2024年, 第48卷, 第3期　刊出日期：2024-03-15

  

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理论研究
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  利用齿槽转矩的爪极式磁悬浮力矩马达

  黄家辉, 阮健

  液压与气动. 2024, 48(3): 1-8. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.03.001

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  针对现有的2D阀用动铁式力矩马达中位调节困难的问题,设计了一种利用定转子之间齿槽转矩进行中位调节的爪极式磁悬浮力矩马达。首先通过建立电磁特性仿真模型分析比较了矩形爪极和梯形爪极的电磁转矩和齿槽转矩,从而确定了爪极式磁悬浮力矩马达的拓扑结构。随后基于等效磁路法推导出了该力矩马达电磁转矩的定性公式,并设计了一个正交试验以确定设计参数对电磁转矩的敏感性。依据仿真优化后的结构参数加工了实验样机,搭建了实验测试台对该力矩马达的齿槽转矩和电磁转矩的矩角特性进行测试。结果表明:该力矩马达的电磁转矩随转角减小,具有正磁弹簧刚度,并且能够有效的利用齿槽转矩进行中位调节。
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  地层动态测试器流量死区补偿方法

  郑哲, 王晓冬, 方璐, 龚国芳, 杨华勇, 韩冬

  液压与气动. 2024, 48(3): 9-14. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.03.002

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  地层动态测试器在石油资源勘探领域中承担重要角色,其核心功能为通过预测试室测量地层渗透率。随着勘探任务逐渐走向超深井化,受井下高温影响,地层动态测试器预测试室模块的电液系统存在明显流量死区现象。因此,通过数值仿真定量分析其性能缺陷具有重要意义。首先介绍地层动态测试器预测试室模块的电液系统组成及特性;其次建立Simulink-AMESim联合仿真模型,结合数学模型对流量死区进行分析;接着结合实际工况确定动态性能补偿方案,并进行仿真验证。结果表明,提出的方案可以有效减轻高温导致的性能缺陷,有利于提升地层动态测试器作业的稳定性。
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  气压弹道式冲击波治疗手柄的控制设计

  浦泽洋, 熊根良, 尹鹏, 张晓庆, 禹超

  液压与气动. 2024, 48(3): 15-22. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.03.003

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  针对气压弹道式冲击波治疗仪手柄控制精度低、使用寿命短、可靠性差等问题,提出一种基于PWM信号控制策略。结合STM32F103主控制器、H桥式驱动电路、比例电磁阀等硬件组成的气动手柄控制装置的设计方案,建立比例电磁阀动态特性理论模型,通过仿真测试分析方案可行性。该装置响应更快,可减少线圈发热,降低电磁阀功耗,延长使用寿命。应用于气压弹道式冲击波治疗仪上,提高了手柄工作的稳定性,从而提升治疗效果。
综合应用
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  20 m海底钻机液压系统压力补偿器性能分析

  刘广治

  液压与气动. 2024, 48(3): 23-30. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.03.004

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  压力补偿器是深水液压系统的重要部件,对使用液压驱动的深海装备,压力补偿器可消除海水压力对液压系统的影响。当深海装备使用非对称液压缸作为执行元件时,非对称液压缸两个油腔的流量差会引起压力补偿器补偿压力的波动,波动幅值过大会导致补偿器损坏。以20 m海底钻机液压系统滚动膜片式压力补偿器为研究对象,介绍了滚动膜片式压力补偿器组成及原理,提出了20 m海底钻机工作时液压系统最大补偿流量的计算方法,利用AMESim分析了最大补偿流量引起补偿器补偿压力波动的规律,最后通过高压密封舱模拟了外部压力变化下压力补偿器对密闭腔体静态补偿特性。结果表明:压力补偿器的性能满足20 m海底钻机液压系统的使用要求。
理论研究
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  管道机器人取能模块建模与几何参数仿真分析

  苗翰文, 张增猛, 孙昊, 侯交义, 弓永军

  液压与气动. 2024, 48(3): 31-35. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.03.005

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  管道机器人在工作过程中,受到线缆长度或蓄电池容量的影响,工作时间会受到限制。为了使机器人在管道内能够持续地工作,设计了一款能在管道内部将流体动能转化为电能的取能模块。叶轮在取能模块中起到将流体动能转化为机械能的作用,是整个模块的核心部分。针对不同参数的叶轮进行建模,并对叶轮进行CFD仿真分析。进而能分析叶轮在管道内部的受力情况以及叶轮形状等参数对于管道内部流场的影响。根据受力情况可校核叶轮的强度,并根据管道内部流场的变化进行叶轮的选型。
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  燃油介质作动器往复密封摩擦热效应及磨损特性分析

