2024年, 第48卷, 第8期　刊出日期：2024-08-15

  

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元件分析与优化
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  高速运行齿轮泵的吸油空化与抑制

  杨胜清, 冀宏, 李晨, 王素燕, 汤荣福

  液压与气动. 2024, 48(8): 18-28. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.08.003

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  为揭示齿轮泵高转速运行时的空化发展规律,对装载机用大功率双联齿轮泵的吸油特性展开研究。通过全流域仿真模拟及试验,分析了转速、吸油压力对双联齿轮泵空化现象及输出流量特性的影响。结果表明,双联齿轮泵发生明显吸油空化的临界转速为2400 r/min,当转速大于2400 r/min后,泵内的气体含量骤增,严重影响输出流量的连续性和稳定性;双联齿轮泵的临界吸油压力为0.19 MPa,继续增大吸油口压力会增大泵出口的流量脉动,与入口为0.1 MPa相比,吸油压力为0.19 MPa时齿轮副1和齿轮副2的气体体积分数分别降低0.059和0.067,有效流量分别增大7.96%和9.24%。通过增压装置增加泵的入口压力,对齿轮泵空化的抑制以及有效流量的提升有明显的改善作用,具有工程实际意义。
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  涡轮自增压轴向柱塞泵全流域流场特性分析

  陈远玲, 田成龙, 任晓智, 闫明洋, 黎超亮

  液压与气动. 2024, 48(8): 29-36. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.08.004

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  为了探究离心涡轮自增压装置对高速轴向柱塞泵内液流流动特性的影响,建立了轴向柱塞泵的仿真模型,通过CFD仿真技术研究了离心涡轮与柱塞泵耦合运行时泵内部全流域流场的压力特性、速度特性以及空化特性。研究表明:装配有离心涡轮的轴向柱塞泵吸油能力显著提升,且对射流空化、吸空空化均有抑制作用,其中对吸空空化的抑制效果最显著。应用涡轮增压系统后,单个柱塞腔旋转一周过程中的时均气相体积从59.54 mm³降至1.66 mm³,最大气相体积分数由0.155降至0.029,阻尼槽区域的射流速度由100 m/s降至75 m/s,而涡轮所消耗功率仅占柱塞泵轴功率的9.7%。
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  大推力音圈电机结构优化与实验验证

  王金林, 丁磊, 闵为, 庄广荧, 莫善楠

  液压与气动. 2024, 48(8): 37-45. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.08.005

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  针对高性能电液比例阀所需的大推力驱动器,提出了5种结构形式音圈电机,利用电磁仿真工具ANSYS Maxwell,对不同结构的音圈电机的推力和磁场分布特征进行了计算,分析铁芯半径和线圈位移对不同结构的音圈电机推力和磁场分布的影响。结果表明,5种结构中内磁式无铁芯、线圈紧贴外壳、永磁体分段设计的结构有最大推力,可达75.29 N,并通过实验得到了验证;在永磁体两侧添加导磁环以及适当分段永磁体,均能有效提升音圈电机的推力。
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  汽车阻尼连续可调减振器先导阀参数对其性能的影响

  郑志斌, 曲宝军, 张广世

  液压与气动. 2024, 48(8): 46-55. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.08.006

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  先导阀是阻尼连续可调减振器电磁阀中的关键结构,主要调节主溢流阀的开启压力,其性能的优劣直接影响阻尼连续可调减振器阻尼特性。以一种双复位结构的阻尼连续可调减振器先导阀为研究对象,首先对比先导阀Maxwell、Femm仿真和试验数据,验证仿真模型的正确性;然后通过参数化仿真和温升试验,分析漆包线线径、漆包线耐温等级、软磁材料、结构尺寸对先导阀性能的影响。结果表明,电磁力与线径呈正相关,线径增大到0.45 mm临界点后先导阀稳恒力特性逐渐恶化,漆包线耐温等级240 ℃限制先导阀工作最大电流为2 A,软磁材料的膝点位置影响先导阀稳恒力特性,尽量减小侧向间隙有利于提高先导阀性能,导磁环高度对先导阀性能影响最为显著。研究旨在为阻尼连续可调减振器先导阀设计提供有益的理论参考。
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  后置导叶对轴流风机性能的影响

