结果表明,提出的设计方案可行,为研制出一种高性能的高压共轨式喷油器奠定了理论和技术基础。
理论研究
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  高速开关阀先导驱动高水基大流量比例调速阀的设计与仿真

  李永安, 朱明亮, 王宏伟, 付翔

  液压与气动. 2024, 48(2): 60-67. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.02.008

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  在智能综采工作面生产工程中,液压支架在移架和推溜的过程中经常会遭遇不稳定负载,传统开关式的电液控制元件无法对推溜油缸进行速度调控,导致推溜油缸位置控制困难,影响了刮板机的调直度,从而制约了智能综采装备的应用效率。针对这一问题,考虑到煤矿乳化液介质低黏度、润滑性差等特征,设计了一种高速开关阀作为先导阀的高水基高压大流量比例调速阀,建立了阀的数学模型,根据调速阀的内部结构及工作原理建立其AMESim仿真模型,对影响节流阀阀芯位置闭环控制特性、调速阀压差-流量特性进行仿真分析。仿真表明,A型先导液桥对主阀芯的响应具有更好的性能,主阀下控制腔容积、复位弹簧刚度对阀芯的响应速度、稳定性有一定影响。总体而言,调速阀具有较好的流量调节刚度,功能和性能达到了预期设计要求。
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  某型飞机投水作动系统建模与同步性仿真分析

  韩博, 王兆强, 谢超, 卢灿, 陈家旺, 王小强

  液压与气动. 2024, 48(2): 68-77. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.02.009

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  提高某型飞机投水舱门的同步性是保证灭火任务顺利完成的关键。为了开展多参数对收放作动筒同步性影响的研究工作,首先,基于投水灭火流程和投水作动系统液压原理,通过AMESim的液压元件库、逻辑库和状态机,建立了投水作动系统仿真模型。其次,通过连续投水工况仿真模拟,进行投水作动系统方案的功能性能分析,从而验证了仿真模型符合某型投水飞机工况性能要求。最后,通过批处理模式探究各敏感参数对多投水舱门收放作动筒的同步性影响。仿真表明:投水作动系统仿真模型可以实现多系统、多模式等不同任务和功能的仿真分析,电磁阀流量、负载、舱门作动筒活塞杆直径和管路直径对多缸同步性有着明显影响。
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  模式切换结合模糊PWM的气动容腔压力控制方法

  孙国鑫, 李帅鹏, 虞启辉, 张家宝

  液压与气动. 2024, 48(2): 78-84. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.02.010

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  容腔压力是管路系统的主要控制对象,用高速开关阀代替普遍使用的比例阀进行压力调控,可大幅降低系统成本。针对单腔双阀压力跟踪系统,提出了一种模式切换结合模糊PWM的气动容腔压力控制方法。该方法的目的是减小超调,降低调节时间,提高压力跟踪性能。首先由模糊控制器根据偏差给出占空比指令,然后通过引入PWM将开关量转换为连续量调节,进而通过快速切换开关阀的工作模式实现容腔内压力的精细化调节。仿真结果表明:阶跃响应的超调量小于0.6%,峰值时间0.15 s,调节时间0.16 s,同时能够很好的跟踪上0.5 Hz的谐波信号,与当前控制策略相比,超调量和调节时间均有明显的降低。
综合应用
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  多泵切换对数字液压传动风力机工作特性影响的分析

  刘增光, 张本国, 岳大灵, 李林飞, 苏利强, 任禄

  液压与气动. 2024, 48(2): 85-92. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.02.011

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  多泵数字液压传动风力机可根据风速大小使相应排量液压泵参与工作,使液压风力机在整个工作风速范围内始终保持高效。但不同排量液压泵参与工作的切换会造成风力机液压传动系统流量发生突变并产生压力冲击,影响风力机工作特性和风轮对风能的吸收。在分析多泵数字液压传动风力机工作原理的基础上,对5 MW级多泵数字液压传动风力机的方案进行设计和AMESim仿真建模;进行恒定风速和变风速条件下液压泵工作切换的仿真研究,得到多泵切换时液压风力机的风能利用系数、液压系统流量、压力等工作特性的变化规律;搭建了5 kW风能能量多泵数字液压传递半实物仿真实验平台对仿真结果进行实验验证;研究结果为多泵数字液压传动风力机风能高效利用和稳定运行提供理论依据和技术参考。
工程技术
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  基于无量纲化思想的柔性恒压储气装置优化设计

  边鑫, 度红望, 熊伟

  液压与气动. 2024, 48(2): 93-98. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.02.012