  李晶, 王介豪, 古驹, 徐扬

  液压与气动. 2024, 48(3): 36-42. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.03.006

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  发动机矢量推力作动器采用燃油作为传动介质,燃油的低黏度将使作动器密封接触面处于不良润滑条件,密封件摩擦磨损问题突出。针对燃油介质作动器不同压力、作动速度及油液温度的工作环境,建立往复密封热弹流混合润滑数值仿真模型,分析往复密封接触面摩擦热效应对油膜行为的影响,确定热分析边界条件,计算密封系统的瞬态温度分布。根据热分析结果,对油液黏度及密封区域内的油膜厚度进行修正,考虑密封件润滑条件探究摩擦热效应对密封性能与磨损特性的作用机理,分析不同工况条件对油膜厚度、摩擦力和磨损深度分布的影响,为设计高性能航空密封件奠定理论基础。
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  单轨吊起吊马达同步控制联合仿真分析

  沈宗果, 张锐丽, 吴凯

  液压与气动. 2024, 48(3): 43-50. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.03.007

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  为了提高单轨吊起吊液压系统面对偏载启动、负载突变和系统调速时的自适应性,更好地满足单轨吊智能化远程控制需求,提出一种基于BP-PID控制的单轨吊液压起吊同步控制系统。首先,分析液压系统原理,并分析转速控制原理和同步控制策略;其次,分析BP神经网络原理并设计BP-PID控制器;最后运用AMESim和MATLAB/Simulink建立液压系统模型和同步控制器模型,并与PID控制进行比较分析系统偏载启动特性、抗负载突变特性和系统调速特性。仿真结果表明:偏载启动时,系统采用BP-PID控制能够有效降低起吊马达超调量和最大同步误差,减少系统响应时间;负载突变时,系统采用BP-PID控制能够有效降低系统最大同步误差,减少系统响应时间,使系统具有更好的鲁棒性;调速时,系统采用BP-PID控制,无论目标转速增加还是减少,都能有效降低起吊马达超调量,减少系统响应时间。
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  新型返排管汇关键结构液固两相流冲蚀特性分析

  李申, 刘洋, 姚方旭, 韩紫辉, 吕永伟

  液压与气动. 2024, 48(3): 51-59. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.03.008

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  为研究新型返排管汇关键结构液固两相流冲蚀规律,利用计算流体力学欧拉-拉格朗日方法,对返排管汇进行液固两相流数值模拟。结果表明,当节流阀开度低于30%时,冲蚀区域主要在楔形阀阀芯的导流面上部,且导流面轴心处冲蚀最大;节流阀开度高于30%时,冲蚀区域主要在固定阀入口管道处;楔形阀开度低于40%时,流体速度、质量流量和颗粒大小对冲蚀率影响较大,开度大于40%时,冲蚀率变化较小;颗粒撞击是楔形阀阀芯冲蚀主要原因,壁面速度分布不均导致楔形阀单侧刺漏;返排管汇系统安装防刺短节,并采用合适的阀门开度,能有效减小返排管汇的冲蚀。
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  水平轴风力机气动转矩模型优化研究

  张琳, 刘旭东, 常佳飞, 艾超, 陈立娟, 陈文婷

  液压与气动. 2024, 48(3): 60-69. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.03.009

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  为得到风电机组并网发电控制精准的控制指令,基于控制需求探究风力机的输出特性规律,并对其气动转矩进行精准建模。将实测数据与ANSYS仿真相结合,对AH-30 kW变桨距风力发电机叶片形变受典型材质影响和输出特性规律进行研究。结果表明:中小型风力机因叶片材质不同而产生的弹性形变为细微形变,对风力机转矩模型和机组控制影响可忽略。风力机输出转矩受风影响存在较大波动和抖颤,需全面考虑多源扰动对机组控制性能的影响。利用实测数据与Fluent仿真相结合手段,修正后的风力机气动转矩数学模型与Fluent仿真输出误差为5.6%,能够较好反映真实风力机输出特性,为风电机组的并网发电控制奠定了一定理论基础。
综合应用
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  SPA-HRDE在机械设备声信号故障诊断中的应用

  刘儒林, 汪进, 谢忠志

  液压与气动. 2024, 48(3): 70-81. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.03.010