  孙未川, 李科军, 邓旻涯, 姚学军, 李三华

  液压与气动. 2024, 48(8): 56-66. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.08.007

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  为提高传统轴流风机气动性能,扩大其有效工作区间,以某轴流风机为研究对象,采用数值模拟与试验相结合方式,通过单因素分析和响应面分析方法,研究导叶圆弧半径、圆弧角度、切角对风机性能和流场的影响。结果表明:导叶圆弧半径、圆弧角度、切角的较优区间分别为1500~2300 mm、35°~45°、0°~14°;在最大体积流量下,随着圆弧半径和圆弧角度的增大以及切角的减小,全压和全压效率逐渐增大;在体积流量为70 m³/s和50 m³/s下,随着圆弧半径和圆弧角度的减小以及切角的增大,全压和全压效率逐渐增大;通过响应面分析,当圆弧半径为1940 mm、圆弧角度为35°、切角为14°时,风机性能取得最优。经数值模拟验证,相比原型风机,优化后风机全压提高5.3%左右,全压效率提高4.8%左右。
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  汽车涡轮增压器充液管路振动疲劳分析与优化

  汪涛, 谢重阳, 白永洁

  液压与气动. 2024, 48(8): 67-76. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.08.008

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  以某型汽车涡轮增压器并联充液管路为研究对象,采用模拟仿真与试验验证相结合的研究方法,研究了充液管路在随机振动作用下的疲劳失效问题。首先,建立充液管路的流固耦合动力学模型,并通过模态试验验证了该模型的准确性;其次,基于所建立的动力学模型与管路实测的S-N曲线,进一步预测了充液管路在随机振动载荷谱下的疲劳寿命,并与试验结果进行了对比;最后,通过优化波纹管波高与壁厚,提高了充液管路的疲劳寿命。结果表明:充液管路疲劳寿命随着波纹管波高尺寸与壁厚尺寸的增加先提升后下降;当波纹管波高与壁厚分别调整为3.5 mm与0.33 mm时,优化效果明显,充液管路的预期疲劳寿命由1.056×10⁶提升到1.80×10⁷。
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  液压支架大流量换向阀稳态液动力计算与补偿方法

  李珂, 陈吉顺, 张品, 赵文超, 张占东

  液压与气动. 2024, 48(8): 77-92. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.08.009

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  针对液压支架换向阀元件复杂结构形成不规则流道,传统一次动量定理不能精确求得阀芯所受液动力,以及因液动力过大或不稳定使换向阀动静态特性降低的问题,以支架换向阀主阀为研究对象,在分析其结构组成与工作原理基础上,提出一种全流域控制体积划分方式。运用多次动量定理,分别分析了每个控制体积内动量变化量,考虑阀芯上下游元件结构参数对阀芯液动力数值的影响,较为精确的推导出阀芯所受稳态液动力公式,并进行理论计算。通过分析公式,得出对阀内元件结构参数进行优化的方法来补偿稳态液动力并用CFD方法模拟了稳态液动力随阀芯开度变化规律。结果表明:结构参数优化后阀芯所受液动力峰值与变化幅度均较原结构低,将阀套内径结构优化后,液动力峰值与变化幅度较原结构降低了56.25%与48.12%;将回液阀芯顶杆直径优化后,液动力峰值与变化幅度较原结构降低了28.79%与32.71%;将回液阀芯端面倾角优化后,液动力峰值与变化幅度较原结构降低了31.87%与37.16%,有效缓解了支架换向阀阀芯所受稳态液动力使阀动静态性能降低的问题。
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  双联轴向柱塞泵动态特性及功能复合分析

  付丽丽, 刘志奇, 陈伟敬, 仉志强, 赵立全

  液压与气动. 2024, 48(8): 104-111. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.08.011