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  针对柔性恒压储气装置储能特性与材料变形、结构尺度之间的复杂相关性,提出一种无量纲化的结构改进设计方法,以描述储气装置的压力及能量变化规律。从橡胶的本构模型着手,利用有限元仿真思想研究应变能转换机制,分析结构参数与储能特性之间的关系。搭建储气装置充放气试验台,针对不同结构参数及压力工况,进行储气装置的能量变化规律验证。采用仿真及实验相结合的方式,研究尺度变化对能量特性的影响规律。为优化储气装置结构以及应用方面的研究奠定了理论基础。
理论研究
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  考虑油液流变时变特性和深度特征尺寸的静压转台流动分析

  金玉峰, 段鸾芳, 吴伟伟

  液压与气动. 2024, 48(2): 99-107. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.02.013

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  转台用液压油的非牛顿特性及随时间推移流变特性的变化,将影响油液在转台内的流动以及承载能力。以双环形静压转台为研究对象,针对油液的流变时变特性,提出了一种虚外力项LBM方法,并利用泊肃叶流的理论解进行了验证,通过仿真分析发现,双环形转台侧边入油口可有效增加中心凹槽的压力,改善承载能力。油液流变时变特性和转台深度特征尺寸是两个重要因素。相对于速度分布,封油边深度及油腔深度对承载能力的影响更加显著。随时间推移,油液黏度增大,使油液的流动减缓,速度减小,承载能力变弱,因此建议定期更换液压油,以保证转台的正常工作。   
综合应用
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  乘用车电控空气悬架高度控制策略

  刘锦超, 李军伟, 陈斌, 赵雷雷, 李凯

  液压与气动. 2024, 48(2): 108-115. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.02.014

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  为了提高乘用车电控空气悬架在车身高度调节过程的控制精度,设计了基于粒子群的PID控制器。首先通过对空气悬架系统工作机理的分析,利用AMESim建立单轮空气悬架数学模型,针对车高调节过程中出现的“过充过放”问题,设计了基于粒子群的PID控制器,然后在AMESim-Simulink-Carsim联合仿真平台中建立了整车空气悬架模型对其控制效果进行验证。最后进行了实车测试。结果表明,所设计的基于粒子群的PID控制器在不同工况下的车身高度稳态误差均小于2 mm,且没有出现明显的高度反复调节或者控制超调现象。
理论研究
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  蒸发循环泵泵轴性能的仿真分析

  马荣柯, 刘小振, 李伯巍, 傅波, 李宇

  液压与气动. 2024, 48(2): 116-123. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.02.015

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  为了探究极限工况下泵轴受力变形对轴流泵性能的影响,采用ANSYS软件中流固耦合技术与CFD模块相结合的方法,模拟ZWX-1600型蒸发循环泵在不同工况下工作时,泵轴的受力情况,并将泵轴转速以及受到的扭矩、径向力、轴向力等拟合成关系曲线,基于以上数据使用nCode软件进行寿命预测,最终形成高可靠设计方案,为轴流泵的设计和制造提供参考。
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  压缩空气储能发电频率特性分析

  陆岳珂, 许未晴

  液压与气动. 2024, 48(2): 124-130. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.02.016

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  当前阶段,我国主要的电力来源是煤、石油和天然气这三种广泛使用的传统能源。未来,我国火电发电的量将在很长一段时间内保持下降的趋势,将会难以满足调峰以及调频的需求,因此,储能是解决电力供需平衡的有效手段。压缩空气储能是一种容量较大的储能技术,在压缩空气储能技术的背景下,研究了一种将液体作为驱动介质,利用高压压缩空气进行发电的方法。在系统中建立了压缩空气的热力学模型、液压马达的数学模型以及同步发电机的数学模型,并将这些模型在Simulink中进行仿真搭建,分析了储气罐压力和马达排量对于系统中马达转速的影响,并对这些参数进行设计选取,针对马达转速波动过大无法并网发电的问题,采取传统PID的方法来减小马达的转速波动,稳定系统的输出,保证发电机的平稳运行。
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  非对称轴向柱塞泵配流副压力脉动特性分析

  刘辞英, 王文山

  液压与气动. 2024, 48(2): 131-136. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.02.017

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  为了节省功率电传系统的安装空间和重量,需要用泵直接闭环控制差动缸运动,将泵的吸油配流窗口改为2个窗口,以匹配差动缸的面积比。该结构变化导致其压力脉动增大,产生大的振动噪声,为了减小其影响,提出了一种阻尼槽-缓冲容腔-导油槽非对称配流盘结构,针对该结构开展了非对称配流流量特性的内部流场仿真分析,并通过了压力脉动特性试验验证。结果表明了非对称轴向柱塞泵的配流结构设计与仿真的合理性,实现了液压泵的新功能。
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  基于错位叠加法的同步液压马达冲击故障成分的降噪提取

  鲁晓, 郭鹏伟, 宁大勇, 侯交义

  液压与气动. 2024, 48(2): 137-143. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.02.018