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  针对现有故障诊断方法存在接触式采集、精度低等问题,提出了一种结合平滑先验分析和层次反向散布熵的机械设备故障诊断方法。首先,通过SPA将声音信号分解为趋势项和去趋势项。随后,利用HRDE提取趋势项和去趋势项信号的层次熵值,构建故障特征样本;最后,利用蜜獾算法对支持向量机的关键参数进行搜索,建立参数最优的故障识别模型,将故障特征输入到HBA-SVM分类器中进行故障识别,并基于离心泵和滚动轴承两种机械设备的实验评估证实了所提方法的有效性。试验结果表明:该方法分别取得了100%和97%的故障识别精度。相较于其他故障诊断方法,该方法能够充分提取声信号中的故障信息,实现更高精度的故障诊断,具有很强的鲁棒性。
理论研究
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  正负脉冲电压驱动的电磁螺纹插装阀动态特性分析

  刘增光, 李林飞, 岳大灵, 左秀坤, 刘超

  液压与气动. 2024, 48(3): 82-90. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.03.011

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  提出了一种基于PWM技术的正负脉冲电压控制策略,用于提高锥阀式电磁螺纹插装阀启闭动态响应速度,使其满足数字液压技术的要求。在分析电磁螺纹插装阀结构和工作原理基础上,建立了电磁螺纹插装阀的数学模型,并在AMESim软件中搭建电磁螺纹插装阀及其测试系统的多物理场耦合建模,研究不同正负脉冲电压持续时间条件下电磁螺纹插装阀线圈电流、阀芯位移、电磁力的变化规律,确定了电磁螺纹插装阀响应速度最快时正负脉冲电压控制策略的最优控制参数。利用半实物仿真系统搭建SCV硬件在环测试实验台,对所提正负脉冲控制策略进行验证。实验表明,与常规电压控制策略相比,当正负脉冲电压控制策略中正负脉冲电压持续时间都为10 ms时,电磁螺纹插装阀的开启时间由30 ms缩短到13.5 ms,其关闭时间由139 ms缩短到14 ms。研究结果为电磁螺纹插装阀的高响应化和数字液压技术的发展提供参考。
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  大功率磁悬浮泵宽流道叶轮的水力性能分析

  白晓蓉, 胡亮, 阮晓东, 苏芮, 傅新

  液压与气动. 2024, 48(3): 91-98. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.03.012

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  磁悬浮泵将磁悬浮电机与泵体结构一体化,利用磁场驱动叶轮旋转,并对其余5个自由度进行主/被动悬浮约束,从而实现完全无轴承的介质泵送,被广泛用于半导体制造等领域的电子化学品超洁净输送。目前,大功率磁悬浮泵产品存在泵送效率低的问题,同时随着功率的增加,磁悬浮泵的液压轴向力平衡问题越发突出。为此,设计了一种大功率磁悬浮泵的宽流道叶轮,并对其进行水力效率、液压轴向力及液压径向力分析。通过仿真研究,首先阐述了窄流道效应对大功率磁悬浮泵水力效率的影响,并对宽流道叶轮及窄流道叶轮进行水力效率对比分析;其次对宽流道叶轮的液压轴向力及径向力进行计算分析,表明宽流道设计对叶轮液压轴向力及径向力的影响,为大功率磁悬浮泵高效水力设计开发提供关键技术支撑。
工程技术
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  闭式泵控采煤机调高系统的高精度控制

  高文才, 闫政

  液压与气动. 2024, 48(3): 99-106. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.03.013

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  闭式泵控采煤机调高系统取消了传统的控制阀组,系统的能量损失小。但泵控系统由于回路的泄漏、泵的死区等影响,导致其非线性严重、控制精度低下,进而降低了采煤机调高系统的运行品质。针对这一问题,设计了一种变论域模糊自适应PID来对滚筒进行闭环位置控制。结果表明,与传统的PID控制相比,所提出的控制方法可显著提高滚筒的定位能力,稳态时误差可减小65%以上;同时,在随机性负载力的作用下,滚筒的抗扰动能力更强。
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  小型航空发动机液压装配车架设计及仿真

  付玄, 石一宏, 衣昕, 傅波, 李鸿宇

  液压与气动. 2024, 48(3): 107-114. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.03.014