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  针对数字式变排量双联轴向柱塞泵功率分配及复合控制模式切换的难题,首先,依据其机液伺服变量原理建立了变量机构的数学模型,分析了泵频响的影响因素。其次,建立了双联轴向柱塞泵的改进交叉功率控制、负载敏感控制、压力切断控制的数学模型,并通过仿真分析验证了改进交叉功率的有效性。在此基础上,提出了基于控制信号最小值的功率、流量、压力复合控制策略。最后,基于AMESim仿真平台建立了双泵系统的机液仿真模型,结果表明:增加阀流量系数、阀芯端面面积,减小弹簧刚度、变量柱塞面积以及斜盘摆动半径可提高变量泵的频响;改进的交叉功率控制策略使泵的变量工作区扩大了约15%,增加了电动机功率在双泵间的分配范围。
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  某型飞机舱盖关键元件O形密封圈气密性分析

  任义志, 耿浩壮, 权凌霄, 皮月亮, 程瑞

  液压与气动. 2024, 48(8): 137-145. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.08.015

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  对某飞机舱盖作动筒异常弹出进行分析,原因是油液中的气体导致油液体积弹性模量变小,可压缩性增强,易发生弹出现象。基于IFAS模型得到含气量与油液体积弹性模量的关系。座舱盖液压操纵系统密封区域均采用O形密封圈进行密封,但由于关键元件粗糙表面特征的存在构成气体泄漏通道,导致座舱盖液压操纵系统中混入气体。因此提出了一种基于Roth模型的泄漏率计算方法,将O形密封圈与金属粗糙表面之间的接触关系,看作弹性金属光滑表面和刚性金属粗糙表面之间的接触关系,对金属粗糙度表面轮廓三角峰均一化排列,从而将泄漏路径定义为梯形通道。基于有限元软件ABAQUS计算密封圈的密封性能系数,分析了表面粗糙度及偏载情况对气体泄漏率的影响;最后通过ANSYS仿真分析与理论结果进行对比。该工作对高精密的密封结构加工设计有着重要指导意义。
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  高精度文氏管调节阀流量特性仿真及试验

  孟令秀, 张睿超, 高杰浩, 高隆隆

  液压与气动. 2024, 48(8): 146-153. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.08.016

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  文氏管调节阀作为流量控制系统的核心组件,其流量特性对系统控制精度及稳定性具有决定性影响。研究了文氏管调节阀的流量特性,采用包络线法对阀芯型面进行了优化设计,并对优化设计结果进行了CFD仿真分析和试验验证。结果表明:抛物面型阀芯可实现调节阀通流面积与阀芯位移之间的线性变化;在出入口压比为0.5的工况下,CFD仿真模拟和调节阀水介质流量特性试验均验证了调节阀位移-流量曲线具有极高线性度,进一步说明了抛物面型阀芯设计准确有效。同时,通过可视化试验图像可知,由于空化流动状态发生改变,调节阀阀芯位移较小时流量系数曲线会出现剧烈波动。
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  Y形气动密封的弹流润滑仿真分析

  冯镇军, 聂雪阳, 徐明朗, 梁凤林, 周震寰, 孙家斌

  液压与气动. 2024, 48(8): 154-161. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.08.017

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  气动密封广泛应用于往复驱动机构中,其中摩擦力和泄漏量是评估密封性能的主要指标。使用弹流润滑理论建立气动往复Y形密封圈的数值分析模型,该模型耦合了流体力学、接触力学、微观变形。通过数值迭代求解获取密封区域内的油膜厚度、油膜压力和粗糙峰接触压力分布,以及单个行程内的流量和活塞杆表面的摩擦力。分析了Y形密封圈在不同气动条件下的弹流润滑特征以及密封性能。结果表明,增大密封压力会导致摩擦力和反向泵回率的增加,增大往复速度有利于减小泄漏量。
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  面向无人扫路机的高速开关阀噪声演变规律及影响因素研究

  黄秋芳

  液压与气动. 2024, 48(8): 172-181. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.08.019

