2024年, 第48卷, 第6期　刊出日期：2024-06-15

  

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工程技术
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  液电串联驱动挖掘机回转系统能耗特性研究

  王慧杰, 成杰, 夏连鹏, 黄伟男, 权龙, 黄家海

  液压与气动. 2024, 48(6): 1-6. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.06.001

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  针对液电混驱回转装置制动能量高效回收与利用问题,提出基于电机转速控制模式与转矩控制模式的控制方式。首先,对液电混驱回转系统进行理论与原理分析;之后,在AMESim中对该系统进行了仿真分析,并为后续实验提供参考;最后,通过实验对比分析了转矩模式与转速模式差别。结果表明:转矩模式相对于转速模式运行过程更平稳,功率无波动;转速模式更有效利用蓄能器能量,相对于传统挖掘机节省48.4%,比转矩模式节省42%;转矩模式超调量比转速模式大8%,整体上转速模式优于转矩模式。
理论研究
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  不同粗糙度下织构处理前后端面密封表面的接触压力与摩擦性能分析

  谢佳祺, 谢良喜, 胡腾, 陈萌萌, 柳毅

  液压与气动. 2024, 48(6): 7-14. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.06.002

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  端面密封表面摩擦性能对叶片式液压摆动油缸的稳定运行有重大影响。对端面密封在不同粗糙度下、织构处理前后的接触压力与摩擦性能展开研究,综合分析粗糙度、织构化处理与端面密封摩擦性能的关系。将MATLAB与COMSOL相结合,建立端面密封有限元模型,仿真分析不同粗糙度、是否织构化处理等不同条件下的接触压力分布;结合对应摩擦实验获得端面密封摩擦力分布,并考虑叶片密封润滑模型,建立摆动油缸总摩擦力计算模型;最后通过摆动油缸实验,验证理论分析的准确性。结果表明:一定预压缩量下,接触压力随粗糙度的增大而增大;油润滑状态下,织构化表面摩擦性能优于未处理表面;所建立的总摩擦力计算模型可用于分析摆动油缸在不同粗糙度等条件下的摩擦性能。
综合应用
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  磁流变纤维骨架阻尼增强型阻尼器研究

  于涛, 王英健, 王猛, 石岩, 高培鑫, 席军

  液压与气动. 2024, 48(6): 15-23. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.06.003

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  为了增强磁流变脂的剪切性能,提高阻尼器的阻尼力输出,研究棉纤维对磁流变脂剪切增强效果。制备了不同棉纤维质量分数的磁流变脂试样,在流变仪上对其进行测试。结果表明,复合纤维磁流变脂的最大剪切应力随着纤维质量分数的增加而增加。基于复合材料设计制造了一款剪切式磁流变阻尼器,该阻尼器具有磁流变材料用量少、密封要求低等优点。磁流变阻尼器的阻尼特性实验表明,在1.6 A电流下,棉纤维质量分数为1.5%的磁流变脂的最大阻尼力可达99.5 N,与无棉纤维添加的磁流变脂相比,提升了23.8%,这表明使用复合纤维磁流变脂的阻尼器具有更好地阻尼力输出。
理论研究
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  基于预吸排油结构的柱塞泵配流盘优化

  张静, 赵青伟, 张昊, 聂尚卿

  液压与气动. 2024, 48(6): 24-32. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.06.004

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  配流盘过渡区域的结构对于柱塞泵的脉动抑制以及减振降噪起着至关重要的作用。基于配流盘吸空抑制原理,对配流盘过渡区进行结构优化。首先计算为了平衡节流面积变化速率和柱塞腔运动速率所需增加的节流面积,并对配流盘过渡区结构进行优化。然后通过PumpLinx对轴向柱塞泵压力、流量脉动以及空化进行了仿真分析与验证。结果表明,优化后的配流盘过渡区结构可以有效降低压力、流量脉动,缓解空化发生。
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  基于GoogLeNet的多级液压缸故障诊断方法

