机械工程学报

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序言

杨华勇

机械工程学报. 2018, 54(20): 1-3. https://doi.org/10.3901/JME.2018.20.001

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液压驱动机械臂势能回收利用研究工作进展

权龙, 夏连鹏, 赵斌, 葛磊

机械工程学报. 2018, 54(20): 4-13. https://doi.org/10.3901/JME.2018.20.004

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液压缸驱动的机械臂，由于自身重量较大，举升过程中会累积很大的重力势能，在下降过程经过液压阀的节流作用转换为热能耗散掉，不仅浪费能源，还需要额外的冷却装置进行散热，进一步增加系统的能耗和成本，解决方法是高效率地回收和利用这部分能量。对重力势能电气回收利用方式和液压回收利用方式的国内外研究现状进行全面的分析对比，根据重力势能回收和再利用过程能量的转换方式与传递路径，分析电气回收利用、蓄能器直接回收利用、闭式泵控与蓄能器组合回收利用、机械臂重力蓄能器预充压平衡四种方法的优点和不足。最后，对全新的能量转换次数少、传递路径短、各环节效率高的液压和电气混合驱动机械臂工作原理、能效特性做分析，并给出试验测试结果，研究成果对设计和推广应用高能效液压缸驱动的机械臂具有重要的指导意义。

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深海液压技术应用与研究进展

刘银水, 吴德发, 李东林, 邓亦攀

机械工程学报. 2018, 54(20): 14-23. https://doi.org/10.3901/JME.2018.20.014

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液压传动（包括油液压和水液压）具有刚性好、结构紧凑、承载能力高、功率重量比大、响应速度快等突出优点，在深海高压环境下压力补偿相对容易；同时，液压传动的失效模式为渐进式（如压力、流量逐渐下降等），给设备操作人员提供预警时间，可有效避免突发式的故障，提高设备的安全性，因此，液压技术在深海装备上得到了广泛的应用。在分析液压技术在深海装备中应用的优点的基础上，概述其国内外研究现状，介绍深海液压技术的几个典型应用：①潜水器浮力调节系统；②水下作业工具；③水下作业机械手。最后，对深海液压技术存在的问题进行了分析和展望，指出深海环境下介质特性变化和结构形变是需要关注的两个重要问题；随着元器件不断丰富和成熟，海水液压技术会在深海装备中发挥更大的作用。

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高温表面液滴沸腾模式及其定向运动的研究进展

刘亚华, 孙炎俊, 郭纯方, 赵丹阳

机械工程学报. 2018, 54(20): 24-39. https://doi.org/10.3901/JME.2018.20.024

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液滴碰撞高温固体表面因其相变换热过程广泛应用于内燃机、灭火装置和冷却系统等。在不同的固体表面温度下，液滴表现出不同的沸腾形式。其中，Leidenfrost状态因固液接触面气流层的隔绝作用阻碍热交换，成为阻碍高温换热的关键因素。然而，Leidenfrost状态因气流层带来的自润滑性使液滴在自迁移运动方面具有广泛的应用前景，已成为目前流体定向运动方向的研究热点。针对上述研究，通过文献调研，综述液滴在高温固体表面上的主要沸腾模式、固体表面Leidenfrost温度的主要影响因素，以及关于高温液滴自迁移运动方面的最新研究成果，分析讨论研究中存在的问题，提出未来可能的研究方向。