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  针对目前小型航空发动机装配车架结构形式单一、空间运转自由度不足等问题,设计了一种新型小型航空发动机装配车架,增加了主支点翻转支撑机构和液压系统升降机构,并引入了负载敏感系统对液压回路进行控制,从而保证了发动机上所有零部件的装、拆、检测等操作均位于最佳工作平面上。仿真表明,新型小型航空发动机装配车架具有机体安装可靠、操作简单和换向平稳等优点,最大限度降低了操作人员的劳动强度,提高了生产效率,保证了发动机的装配质量。
理论研究
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  阀芯间隙固液两相流动特性及卡滞机理

  林振浩, 聂家熙, 华霆锋, 金志江, 钱锦远

  液压与气动. 2024, 48(3): 115-120. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.03.015

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  外部污染颗粒或阀内元件自身腐蚀的磨损颗粒混入流体中,随着流体进入阀芯配合间隙从而导致阀芯所受阻力增大,容易出现阀芯卡滞现象。以典型的液压滑阀为例,基于欧拉-欧拉固液两相流模型,分析阀芯、阀体配合间隙内污染颗粒固液两相流动特性及阀芯卡滞规律。分析了阀内含污染颗粒的油液流动特性:在跨尺度流域中压力和速度产生剧烈变化;随着颗粒直径的增大,间隙内颗粒体积分数逐渐增大,存在集聚现象。分析了颗粒特征参数(颗粒浓度、颗粒直径)对间隙内颗粒分布及阀芯卡滞力的影响规律:均压槽内的颗粒体积分数最高,且随着颗粒直径的增大峰值也增大;随着颗粒直径的增加,阀芯卡滞力呈现先增大后减小的趋势;当颗粒直径为12 μm时,阀芯卡滞力最大,为敏感颗粒直径。
综合应用
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  气动蜂巢软体腿的设计与迟滞特性分析

  孟宏君, 郭钊睿

  液压与气动. 2024, 48(3): 121-131. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.03.016

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  目前的仿生机器人多以刚性材料为主,灵活度不高且与人交互不安全。针对这一问题,设计了一款气动软体机器人,采用蜂巢六边形腔室制作了软体机器人的腿部结构和相应气动网格驱动器,通过对其充气能够实现软体腿的伸长、弯曲等运动。对气动蜂巢软体腿的迟滞特性进行分析,首先建立了Prandtl-Ishlinskii(PI)模型,但由于其对称性造成了建模的不准确性;通过改进PI模型的包络函数,得到了可用于描述非对称性迟滞现象的MPI模型,并采用MPI模型对气动蜂巢软体腿的迟滞现象进行前馈补偿,经过补偿后,跟踪误差减小,有效的消除了大部分迟滞效应。
工程技术
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  钢管水压试验机增压异常分析及处理

  徐根涛, 黄杰, 李蒙

  液压与气动. 2024, 48(3): 132-140. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.03.017

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  介绍了某钢管水压试验机增压过程以及增压时的压力平衡系统组成、控制原理及使用验证。重点介绍了该水压机主要设备结构,在使用过程中出现的增压、压力平衡典型故障,包括增压插装单向阀磨损产生的故障、水压压力参数设定产生的故障、液压比例阀异常引起的故障、电气控制器接触不良产生的故障等。依据设备原理、监控程序及波形图对上述故障现象进行分析,找到了故障的根本原因,并有针对性地提出了优化改进措施,减少了故障时间,保障产线的顺行。
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  CAN总线型电磁阀控制器设计与运行特性分析

  李顺, 王洋, 臧其亮

  液压与气动. 2024, 48(3): 141-148. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.03.018

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  针对工程机械PLC对电磁阀控制时,控制点数难扩展和由于控制线束过长而导致的电磁阀控制线路安装复杂、控制信号衰减等问题,本研究设计一种基于STM32单片机的CAN总线型电磁阀控制器,介绍了控制器的电气硬件组成并采用LabVIEW软件设计了电磁阀控制器测控系统。该控制器具备数字量输出、电比例输出、电压型模拟量输出、CAN总线配置等功能,其能够实时采集电磁阀电流并采用PID控制算法有效提高了电比例输出的控制精度,经验证控制器电流控制精度误差在±1%以内,满足PLC对电磁阀控制的点数扩展,实现了工程机械PLC对安装距离过长的电磁阀的精确控制。
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  某运载火箭发射架快速后倒特性仿真分析

  张瑜, 张彦杰

  液压与气动. 2024, 48(3): 149-156. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.03.019