  曹秋涵, 赵俊鹏, 石健, 薛子良, 吴鹏辉, 曹向荣

  液压与气动. 2024, 48(6): 33-43. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.06.005

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  针对多级缸故障模式复杂且难以实现精准诊断的问题,提出一种基于GoogLeNet神经网络的多级缸故障诊断方法。以多级缸伸出动作时的工作原理为出发点,通过对其建立动力学模型,搭建包含多种故障模式的仿真模型,获得不同状态下的多级缸故障信号。提取关键故障特征,并采用GoogLeNet神经网络构建故障诊断模型,实现多级缸故障诊断与故障定位。仿真和试验结果表明,所建立的多级缸仿真模型与实际相契合,且据此提出的故障诊断方法能够精准识别多级缸的不同故障模式,从而为多级缸维护维修工作的开展提供重要依据。
综合应用
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  高速轴配流中旋转径向小孔流量系数的实验研究

  朱碧海, 董博

  液压与气动. 2024, 48(6): 44-55. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.06.006

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  针对高转速轴配流中旋转径向小孔出流流量系数开展了实验研究。研究中涉及到两种流动方向,即自旋转缸体中心流过径向小孔向外离心运动称为正向流动,反之则为反向流动。结果表明:旋转小孔出流流量系数同时显著地受离心力和科氏力的影响;因离心力的赋能作用,正向流动时流量系数随转速的增加而变大,反向流动时离心力对小孔内流动有抑制作用,使流量系数随转速的增加而变小;两个方向的科氏力综合效果使正向流动流量系数随出流雷诺数增加而变小,反向流动流量系数随出流雷诺数的增加而变大;当出流雷诺数足够大时,两种流动方向、不同孔型的流量系数各自都有一个稳定值;各种孔型的正向流动流量系数稳定值分布均在0.65~0.80范围内。
理论研究
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  气动3-UPU型机器人位姿控制

  刘昱, 陶春龙, 吕佳洋, 程杰

  液压与气动. 2024, 48(6): 56-64. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.06.007

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  对于气动伺服系统而言,活塞的运动、参数时变以及建模的不确定都进一步增加了高精度位置控制的难度。针对气动3-UPU机器人系统建立三阶数学模型,为控制算法提供参考模型;提出基于自抗扰(Auto-disturbance Rejection Controller,ADRC)的高精度位姿控制算法,以非线性PID为基础,结合跟踪微分器安排快速且平稳的过渡过程,将气缸内泄漏流量作为扰动设计扩张状态观测器,构建适用于高精度气动3-UPU机器人的ADRC控制器。结果表明:自抗扰控制器具有较强的鲁棒性,稳态控制精度约为0.45 mm,0.2 Hz时动态跟踪均方误差小于10.0 mm。
工程技术
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  电动装载机转向系统电液流量匹配控制策略

  刘克毅, 张安民, 岳洪进, 杨明昆, 陈革新, 陈文婷

  液压与气动. 2024, 48(6): 65-71. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.06.008

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  针对电动装载机优先型流量放大转向系统单动工况下节流损耗严重的问题,提出了一种电液流量自适应匹配的节能型控制策略。首先,介绍了优先型流量放大转向系统工作原理;其次,建立转向系统能量损失模型;然后,提出转向系统电液流量匹配控制策略,实现液压泵输出流量与转向系统需求流量的匹配,并构建液压泵流量非线性映射补偿模型,提升流量控制精度;最后,利用AMESim软件搭建系统仿真模型,与原系统对比仿真分析。结果表明:改进后系统流量损耗降低62.68%,能量损耗减少65.26%,节能效果显著,为电动装载机的推广应用奠定基础。
综合应用
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  多目标拓扑优化算法在液压制动器传热优化中的应用

  崔洪艳

  液压与气动. 2024, 48(6): 72-79. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.06.009