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气悬浮技术在无接触输运领域的研究进展

钟伟, 顾小玉, 黎鑫

机械工程学报. 2018, 54(20): 40-51. https://doi.org/10.3901/JME.2018.20.040

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在半导体、食品和医药等行业的生产制造过程中需要输运清洁和易损的产品。传统的接触式输运方式容易造成产品表面出现刮痕、裂纹，同时还存在静电和金属污染等诸多问题，已无法适应技术发展的需求。无摩擦非接触的方式在满足精度、洁净度和可靠性等要求方面具有极大优势。综述了国内外无接触悬浮技术的研究现状，概括对比了不同技术的特点、应用对象和场合、环境限制及复杂性。气悬浮具有清洁无污染、不发热、不生磁且构建简单等优势，是当前无接触输运领域的主流技术。气悬浮从实现方式上可分为负压吸浮和正压悬浮，着重阐述了两种方式的实现原理、研究现状及应用进展。在此基础上，深入分析了完全无接触气浮输运的实现方式、研究现状及存在的问题，并进一步指出无接触气浮输运技术的发展趋势，以期推动我国在相关领域的产业升级。

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计算流体力学方法分析一例喷射悬浮血泵的液力、悬浮及溶血特性

武悦, 朱良凡, 罗云

机械工程学报. 2018, 54(20): 52-58. https://doi.org/10.3901/JME.2018.20.052

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左心室辅助装置被用于治疗严重的心力衰竭，目前第三代左心室辅助装置采用液力悬浮或磁力悬浮手段，让转子悬浮在腔室中，从而完全避免机械磨损。然而，磁力悬浮需要主动控制和额外能耗，不利于长时间续航。而液力悬浮轴承间隙很小（通常小于100 μm），在这一微小间隙中，会产生高切应力和滞流点，从而造成血液损伤。为此设计一种采用新型喷射悬浮手段的血泵。该悬浮手段为被动式，且几乎没有额外的能量损耗。运用流体力学方法分析这一血泵的液力、悬浮和血液相容性能，进行试验验证，并对比新型悬浮血泵和没有喷射流道的参照泵的血液相容性。研究显示，喷射悬浮方式可以在较大的间隙下有效实现转子悬浮，且具有良好的血液相容性，对左心室辅助装置的发展有重要意义。

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基于模拟人类自然咳嗽的智能吸痰技术研究

石岩, 任帅, 蔡茂林, 许未晴

机械工程学报. 2018, 54(20): 59-63. https://doi.org/10.3901/JME.2018.20.059

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咳嗽是人体的一种保护性呼吸道反射。当呼吸道受到刺激后，通过咳嗽动作以排出呼吸道分泌物或异物，来保持呼吸道的清洁和通畅。然而对于重症监护室（ICU）中机械通气的患者来说，由于建立人工气道，不能产生有效咳嗽，痰液会淤积在呼吸道内进而危及生命。吸痰是机械通气病人保持呼吸道通畅，改善肺泡通气和换气功能的一种重要方法。然而现有的吸痰技术在效率、安全性及自动化方面存在严重缺陷。针对目前吸痰技术存在的问题，提出一种基于模拟人类自然咳嗽的智能吸痰技术，该技术采用压力-时间自适应控制算法，取代目前技术的开关控制，在安全性和效率方面有所提升。通过实验研究，该技术的数学模型和控制算法得到有效地验证。结果表明该技术对气道分泌物清除技术的发展具有很好的参考价值。

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高精度光声光谱定量成像系统的设计与应用

燕康, 张建辉, 张帆, 周瑛子, 龚小竞

机械工程学报. 2018, 54(20): 64-70. https://doi.org/10.3901/JME.2018.20.064

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冠状动脉内斑块的破损是引起急性心血管事件的主要原因。而对于斑块易损性的诊断，不仅需要掌握其形态特性，斑块的组成成分（尤其是脂质）、及其浓度的空间分布也是非常关键的信息。针对该需求，研发一套高精度的光声光谱成像系统，可以用于斑块成分的识别、分离、浓度定量分析，并在空间成像。与以往的研究相比，该系统通过透射式光声共焦的设计，大幅提高了系统信噪比，保证了光声光谱数据的精度；并且通过先光谱扫描，再移动样品的成像方式，保证了光声光谱与其空间来源对应关系的一致性；而结合多元曲线分辨的光谱解析算法，实现了样本中各成分的光谱分离和定量解析。对仿体和动物模型的试验，验证了本系统可以对脂质浓度的空间分布进行高效和高精度的成像。该系统的研发和试验，展示了光声成像技术应用于临床的极大潜力。