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  面向无人扫路机的高速开关阀,在不同的驱动参数下,噪声呈现显著的差异。为了揭示驱动参数对高速开关阀噪声的影响机理,首先分析了高速开关阀的驱动参数与噪声特性的关系,建立了电-磁-流-固耦合的动力学模型,明确了驱动参数通过影响运动部件的受力及碰撞瞬间的速度来影响高速开关阀的噪声。其次,在液压半消声室搭建了高速开关阀噪声测量实验台,通过实验和仿真相结合的方法研究了不同驱动频率下的噪声演变规律,验证了驱动参数影响高速开关阀噪声机理分析的有效性。最后,研究了不同驱动电压和不同占空比对高速开关阀噪声源的影响,发现在相同占空比下,随着驱动频率的增大,噪声逐渐减小,在相同驱动频率下,随着占空比的增大,噪声逐渐增大。
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  带钢表面高压水射流清洗机理及试验研究

  胡志威

  液压与气动. 2024, 48(8): 182-188. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.08.020

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  高压水射流技术是冷轧带钢表面清洗的有效技术手段,为了探究高压水射流清洗带钢表面污垢的工作机理,基于计算流体力学理论建立了高压水射流打击力模型,分析了打击力与喷嘴压力和流量的关系。通过正交理论,开展了带钢清洗效果的试验验证,并对不同工况参数下带钢清洗后的表面形貌进行了分析。结果显示,工作压力对于提高带钢清洗后的表面质量影响最为显著。此外,适当增大清洗角度和喷射距离也有助于提高清洗后带钢的表面质量,为优化清洗工艺提供了重要的参考依据。
系统设计与研究
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  具有变超越负载的液压调平系统负载口独立控制方法

  魏列江, 都志航, 李娜娜, 王琳, 路全锋

  液压与气动. 2024, 48(8): 1-10. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.08.001

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  液压调平系统平台回落过程中存在超越负载,且随着负载重心偏移和平台倾角变化,作用于支腿液压缸的负载力也会随之变化。传统液压系统中负载控制阀或平衡阀在平衡变超越负载时速度控制效果差,容易发生速度抖动。为解决这一问题,采用负载口独立控制技术,针对平台回落时液压缸存在的变超越负载工况,提出对液压调平系统中液压缸有杆腔进行压力控制,无杆腔进行流量控制的压力-流量复合控制方法,建立其数学模型,并进行AMESim和Simulink联合仿真验证。结果表明,在负载力发生突变时,液压缸有杆腔压力和无杆腔流量均可在0.2 s内恢复至控制值,平衡掉系统变超越负载的同时,能够满足系统的速度控制需求。
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  基于LQR算法的矿井提升系统纵向振动抑制

  力文新, 黄曦, 宋字宇, 宋延廷, 杨哲明, 黄家海

  液压与气动. 2024, 48(8): 11-17. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.08.002

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  针对矿井提升系统钢丝绳弹性特性以及外部扰动导致的系统纵向振动,设计基于精确模型的线性二次型调节器抑制振动。基于广义Hamilton原理,建立扰动激励下摩擦提升系统纵向振动方程,并利用实验数据对模型正确性进行验证,为线性二次型调节器设计奠定了基础。仿真表明,线性二次型调节器控制算法对于外部扰动引起的系统振动有很好抑制效果,且对于驻车制动引起的振动也可以快速衰减,振动加速度减少了59.87%,收敛仅需1.37 s。为提升系统的振动控制提供了可行且有效的理论基础,为相关工程实践提供了有力的支持。
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  面向混合动力汽车液压再生能量控制策略研究

  郭丹丹, 黄玉萍

  液压与气动. 2024, 48(8): 93-103. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.08.010