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  为有效提升液压制动器的传热性能,基于多目标优化算法对风冷盘的厚度、风槽高度、肋片倾角和肋片数量等设计变量进行拓扑优化,实现制动盘温度峰值和质量的同步降低。采用PDE方程建立风冷盘传热模型,以负热流为边界条件,求解出恒压匀速制动工况下的二维瞬态温度场。基于ANSYS Workbech建立风冷盘的三维参数化传热模型,利用台架试验法验证温度场仿真结果。采用中心组合设计法得出设计变量与优化目标的离散样本,通过多元二次回归模型构建代理模型并进行误差校核。构建优化数学模型,将质量优化目标转换为边界条件,通过序列二次规划算法得出不同质量区间的解集。结合min-max标准化和加权归一方法,得出无量纲的指标测评值,实现优化目标的性价比评价。优化结果表明,风冷盘质量降低8.3%,温度峰值降低3.7%,传热效率明显提升,经济效益和社会效益显著。
理论研究
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  电液混合动力城市公交车控制策略研究

  曹春飞, 刘志奇

  液压与气动. 2024, 48(6): 80-90. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.06.010

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  针对城市公交车电池寿命短、续航里程低的问题,提出了一种电液混合动力系统,并针对此系统设计了一种基于规则的控制策略,确定了公交车的相关参数,对混合动力系统的关键元件进行了选型,使用AMESim软件搭建了电液混合动力系统仿真模型和控制策略仿真模型,结果表明:所提出的电液混合动力系统电池提供大电流的次数减少了60%,续航里程相较于原系统增加了25%,验证了控制策略的有效性。对系统切换工作模式时耦合转矩出现波动的现象进行了研究,结果表明:通过选择合适的泵/马达结构参数可以减少耦合转矩的波动,以提高模式切换过程中整车动力传递的平稳性。
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  内曲线液压马达定子曲线设计与动力学建模

  虞威, 汪涛, 谢重阳

  液压与气动. 2024, 48(6): 91-101. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.06.011

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  定子是内曲线液压马达关键零件之一,其曲线形状对液压马达的性能和使用寿命具有重要影响。针对等加速型内曲线液压马达在运行过程中存在冲击较大的问题,提出一种基于五次多项式运动规律的定子曲线设计方法。通过对液压马达功能模块的受力分析,建立液压马达输出扭矩与零速区段幅角的量化关系,并在此基础上对零速区幅角进行了优化,结果表明,当零速区段幅角为0.5°时,定子曲线扭矩脉动率最小;进一步建立考虑定子磨损的液压马达动力学模型,并采用数值计算方法对该模型进行仿真求解;最后,通过实验方法研究不同转速下液压马达的振动响应,验证了理论模型的正确性。
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  线控制动液压电磁阀气压检测动态性能分析

  任行鹏, 陆艺, 胡晓峰, 李静伟

  液压与气动. 2024, 48(6): 102-111. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.06.012

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  针对线控制动液压电磁阀测试中使用制动液会产生难以清洁、腐蚀性强等问题,采用压缩空气作为检测介质进行气检可有效地解决这一问题。此时,电磁阀液检和气检动态响应时间合格限之间的关系成为研究重点。因此,根据电磁阀的结构参数,利用ANSYS软件对电磁阀流场进行分析,计算获得流体力参数。然后,利用MATLAB/Simulink软件构建电磁阀仿真模型,从而获得电磁阀液检响应时间与气检响应时间之间关系式。最后,设计电磁阀液压测试系统和气压测试系统,对液检和气检动态响应时间合格限进行测试。结果显示:当电磁阀液检合格限为3.50 ms时,测试得到气检合格限实际值为3.33 ms,计算得到其理论值为3.125 ms,相对误差6.16%,验证了模型的准确性,对电磁阀气代液检测研究具有指导意义。
工程技术
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  液压抓料机阀控冷却系统设计

  陈勇, 曾献勇, 李西德, 刘惺, 辜永建

  液压与气动. 2024, 48(6): 112-120. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.06.013