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组织工程骨支架内部微孔结构流场特性分析

杨立军, 张佳, 王哲, 闫程程

机械工程学报. 2018, 54(20): 71-80. https://doi.org/10.3901/JME.2018.20.071

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组织工程骨支架内部微孔结构对于营养液的渗入和细胞的长入有着至关重要的影响，也直接关系到支架是否能够代替缺损部位的骨骼，继续发挥其作用与功能。根据骨骼内部微孔结构的扫描电镜形貌设计三种微孔单胞模型，并利用ADINA有限元分析软件对组织工程骨支架微孔单胞模型内营养液的流动性能进行了数值模拟，得到不同类型微孔单胞模型内部流场的压力和速度分布，分析模型参数对营养液平均入口压力和流速的影响规律。结果表明：当营养液从微孔单胞模型的上端流入到下端流出时，最大压力均出现在入口部位且靠近单胞模型壁面处，营养液流速变化趋势是先增大后减少，且最大流速均出现在入口附近。随着连通孔径的增大，平均入口压力值减少，营养液流速值更大，且分布更均匀。对于带孔板-杆单胞和带孔板单胞而言，与连通孔径D相比，中心孔径D_s对平均入口压力和流速的影响很小。通过对比不同类型单胞模型，发现开口杆状单胞模型的平均入口压力更稳定，压力值更小，处于（0.300~0.412）Pa，且营养液流速更大，分布更均匀，且最大流速处于（0.011 8~0.013 1）m/s，更有利于营养液快速均匀渗入和细胞均匀的沉积。所取得的研究结果对组织工程骨支架内部微孔结构的优化设计、后续仿形建模的研究及快速成型制造奠定了基础。

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基于视觉导引与旋转接驳的自主水下航行器末端入坞研究

张涛, 李德骏, 彭时林, 夏庆超, 杨灿军

机械工程学报. 2018, 54(20): 81-88. https://doi.org/10.3901/JME.2018.20.081

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基于单目单灯的视觉导引和具有旋转能力的接驳站，自主水下航行器的末端入坞得到了研究。首先对末端导引入坞方案的基本原理包括方案中使用到的各个坐标系进行了描述；自主水下航行器、可旋转的接驳基站和视觉导引系统组成了用以验证末端导引入坞方案的试验平台；该方案采用的导引控制算法包括视觉导引算法、自主水下航行器入坞控制算法和水下接驳基站的旋转控制算法，而视觉导引算法主要包含图像获取、图像二值化、噪声点消除和目标位置估计四个阶段；在固定接驳基站和旋转接驳基站两种情况下，完成了自主水下航行器末端入坞的水池试验，水池试验结果验证了本文提出的末端导引入坞方案。该末端导引入坞方案的优点及需要改进之处在文章的最后进行了介绍。

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水平轴海流能发电机组独立变桨非对称载荷控制方法

刘宏伟, 何俊, 李伟, 林勇刚, 顾亚京, 王超助

机械工程学报. 2018, 54(20): 89-95. https://doi.org/10.3901/JME.2018.20.089

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海流的湍流特性、剪切作用等会在叶轮平面内引起非对称载荷。以120 kW水平轴海流能发电机组为对象，对基于Fuzzy PID参数自整定的独立变桨载荷控制策略进行研究以降低叶轮的非对称载荷。建立叶片旋转坐标系和叶轮固定坐标系，将叶片所受力和力矩转换到叶轮，得到叶轮的俯仰力矩和偏航力矩。对线性化后的机组载荷模型进行Coleman变换，将叶根弯矩变换到d-q坐标系，从而完成叶轮俯仰力矩和偏航力矩的解耦，独立变桨控制系统简化为SISO系统。桨距角控制器通过Fuzzy PID控制得到d-q坐标系下的桨距角输出信号，并经Coleman逆变换后输出给变桨执行机构，实现独立变桨。最后基于建立的海流发电机组Matlab/Simulink模型，对控制策略进行了仿真研究，仿真结果表明所提载荷控制方法可以有效地降低机组的非对称性载荷。