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  针对混合动力汽车制动能量回收控制,提出了一种基于模糊Q学习的液压再生制动系统能量回收效率优化算法。建立了基于并联液压混合动力系统的汽车动力学模型,通过模糊Q学习法对汽车再生制动控制策略进行了优化。在此基础上建立了试验平台,验证液压再生制动仿真模型的准确性。与基于专家经验的模糊控制策略、动态规划算法相比,结果表明,经模糊Q学习算法优化的汽车节能率分别提高了9.62%和8.91%。
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  飞机燃油箱惰化试验飞行环境模拟系统设计

  张志强

  液压与气动. 2024, 48(8): 112-118. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.08.012

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  飞机燃油箱惰化试验是飞机燃油系统安全评估的重要内容。为检验飞机惰化系统设计的正确性以及机载测试设备在飞行环境下的工作可靠性,设计了飞机燃油箱惰化试验飞行环境模拟系统,用于地面开展飞机燃油惰化系统飞行模拟试验。应用所搭建的模拟系统,开展了模拟平飞、爬升、下降等过程的飞机燃油惰化系统试验,检验了新研发的机载燃油箱氧浓度测试设备的性能。结果表明:模拟系统能够提供飞行条件高低温、高低压的油箱外部环境模拟以及含油气、惰化气体、飞行晃动的油箱内部环境模拟,从而为飞机燃油箱惰化系统试验提供有力支撑。
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  泵控系统的积分终端滑模位置控制

  沈伟, 林银宁, 张广成

  液压与气动. 2024, 48(8): 119-127. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.08.013

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  为提高执行器的响应速度、鲁棒性和控制精度,提出了一种新型控制技术,将扩张状态观测器与反步积分终端滑模预设性能控制器相结合。首先,将非线性干扰观测器与扩张状态观测器融合,实现对状态量、外部干扰和匹配干扰的观测。然后,在控制器中引入积分终端滑模和规定性能约束,以加快执行器在位移误差远离平衡点时的跟踪误差收敛速度,并确保瞬态和稳态位置响应在要求的有界范围内。最后,基于李雅普诺夫方法对控制器进行稳定性分析。结果表明:在跟踪具有外负载干扰的复合轨迹情况下,设计的控制器能保证瞬态性能和规定的跟踪精度,与反步滑模控制器和PID相比,所提出的控制器具有更佳的控制性能。
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  阀控液压马达位置伺服系统长短时记忆神经网络预测抗扰反步控制

  柴凌云, 栾海英, 刘增元, 沈洲, 任翔

  液压与气动. 2024, 48(8): 128-136. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.08.014

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  针对阀控液压马达位置伺服系统中存在的时滞性与摩擦非线性问题,设计了一种长短时记忆神经网络预测抗扰反步控制器。该控制器通过引入长短时记忆神经网络对当前位置轨迹进行预测,并将预测值反馈给控制器对系统时滞进行直接补偿。对于系统中难以建模的摩擦非线性,将其视为扰动,通过设计扩张状态观测器进行估测,并使用反步法对估测得到的总扰动进行补偿。最后,在Simulink中搭建长短时记忆神经网络预测抗扰反步控制算法进行仿真验证,并与径向基函数滑模控制算法、反步控制算法和自抗扰控制算法进行对比,证明其在对含有时滞及摩擦非线性的阀控液压马达位置伺服系统进行控制时,具有较快的响应速度及较好的跟踪性能。
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  泵控液压拉伸垫节能系统设计

  刘春东, 王恒, 张勇斌, 安会江, 何松, 董志奎

  液压与气动. 2024, 48(8): 162-171. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.08.018

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  泵控液压拉伸垫是压力机上常见的机械组成部分,针对其运行过程中电机再生制动产生的回馈能量被制动电阻消耗而造成的电功率浪费的问题,设计了共直流母线和电容储能的混合节能系统及调控策略。首先研究了混合节能系统的各个模块,通过数学建模和分析从理论推导上说明设计的可行性。其次建立泵控液压垫液压系统与节能系统仿真模型,在负载力为20 kN下进行仿真分析。最后搭建泵控液压拉伸垫实验台进行实验验证。仿真与实验结果表明,混合节能系统能起到很好的节能效果,系统的节能效率达到了41.9%。