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  针对抓料机液压散热系统能耗高、散热器易积尘及海拔适应性差等问题,提出冷却风扇反转除尘及引入风扇转速修正系数的电液比例控制方案,基于MATLAB/Simulink建模仿真分析,通过试制产品开展可靠性试验。结果表明:采用新型控制策略的液压散热系统,能根据油温实时调节散热风扇转速,液压油温在55～80 ℃区间的风扇转速响应更快、能耗更低;风扇反转防尘除尘能力明显,节能效果显著,散热器散热能力明显提升,可为类似风扇系统的开发设计提供参考。
理论研究
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  地震模拟振动台双回路复合控制方法研究

  任翔, 栾海英, 刘增元

  液压与气动. 2024, 48(6): 121-132. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.06.014

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  地震模拟振动台实验是评价建筑模型抗震性能、降低地震破坏的有效方法,其中输入振动波形的高精度复现尤为关键。针对实际实验中存在的影响精度的多种因素,如驱动信号传递过程中的非线性因素,模型简化带来的误差以及实验干扰的动态变化等,在传统的三参量控制方法的基础上,提出了一种模型参考自适应控制和三参量控制方法相结合的复合控制策略,并引入自适应谐波消除器来解决正弦信号的谐波失真问题。通过建模仿真和振动台实验,验证了提出的控制策略在提高输出信号跟踪精度、减小波形失真度等方面的有效性。
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  轴向柱塞泵流致噪声传递机理分析

  崔凯, 郭志敏, 翟江, 徐楠, 洪昊岑

  液压与气动. 2024, 48(6): 133-141. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.06.015

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  在高压工况下,轴向柱塞泵易产生较大的噪声,其主要成分为流体噪声。提出使用计算声学的方法,对轴向柱塞泵的流致噪声进行仿真模拟。首先,归纳了柱塞泵流体噪声的产生机理与传递路径。然后,构建了柱塞泵的声学仿真模型,对其进行数值模拟。最后,分析了柱塞泵的噪声、振动仿真结果,并通过试验加以验证。结果表明:轴向柱塞泵的流体噪声从内向外逐步传递,并作为激励源,引发内部零件与泵体的振动,进而产生辐射噪声;仿真结果与试验结果误差小于6%,仿真的准确度较高。
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  电液控换向阀流场仿真与响应面预测

  叶壮, 潘占仁, 赖岳华, 赵玉贝, 崔耀

  液压与气动. 2024, 48(6): 142-151. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.06.016

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  大流量电液控换向阀是支架液压系统的关键控制元件之一,仿真手段对于换向阀的流动特性分析具有重要意义,然而流体仿真存在计算复杂度高、仿真时间较长的问题,对于要求实时高效流动特性分析的场合并不适用。因此,针对大流量电液控换向阀在不同阀口开度、不同入口压力、不同流量下的流场分布情况进行了仿真分析,发现换向阀入口压力随阀口关闭值呈指数上升趋势,随流量增加呈上升趋势,与出口压力值接近正比关系,并且阀口关闭位移越大换向阀入口附近涡流越剧烈。在换向阀流场仿真的基础上采用均匀抽样方法进行试验设计,提出并建立了基于多维勒让德正交多项式的响应面模型,采用均方根误差、决定系数和经过调整的决定系数,验证了响应面模型替代Fluent仿真模型进行流场分析的准确性和快速性,通过前期少量的流场仿真数据建立响应面模型,实现了大流量电液控换向阀流动特性的实时高效预测。
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  一种类莲藕结构节流孔板原理及性能分析

  聂建栋, 袁畅, 吴新宇, 曾栋海

  液压与气动. 2024, 48(6): 152-158. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.06.017