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液压型风力发电机组低电压穿越分层控制研究

艾超, 张亚滨, 陈汉超, 陈立娟, 孔祥东

机械工程学报. 2018, 54(20): 96-105. https://doi.org/10.3901/JME.2018.20.096

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为提高液压型风力发电机组的电网适应性和低电压穿越能力，针对机组低电压穿越过程中的能量调控问题，提出一种基于分层控制思想的低电压穿越控制方法，即设计出基于风力机调桨控制的顶层控制、基于变量马达摆角控制的中层控制和基于节流阀开度控制的底层控制。为实现机组在控制过程中多变量的协调控制，以风力机弃风最小、惯性储能最大和节流阀能耗最小为优化目标，采用二次规划算法对多目标控制律进行规划，得到了最优控制律。通过AMESim和MATLAB/Simulink软件对多目标控制策略进行仿真分析，利用液压型风力发电机组半物理试验平台对控制律进行了验证。结果表明，所提出的控制方法可以有效降低机组在低电压穿越过程中的剩余能量，降低对发电机的冲击，提高机组的适应性。

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风诱导塔振动对塔气动特性影响研究

邱雅柔, 唐迪, 包士毅, 高增梁

机械工程学报. 2018, 54(20): 106-114. https://doi.org/10.3901/JME.2018.20.106

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塔设备风诱导振动对卡门涡脱落及气动特性的影响规律研究对于塔设备共振预测和设计计算十分重要，对塔设备振动下的气动特性问题进行数值模拟研究。采用数值求解N-S方程结合Transition SST湍流模型的方法模拟塔设备周围气流的非定常流动，获得塔外表面的风压系数分布，并结合试验数据验证了文中模拟方法的准确性；继而将塔设备振动简化为正弦运动，采用弹簧动网格技术实现网格动态生成。研究了塔设备振动频率以及振幅的变化对横向力系数、阻力系数和涡脱落频率等气动参数的影响规律，结合塔设备共振条件，指出了气动特性的改变对塔设备共振预测的影响规律。

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绊线对H型风轮启动特性的影响

朱建勇, 阳尧, 陈权, 刘沛清

机械工程学报. 2018, 54(20): 115-122. https://doi.org/10.3901/JME.2018.20.115

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为了提高H型风轮的启动性能，在叶片上安装绊线对风轮进行流动控制，通过对某三叶片H型风轮进行风洞试验，得到风轮在不同相位位置的静扭矩分布以及启动过程中转速随时间变化曲线。分析绊线在不同风速下对H型风轮启动特性的影响效果，并确定绊线作为流动控制手段的适用风速范围。结果表明：绊线使得风轮在大部分相位位置处的静扭矩得到提高，但是在个别相位位置的静扭矩减小；从启动曲线角度来看，在风速10~12 m/s，绊线能够缩短风轮的启动时间，增大风轮的最大空载转速；在风速13~14 m/s，绊线略微缩短风轮启动时间，有/无绊线风轮几乎对应相同的最大空载转速；在风速15~18 m/s，有/无绊线风轮在线性加速段的转速曲线几乎重合，绊线使得风轮的启动时间延长，最大空载转速得到提高。因此，在低雷诺数工作条件下，绊线对于提高H型风轮的启动性能和功率输出是有效的流动控制手段。