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  通过将实际发射架的质量特性及液压系统选型进行仿真分析,识别出火箭发射架快速后倒过程中的影响因素,结合火箭起飞时段的漂移和滚转特性,从结构设计、设备布置、油缸铰点布局、后倒拉力控制等方面着手,并结合后倒减速阶段对油缸压杆稳定性的影响等方面进行分析,提出了实现发射架在火箭零秒点火后快速后倒的实施方案,并将分析结果应用于实物的设计中,通过实际应用验证,有效的避开了火箭起飞漂移的干涉,提高了发射的可靠性。
理论研究
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  一种新型复合摆线转子泵设计

  蒋辰希, 邱文刚, 李世鹏

  液压与气动. 2024, 48(3): 157-164. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.03.020

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  为减少摆线转子泵运转过程中出现的齿面磨损,使之适用于更恶劣的工况,提出一种新型复合摆线转子泵的设计方案。该新型转子泵的内转子齿顶齿廓和齿侧齿廓由两段圆弧复合而成,外转子的齿顶齿廓和齿侧齿廓由两段摆线复合而成。齿侧齿廓起到驱动作用,齿顶齿廓仅有密封作用。通过对比新型复合摆线转子泵和普通摆线转子泵的齿面滑动率和压力角发现,新型复合摆线转子泵的齿面滑动率变化更平缓、齿面滑动率绝对值更小、压力角范围更合理,可有效减少齿面磨损。对新型复合摆线转子泵的齿廓进行修形处理,还可进一步减小齿面磨损和运动阻力。
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  SP08-20先导式螺纹插装比例方向阀静态特性仿真与试验

  莫雨桐, 张策, 陈泽浩, 金波

  液压与气动. 2024, 48(3): 165-173. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.03.021

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  SP08-20是一种用于方向控制的先导式螺纹插装比例方向阀,断电时,用作单向阀,通电时,用作节流阀,通过控制先导阀芯及主阀芯位置变化实现对阀的流量控制。此阀流道形状较为复杂,控制腔压力分布规律难以确定,且传统的液动力与流量经验公式本身准确性较差,导致在通过由经验公式构成的数学模型求解阀的静态特性时,模型计算结果与试验结果有较大的差异。故采用Fluent软件对SP08-20进行流场仿真得到其阀芯受力规律,利用曲线拟合的方式得到阀芯受力拟合式,据此求解静态数学模型,得到此阀的静态特性。试验结果表明,利用流场仿真的方式求解所得静态特性曲线与试验曲线具有较高的吻合度。
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  脉冲电磁阀的集成分类器故障诊断方法

  王敏, 王涛, 叶志勇

  液压与气动. 2024, 48(3): 174-180. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.03.022

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  脉冲电磁阀因具有结构简单、成本低、动作快速等优点,被广泛应用于布袋除尘领域,故其元件的健康状态对系统运行安全具有重大的意义。针对脉冲电磁阀常见故障的诊断方法展开深入研究,利用接近开关检测主阀芯开启滞后时间和保持时间作为特征后,构建Bagging-DT(RF)分类器模型进行故障诊断,通过对多种模拟故障的实验结果和多种模型的对比,结果表明,构建的Bagging-DT模型的精确率、召回率、F1值均优于其他模型,且其准确率达到86%,实现了对脉冲电磁阀5种及以上故障更加准确的预测与判断,解决了实际工作中工作人员依靠主观经验,诊断效果可信度较低的问题。
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  液力变矩器轴向力三维流动计算及验证

  金宸, 刘城, 闫清东, 魏巍

  液压与气动. 2024, 48(3): 181-188. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.03.023

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  液力变矩器是液力传动的重要元件,以黏性油液为工作介质转换并传递功率,具有无级变速变矩、自动适应等优良传动特性。由于工作介质的高速流动,对各叶轮产生较大的轴向动负荷,同时其内部不同旋转域间存在着较大不平衡面积,使得液力变矩器在工作过程中存在较高的轴向载荷。以某有效直径为420 mm的液力变矩器为研究对象,对带泄漏腔体流域的整体进行三维数值模拟,并分析各个工作轮的轴向力构成,搭建轴向力测试试验台进行试验验证。试验结果表明,三维流场仿真能够较准确地计算轴向力。由仿真分析可知,泄漏区内工作液体的作用所产生的轴向力占比较大;3个叶轮中,涡轮轴向力最小,约为泵轮和导轮的1/5,泵轮轴向力始终使泵轮接近导轮,导轮所受到的轴向力始终使导轮接近泵轮;随着传动比增大,泵轮轴向力先增大后减小,在i=0.3工况时泵轮轴向力最大,导轮轴向力降低,在i=0工况时最大。