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  针对节流孔板在不同工况下形成扰流、涡流和过度节流所诱发的噪声和振动等问题,为降低多级节流孔板空化与湍流噪声,借鉴莲藕孔结构,将每个节流孔隔开,以多条单孔结构孔板为研究对象,以最小压力和湍流动能作为评价指标,采用正交试验法对莲藕状孔板的尺寸参数开展流场性能的研究;通过极差分析得到各参数对流场性能影响的权重,并选出一组最优尺寸组合方案。结果表明:孔板的最小压力分布范围与空化区域分布相似,通过缩小最小压力的分布范围可以有效减少空化现象;其次,适当增加孔板厚度与板间距在孔板下游延长射流区域,可以有效减少涡流的产生;增大入口、出口弧线尺寸可以改变流体流动状态,从而有效地降低了湍流动能,为实现类莲藕结构节流孔板在工程中的应用奠定了良好理论基础。
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  非对称喷嘴挡板压力伺服阀建模与特性研究

  吴河灯, 葛声宏, 周振锋, 杨瀚浩, 陈志闯, 朱玉川

  液压与气动. 2024, 48(6): 159-168. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.06.018

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  针对一种具有非对称喷嘴挡板结构的压力伺服阀(简称非对称压力阀),建立其数学模型及MATLAB/Simulink仿真模型,分析了整阀的静动态性能,并研究了非对称结构的设计原则。结果表明:该阀为带死区的单向正增益压力伺服阀,其输出压力高、线性度好、动态响应快;喷嘴腔压力和输出压力交叉点与静态性能指标具有唯一的映射关系,可利用交叉点位置来判断伺服阀性能是否达到工作要求;阀芯端面面积非对称是前置级非对称的来源,为了保证非对称压力阀的零位稳定性和性能要求,需将前置级设为非对称形式,其固定节流孔液阻系数比大于喷嘴孔液阻系数比,而喷挡间隙的非对称有利于减小喷嘴结构参数的影响,便于伺服阀的尺寸设计和调试;最后通过实验验证了数学模型的准确性。建立的数学模型及仿真模型可为压力伺服阀的结构设计及优化提供依据。
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  高精密螺杆泵重叠网格涂胶性能分析

  王明海, 高海轩, 孔宪俊, 马尧

  液压与气动. 2024, 48(6): 169-178. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.06.019

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  涂胶密封工序一直以来都是飞行器装配过程中的重要环节,但目前该工作通常由人工进行,为解决人工涂胶的诸多弊端,对自动化涂胶所使用螺杆泵的涂胶性能进行研究。针对涂胶过程的高精度控制要求,基于运动学特性建立边界条件,使用Fluent软件的重叠网格技术对螺杆泵进行流场仿真以研究转速对泵内流速和出口流量的影响,得到了螺杆转速与管内流速、流量波动的关系,以及最佳转子转速区间为20~80 r/min。通过对比得出,重叠网格相对于传统动网格在仿真的精度和速度都有了很大的提升,并搭建实验平台证实仿真的可靠性,为自动化涂胶密封使用螺杆泵的运行参数提供了理论依据。
综合应用
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  活塞式蓄能器在超大型液压打桩锤上的应用研究

  冯小星, 李泽, 梅卫东, 季鹏, 彭熙伟, 唐永卫

  液压与气动. 2024, 48(6): 179-188. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.06.020

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  活塞式蓄能器作为液压打桩锤补偿峰值流量的辅助动力源,对液压打桩锤的动态特性有重要影响。为了优化液压打桩锤的动态特性,对双作用液压打桩锤的工作原理进行了分析,阐述了蓄能器类型的选择依据,对蓄能器容积、充气压力参数计算进行了理论分析。针对液压打桩锤打击过程中流量、压力动态变化大及流量、压力非线性耦合的特性,基于AMESim软件平台建立液压打桩锤仿真模型,以4400 kJ超大型液压打桩锤的相关数据为基础,确定仿真参数,研究蓄能器充气压力分别为18、 14 MPa条件下,对锤芯位移、速度、加速度等动态特性的影响。仿真结果表明,蓄能器充气压力18 MPa,打击过程中液压缸无杆腔峰值流量不足,最大打击速度5.5 m/s,最大打击加速度14.1 m/s²;而蓄能器充气压力降低到14 MPa,无杆腔没有出现供油不足现象,最大打击速度6 m/s,最大打击加速度14.2 m/s²,实现了打击速度快、系统稳定性好的控制效果。