2024年, 第48卷, 第7期　刊出日期：2024-07-15

  

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综合应用
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  克隆挑取机器人控制系统设计与试验

  朱伟, 赵建新, 杨林, 何凯

  液压与气动. 2024, 48(7): 1-11. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.07.001

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  为提高菌落挑取、接种效率,提出了一种基于运动控制器、图像识别算法和路径规划算法的智能挑取、接种、清洗、消毒系统。软件和硬件根据菌落样品智能处理系统的控制要求进行设计。系统采用运动控制板作为主控制器,实现伺服电机、光电传感器、气缸、电磁阀等设备的集成控制。系统前端基于Windows Form设计窗体和可视控件,后端采用多线程并发式通信及多线程插补运动技术实现对多台伺服电机的联动控制,视觉部分采用模式识别技术实现对目标菌落的识别、筛选与信息提取,数据库采用SQL Server实现对菌落及用户信息管理。通过调整对比度、亮度对采集的菌落图片进行识别,实现目标菌落的定位、筛选、路径优化、信息提取等。结果表明:路径优化后挑取路径缩短了34.37%。
理论研究
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  隔爆型电磁铁力-行程特性的优化分析及验证

  曹文斌, 房瑞清, 杨国来, 赵天昊, 于忠元

  液压与气动. 2024, 48(7): 12-21. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.07.002

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  防爆阀是石油勘探等井下液压设备常用的核心控制元件。现有防爆阀常采用的隔爆型电磁铁体积相对较大,难以充分发挥液压元件及系统功重比大的优势。基于防爆阀可靠性的要求,在不增大矿用防爆阀外形尺寸的前提下,分别研究了衔铁高径比、隔磁环位置、上端隔磁角对隔爆型电磁铁力-行程特性的影响。基于L₉(3⁴)正交试验,采用极差分析法获得了试验因素影响程度大小以及选择范围内最佳的结构参数组合。结果表明:当隔爆型电磁铁结构参数衔铁高径比为2.03,隔磁环位置距参考点位置下移0.5 mm,上端隔磁角30°时电磁力-行程特性曲线最佳,为隔爆型电磁铁的结构参数优化提供了指导,并通过对比试验验证了隔爆型电磁铁结构设计的合理性和可行性。
综合应用
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  长纤维抗裂复合封层机行走与撒(洒)布系统协同控制

  李志勇, 焦生杰, 徐信芯, 张佳乐

  液压与气动. 2024, 48(7): 22-32. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.07.003

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  为解决长纤维抗裂复合封层机在作业过程中出现的撒(洒)布不均匀问题,提出了一种模糊分数PID协同控制方法,采用分数阶PID控制器,实现了长纤维抗裂复合封层机行走与撒布系统的协同控制。结合模糊控制规则,对分数阶PID参数进行了在线实时优化,提升了系统的整体控制性能。通过Simulink仿真实验,对比了该方法与传统PID控制器的综合性能。结果表明:所提控制器在行走和撒布过程中的响应速度、超调量及稳态误差等方面均显著优于传统PID控制器;并通过实车试验平台,对所提控制方法进行了试验验证,成功实现了长纤维抗裂复合封层机行走过程中纤维、沥青、碎石的协同控制,为长纤维抗裂复合封层机的行走与撒(洒)布系统协同控制领域提供了新的研究思路。
理论研究
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  阀式蓄能器对换挡液压系统压力冲击的影响

  魏列江, 徐晓鑫, 单乐

  液压与气动. 2024, 48(7): 33-43. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.07.004

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  依据某重型车辆换挡液压系统,创新设计了一种带有阻尼节流槽的阀式蓄能器,通过流场仿真,分析不同活塞位移下的压力云图,根据实际工况配置阻尼槽的节流面积。通过换挡液压系统动态仿真模型,分析阀式蓄能器不同结构参数对蓄能器运动部件动态性能的影响规律,并且获得结构参数对作动离合器液压缸压力变化的影响机理。研究表明:阀式蓄能器 U+K形阀口表现出二级节流特征,能够实现节流面积由大到小的变化规律;阀式蓄能器相较结构参数相同的弹簧式蓄能器,可使液压缸入口压力冲击幅值降低41%; 增加U形节流槽宽度,可降低离合器液压缸入口压力冲击幅值;增加U形节流槽长度,压力冲击幅值无明显变化;增加复位弹簧刚度,可降低液压缸入口压力冲击。
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  二级射流真空发生器的结构参数优化设计