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  同步液压马达经常工作于高负载条件下,对其进行在线故障监测可有效避免严重安全事故和经济损失。为提高故障监测的准确性,提出了一种基于改进的错位叠加法的同步液压马达故障成分自适应降噪以及提取方法,并以同步液压马达的齿轮磨损状态的声信号为对象进行了研究。实验表明,该方法对同步液压马达齿轮磨损状态的冲击故障成分具有良好的降噪和提取效果。
工程技术
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  二维活塞/缸体副微间隙高剪切流场中空泡“消失”现象的实验分析

  李星星, 王敬成, 章立超, 丁川

  液压与气动. 2024, 48(2): 144-152. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.02.019

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  在研究二维活塞与缸体配合微间隙中纯剪切空化的过程中,发现该空化现象在外界条件一定的情况下不仅会随着时间发展壮大,也会随着时间的延长萎缩消失。为探究该空化消失现象的可能成因,利用自制的外筒旋转同心圆筒装置在纯剪切流场中构建充分发展的空化气泡分布场,并分别就不同温度、流场压强、油液上方空气占比以及定子外表面结构等因素进行可视化实验研究。实验结果表明:所涉的空化空泡消失现象不同于空化溃灭现象,其开始消失的时间与油液温升和流体压强都具有正相关性,且后者作用更为显著。空泡消失的时间与流场初始压强呈指数下降的关系,压强越高流场的剪切空化现象消失时间越短且温升值越小。
理论研究
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  工况参数对混输转子泵排出性能影响

  王俊杰, 李琴, 刘伯韬, 陈科, 王美玲, 熊蕾

  液压与气动. 2024, 48(2): 153-164. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.02.020

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  混输转子泵是气液固三相混输工艺的关键设备,输送介质成分复杂,内部流动机理尚不明确。因此,基于动网格技术和Mixture多相流模型对混输转子泵内部进行数值模拟,分析了混输转子泵在不同工况参数下的性能变化规律。结果表明:气相与固相占比对混输泵性能影响不明显;转速对混输转子泵性能影响明显,转速增加,容积效率显著上升,流量脉动略微降低;随着压差的增加,出口流量降低,容积效率显著下降,流量脉动大幅上升;而在3个工况参数交互作用下,混输转子泵的性能波动明显,混输转子泵在低含气、高含砂、低转速、高压差工况时表现较差。研究结果对混输转子泵的深入研究和广泛应用提供了有价值的参考。
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  基于CSP算法的BWB飞机飞控作动系统架构设计

  杨建忠, 杨洪利, 孙晓哲

  液压与气动. 2024, 48(2): 165-173. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.02.021

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  针对翼身融合(Blended Wing Body,BWB)飞机舵面数量多且每个舵面承担两轴或三轴多种功能,可选的动力源和作动器类型多样,导致飞控作动系统架构设计困难的问题,研究分析了BWB飞机飞控作动系统架构安全性设计原则和技术约束,采用约束满足问题(Constraint Satisfaction Problem,CSP)算法为BWB飞机进行飞控作动系统架构设计,对飞控作动系统架构进行变量V、值域D以及约束C建模分析,设计回溯算法对飞控作动系统架构进行筛选,在10⁴⁹种候选飞控作动系统架构中,用时不到7 min,为飞机筛选出符合安全性设计原则和技术约束的飞控作动系统架构,比其他文献中的初步筛选算法用时更短,且缩短了设计周期。
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  直线往复密封性能影响因素分析

  张新标, 王志民

  液压与气动. 2024, 48(2): 174-183. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.02.022

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  以手动泵密封结构为研究对象,旨在获得直线往复运动过程中的密封性能。基于ANSYS Workbench仿真平台,以接触压力和剪应力为密封失效判定依据,研究预密封过程中剪应力分布规律,分析工作过程中压缩率、流体压力、配合间隙、摩擦系数、材料硬度对密封性能影响,讨论磨损和热变形对失效形式的激励作用。结果表明:预密封过程中,密封圈在高压缩率时从内部出现断裂失效的概率较大;工作状态下,密封圈接触压力呈非对称分布,在高流体压力、大配合间隙、高摩擦系数及低材料硬度时导致间隙挤出,密封圈从挤出部分表面断裂失效;磨损增大泄漏失效风险,热变形增大剪切失效风险,高温增大油膜泄漏量。
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  基于CFD的机械随动调节高度控制阀数值仿真

  周耀兵, 严伊豪, 高隆隆, 李宝仁

  液压与气动. 2024, 48(2): 184-188. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.02.023

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  机械随动调节高度控制阀是列车悬挂控制装置的核心部件,其性能的好坏直接影响系统能否稳定工作。在设计过程中,采用CFD对其进行仿真计算,通过对其流场特性的分析,可以验证其流量特性是否满足系统需求。针对机械随动调节高度控制阀内部气体流动特性,建立了机械随动调节高度控制阀流场仿真模型,利用Fluent分析了机械随动调节高度控制阀阀口在不同开度下的流场特性,研究结果为机械随动调节高度控制阀流量性能指标试验提供理论支撑。