  詹友基, 吴晋泽, 郑天清

  液压与气动. 2024, 48(7): 44-52. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.07.005

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  为提升二级射流真空发生器的真空度和引射系数,建立以空气为介质的二级射流真空发生器仿真模型,通过仿真模型获取相关性能数据。在此基础上,运用响应面法构建二级射流真空发生器结构参数对其真空性能影响的拟合数学模型,以真空度和引射系数为优化目标,通过求解拟合数学模型,确定了二级射流真空发生器的最优结构参数组合。结果表明:优化后二级射流真空发生器的真空度增加了13.9%,引射系数增加了26.3%。
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  电液伺服阀压力增益影响因素灵敏度分析

  王勇, 张迪, 严成坤, 刘旭东, 高伟, 李兴东

  液压与气动. 2024, 48(7): 53-62. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.07.006

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  压力增益是电液伺服阀核心性能指标之一,但电液伺服阀存在机电液强耦合性、封闭性和结构参数复杂性,限制了电液伺服阀压力增益的提升,亟需明确压力增益的影响因素及权重大小。故以偏转板射流伺服阀为研究对象,建立伺服阀机、电、液多环节数学模型,得到电液伺服阀整阀的状态空间模型,然后,结合压力增益公式,采用一阶灵敏度分析方法,分析伺服阀结构参数对伺服阀压力增益影响相关性和权重,最后,基于电液伺服阀性能测试实验平台,验证了前置级喷嘴尺寸以及滑阀级遮盖量两个典型结构参数对压力增益的影响。研究成果为电液伺服阀静态性能的提升提供了一定的理论指导。
工程技术
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  能量再生型电液混合驱动系统参数特性研究

  杜锐, 刘志奇, 权龙

  液压与气动. 2024, 48(7): 63-71. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.07.007

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  重型装备回转运动负载惯量大、周期性频繁启停、能耗巨大,制动能一般都以热能形式耗散,能量再生利用一直没有很好的解决方案。提出了一种新型能量再生型电液混合驱动系统并定义了系统3种工作模式,以重型装备中可逆轧机为例,研究了所提系统的特性。以电动机能耗及输出峰值功率作为评价指标,研究关键元件参数对系统驱动特性的影响规律,通过AMESim建立了纯电动驱动与电液混合驱动仿真模型。结果表明:液压泵/马达排量对制动时间、电动机峰值功率及电动机能耗影响最大;最优参数下,所提电液混合驱动系统较原电动机驱动可降低电动机峰值功率45.75%,能耗可降低48.33%,启动时间缩短44.54%,制动时间缩短1.21%。
理论研究
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  高压大排量径向柱塞泵定子运动规律分析

  李少年, 程乐, 张子骞, 陈世豪, 杨龙涛

  液压与气动. 2024, 48(7): 72-78. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.07.008

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  为改善高压大排量径向柱塞泵定子-滑靴副摩擦状况,实现泵的精确变量,提出定子圆周方向非固定安装结构。通过滑靴柱塞组件力学特性分析,建立单个滑靴滑动摩擦力矩和11个滑靴摩擦合力矩,求解得到定子角速度变化曲线。结果表明,定子在滑靴滑动摩擦力矩作用下能够运动,且排油区滑靴摩擦力矩大于吸油区滑靴摩擦力矩。径向柱塞泵正常工作后,定子角速度稳定在89.5~90.6 rad/s,呈周期变化,对定子运动起阻碍作用的滑靴个数为4、5交替变换。为高压大排量径向柱塞泵滑靴副设计、提高泵的性能提供一定参考。
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  膜阀微流道液流脉动消减性能

  刘旭玲, 薄乐, 张钰松, 刘威, 张开贻, 邵景干

  液压与气动. 2024, 48(7): 79-85. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.07.009

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  提出一种采用片上膜阀对微流控芯片液体微流道内液流脉动进行主动消减的方法。以阀腔蓄能器和阀腔阻尼孔为研究对象,采用ANSYS Fluent UDF自定义仿真方法,开展膜阀微流道内液流脉动消减特性研究。研究表明:不同结构消减元件消减作用不同,不同膜阀数量的消减效果不同。根据脉动消减元件的工作原理,开展了液流脉动消减试验,试验表明,膜阀对微流道内液流脉动的主动消减方法是有效的,验证了基于膜阀微流道内液流消减元件的合理性、理论模型的正确性和具体应用的可实施性,为微量液流流量精确控制技术提供理论指导和技术支持。
综合应用
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  LUDV多路阀流量控制及微动特性仿真与试验

  柏朝辉, 杜扣, 米晓明, 杨一煌, 金教智

  液压与气动. 2024, 48(7): 86-92. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.07.010

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  基于LUDV多路阀原理和结构,运用AMESim仿真软件搭建负载敏感系统仿真模型,对采用LUDV多路阀的液压系统流量精确控制及微动特性性能进行分析,并选用国产负载敏感多路阀,搭建变量泵负载敏感液压系统。通过样机试验,各联仿真与试验结果误差均在5%合理范围内;不同负载工况下,工作油口流量精度基本恒定且都稳定在设定流量10%误差范围内,验证了仿真平台和国产多路阀的可靠性,为此类产品的研发优化和液压系统的性能提升提供理论依据。
理论研究
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  麻雀搜索算法优化的外啮合齿轮泵泄漏量预测

  张立强, 张建强, 丁杰, 李全军, 李琛玺

  液压与气动. 2024, 48(7): 93-100. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.07.011

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  预测齿轮泵泄漏量的变化趋势有助于定量分析其性能退化过程。变分模态分解(Variational Modal Decomposition,VMD)方法对齿轮泵原始泄漏量数据进行变分模态分解,得到本征模态函数IMF,提出一种结合麻雀优化算法(Sparrow Search Algorithm,SSA)和长短期记忆神经网络(Long-Short Term Memory,LSTM)的模型,建立VMD-SSA-LSTM模型预测齿轮泵泄漏量的变化情况,并对每一个分量进行单独预测,最后将预测结果进行叠加,获得完整的预测结果。通过对比不同时间段预测结果可知,VMD-SSA-LSTM模型较单一的LSTM模型预测结果的平均相对误差最高可减小25.2%,能够完成对泄漏量的有效预测。研究结论可为齿轮泵性能衰退的定量预测提供理论支持。
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  先导式比例电磁阀电磁力水平特性分析及优化

  张伟, 张彪, 王旭光, 张广世, 赵文涛, 李明昊

  液压与气动. 2024, 48(7): 101-110. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.07.012

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  阻尼可调减振器作为悬架系统的核心部件,对汽车行驶平顺性至关重要,而先导式比例电磁阀作为减振器中的重要元件,对减振器性能起到关键作用。介绍了电磁阀的结构及工作原理,利用Maxwell 2D有限元仿真软件建立电磁铁仿真模型,对静态下的电磁力-位移水平特性进行仿真计算,并根据仿真结果对电磁铁隔磁环倾角、导套厚度、衔铁长度、衔铁宽度等结构参数进行调整分析,通过电磁力水平特性试验,验证仿真模型的准确性。引入正交实验法,对各参数进行协同优化,采用标准差这一指标衡量电磁力水平特性,优化后的产品电磁力标准差为0.635888,优化效果提升7.98%。为阀体的机-电-液-磁耦合仿真分析奠定了基础。
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  寒冷地区电液制动器的油液黏度-时间模型及制动特性研究

  王泽河, 邢磊, 孙亚楠, 王磊, 魏福生, 魏建强

  液压与气动. 2024, 48(7): 111-119. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.07.013

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  针对寒冷地区电液制动器制动力和制动力矩不足等导致水闸制动系统发生溜车问题,基于液压油Vogel黏温模型以及当地温度变化数据,构建了油液黏度随时间变化的黏度-时间模型,并基于该模型对电液制动器制动过程中油液流动特性进行了研究,然后对电液制动器制动性能进行了定量分析。结果表明:在制动过程中,电液制动器液压油压力主要分布在活塞底腔,且随着黏度增大而逐渐增大,当油液黏度为662.4 Pa·s时,压力达到1.455×10^-3 MPa,电液制动器液压油在叶轮中心轴部位会出现涡流循环,其循环强度随着油液黏度的增加而逐渐增加;在给定工况下,该电液制动器的最小制动力为1098 N,最小制动力矩为274 N·m。而这一制动力矩已低于该电液制动器工作力矩范围,此时可以通过更换该月份黏度更小的液压油或增设预加热系统等措施来提高其制动力和制动力矩,从而实现正常制动。
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  三偏心蝶阀硬密封结构的响应面优化

  王成龙, 徐东涛, 刘亚男, 黄凯先, 孟祥瑞

  液压与气动. 2024, 48(7): 120-128. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.07.014

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  金属硬密封三偏心蝶阀在关闭状态下的密封比压决定着该阀的密封性能和工作寿命,优化金属硬密封部件的结构参数十分重要。以DN600三偏心蝶阀为研究对象,利用有限元分析法,分析密封面上密封比压分布规律。提出利用密封配合面周向间隙指标判断蝶阀的密封性能,利用Box-Behnken响应面优化方法对密封构件的结构进行优化,分析复合阀板座大、小径端切割厚度、复合阀板座直径及其交互作用对密封面最大密封比压的影响,得出最优设计方案。结果表明,在不影响蝶阀密封的前提下,优化复合阀板座参数后,密封面最大密封比压从202.96 MPa下降到128.44 MPa。对优化后蝶阀进行封闭打压密封实验,验证了其密封性能的可靠性。
工程技术
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  中型挖掘机泵控系统与阀控系统的能效对比

  国钰, 张树忠, 王亚兵, 许弘焜, 王博瑞

  液压与气动. 2024, 48(7): 129-134. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.07.015

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  为降低传统液压挖掘机动力系统的能量消耗,提出一种单定量泵控缸的分布式直驱液压系统,开展中型挖掘机泵控系统与阀控系统的能效对比。首先,对双泵双回路阀控液压系统和分布式泵控液压系统的原理进行分析;随后,在MATLAB/Simulink中建立机械多体动力学模型、泵控液压系统模型和速度前馈PID位置反馈控制器;根据GB/T 36695—2018 中的典型挖掘机循环,分别进行阀控系统实验和泵控系统仿真;最后将实验结果和仿真结果进行对比分析。结果表明:在同一工况下,两者的工作装置能耗基本相当(泵控系统比阀控系统高8.5%),但泵控系统效率(62.1%)是阀控系统效率(23.5%)的2.6倍,泵控系统总能耗降低了62.4%。
理论研究
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  基于子领域自适应的液压系统故障诊断方法

  张开庆, 李斌, 王立新, 李广珍, 郝惠敏, 黄家海

  液压与气动. 2024, 48(7): 135-142. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.07.016

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  针对液压系统故障数据采集困难和数据量有限导致其故障诊断模型精度低的问题,提出基于子领域自适应的故障诊断方法。通过液压系统仿真模型模拟不同的故障类型,获得丰富的故障仿真数据,并与有限的实测故障数据结合用于模型构建;将1维卷积神经网络(One-dimensional-Convolutional Neural Network, 1D-CNN)与子领域自适应方法结合,利用1D-CNN构建多传感器信息融合网络全面提取液压系统的故障信息,在域自适应层采用局部最大平均差异(Local Maximum Mean Discrepancy,LMMD)减小源域和目标域特征之间的全局分布差异和子领域分布差异,构建出故障诊断模型。结果表明,所提方法在各类故障实测样本仅有1个的情况下,故障的诊断准确率达到100%,优于所对比的其他智能故障诊断方法。
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  柱塞倾斜分布式球面配流重载柱塞泵泄漏特性

  史俊强, 张昊天, 魏坤池, 李心远, 张琦瑶, 张晋

  液压与气动. 2024, 48(7): 143-151. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.07.017

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  倾斜柱塞结构和球面配流副因结构紧凑、抗倾覆力矩强等优点广泛应用于重载柱塞泵,随着工程技术的发展及高端制造业需求,柱塞泵的使用压力逐渐提高,油液泄漏加剧,设计间隙和容积效率成为评价柱塞泵性能好坏的重要指标。以倾斜柱塞和球面配流结构的重载柱塞泵为研究对象,分析柱塞的运动学特性,研究倾斜柱塞副泄漏、球面配流副泄漏和滑靴副泄漏的理论方程。结果表明,倾斜柱塞副的泄漏随配合间隙及柱塞腔压差增大而增大,球面配流副泄漏间隙主要与动力黏度、泵工作压力及缸体角速度相关,滑靴副的泄漏主要和柱塞阻尼孔长度和阻尼孔直径相关。最终,通过泄漏试验验证了理论结果的准确性,理论值与实验值误差不超过8%,为重载柱塞泵的结构设计与性能优化提供理论基础。
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  基于CFD和响应面法的引射器优化设计

  刘本学, 吕桉, 秦翔, 左富豪

  液压与气动. 2024, 48(7): 152-161. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.07.018

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  针对质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)氢气引射器优化研究中优化精度低、忽视多结构耦合作用的问题,采用CFD和响应面法结合优化引射器结构参数。通过单因素仿真试验研究各结构对引射比的影响,在此基础上设计正交试验构建响应面分析多结构参数交互作用。研究结果表明:喷嘴距和等压混合室直径的响应p值小于0.05,存在耦合作用且对引射性能具有显著影响,通过响应面法优化后引射器最大引射比达到3.62,相比于单因素优化结果提升了25.69%并且预测模型误差仅为4.93%。
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  多喷嘴挡板单级电液伺服阀数学模型及特性分析

  王彦文, 葛声宏, 陈志闯, 吴河灯, 杨瀚浩, 朱玉川

  液压与气动. 2024, 48(7): 162-170. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.07.019

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  多喷嘴挡板单级电液伺服阀是飞机辅助动力装置的重要部件之一,起到精确控制燃油流量的作用。针对其力矩马达初始气隙非对称、单侧四喷嘴等独特的结构形式,分析了工作机理,建立了整阀的数学模型,并通过MATLAB/Simulink对数学模型进行了仿真研究,得到了各组件以及整阀的输出特性。其中,力矩马达气隙初始值非对称产生的电磁力矩可以平衡一部分喷嘴液压力产生的力矩,考虑喷嘴腔的压力损失与不考虑时二者误差最大为11.4%。同时开展了多喷嘴阀实验研究,对比数学模型与实验得到的整阀流量特性曲线,二者基本一致,验证了所建立的数学模型的准确性,为多喷嘴挡板电液伺服阀特性分析奠定了基础。
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  某飞机舱盖作动筒回程冲击仿真分析

  皮月亮, 韩淋善, 权凌霄, 孙同明, 倪伟

  液压与气动. 2024, 48(7): 171-177. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.07.020

  摘要 ( ) PDF全文 可视化 收藏

  舱盖作动筒由于受到舱盖重力的作用,在舱盖突然关闭时,作动筒下腔会产生较大压力波动,该压力冲击会沿回程路径传递到压力油箱且造成油箱溢油口向外溢油。基于AMESim仿真软件平台,搭建舱盖气液操纵系统的AMESim仿真模型,通过仿真探究舱盖关闭过程中,作动筒外负载力、油液含气量、油液温度对压力油箱油腔压力的影响;分析了舱盖作动筒气液操纵系统工作原理,在该仿真模型中,通过批处理仿真得出油液含气量、油液温度对油箱压力均影响不大。真正造成油箱压力增大的因素是其气腔内的弹簧,弹簧的初始预紧力和弹簧刚度均显著影响油箱压力变化。此结论将作为控制油箱压力过高避免向外溢油的重要依据,为系统安全稳定打下了理论基础。
工程技术
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  变排量液压马达旋转驱动系统角位移控制技术

  高云琦, 司俊, 张伟, 王旭东

  液压与气动. 2024, 48(7): 178-188. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.07.021

  摘要 ( ) PDF全文 可视化 收藏

  变排量液压马达旋转驱动系统具有效率高、响应快、高负载匹配性、低功率需求等优势,能够大幅提高飞机液压旋转驱动系统的效率。为实现对变排量液压马达旋转驱动系统的精确控制,需开展系统角位移控制技术研究。建立了系统的数学模型,搭建了AMESim仿真模型,分析了系统的运动特性及频域控制特性,提出了由排量回路、转速回路和角位移回路组成的三闭环串级控制方案,研究了不同控制参数对系统控制特性的影响。研究结果表明,双闭环控制无法满足旋转驱动系统的稳定条件,三闭环控制引入转速负反馈克服了双闭环控制中角位移对转速的正反馈效应,增大了位置回路的阻尼,能实现系统稳定控制。同时研制了原理样机并进行了测试验证,测试数据表明,三闭环控制方案能实现旋转驱动系统高精度位置控制,为变量马达在飞机液压旋转驱动系统中的应用提供了参考。