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转速对EHA泵柱塞副柱塞位姿及泄漏量影响仿真分析

吕飞, 徐兵, 张军辉

机械工程学报. 2018, 54(20): 123-130. https://doi.org/10.3901/JME.2018.20.123

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斜轴式轴向柱塞泵作为电动静液压作动器（Electro-hydrostatic actuator，EHA）液压系统的重要元件，高转速、高工作压力是实现其小型化、轻量化的重要手段。柱塞副是斜轴式轴向柱塞泵中重要的两对摩擦副之一，对斜轴式轴向柱塞泵的工作状况起着直接影响。随着缸体转动，柱塞在缸体柱塞孔中的位姿朝着各个方向不断变化，柱塞副泄漏量也随之变化。为准确得到高速高压下柱塞副的泄漏量并给出解释，充分考虑柱塞受力情况，通过对离散化的柱塞副油膜雷诺方程和力平衡方程进行迭代求解，使用柱塞端面偏移量来确切描述了柱塞在缸体柱塞孔中的位姿随转速的变化情况，据此给出了柱塞副泄漏量模型，分析了转速变化对柱塞位姿和柱塞副泄漏量的变化的影响。结论为EHA泵的设计提供了适当的理论指导。

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基于LuGre模型的气动位置伺服系统摩擦补偿控制

魏琼, 焦宗夏, 王君, 李书廷

机械工程学报. 2018, 54(20): 131-138. https://doi.org/10.3901/JME.2018.20.131

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气动伺服系统的摩擦力/驱动之比较大，摩擦力模型复杂、受影响因素较多且存在一定的不确定性，导致精确建模比较困难；另一方面，摩擦力和气体的低刚度、弱阻尼特性相互作用导致爬行、黏滑振荡现象，严重影响了伺服系统的动态及稳态性能的提升。在综合考虑摩擦力特征、系统自身非线性、未建模动态不确定性及摩擦力和系统性能相互影响的基础上，结合LuGre摩擦模型，采用双观测器估计摩擦力模型中的部分不确定性参数，提出非线性自适应反步摩擦补偿控制方法。通过在低速和高速工况下分别进行试验验证，并与PID控制方法进行比较，结果表明非线性自适应反步摩擦补偿控制方法有效改善了起步阶段的动态滞后现象，减少了低速工况下爬行及高速工况下的黏滑振荡现象，提高系统的响应速度及跟踪精度。

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低压下锥阀振荡空化的可视化试验研究

闵为, 王东, 郑直, 欧培伟, 冀宏

机械工程学报. 2018, 54(20): 139-144. https://doi.org/10.3901/JME.2018.20.139

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锥阀是压力控制阀中常用的阀结构形式，其阀芯的轴向振荡直接影响着压力控制阀的调压精度和工作稳定性。针对先导级锥阀，运用可视化的试验方法，研究锥阀在弹簧预压缩量不变且开启压力低于2.5 MPa时的阀芯振荡过程和阀口空化现象。结果表明，阀芯的振荡型态与流量密切相关。在流量低于2.0 L/min的失稳振荡现象中，阀芯会撞击阀座，阀口处流场瞬间断流，大量气泡在阀口尾部快速溃灭，并出现明显的回弹现象；在流量高于2.6 L/min的失稳振荡现象中，阀芯不会撞击阀座，阀口处出现有空化和无空化两种情况，且有空化失稳振荡时的阀芯振动和压力波动幅值明显大于无空化时；流量介于2.0~2.6 L/min时，阀芯的失稳振荡处于过渡区间，撞击阀座和不撞击阀座的现象都可能出现。

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基于固体颗粒尺寸分布的微孔滤膜堵塞机理分析

卢继霞, 郭瑞宇, 王成, 卢文豪, 赵修琪, 王珊

机械工程学报. 2018, 54(20): 145-151. https://doi.org/10.3901/JME.2018.20.145

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滤膜堵塞法是一种半定量的油液污染度检测方法，研究固体颗粒尺寸分布与滤膜堵塞机理的关系有助于该检测方法的定量化。利用AC细粉尘及煤粉配制了8种不同尺寸分布的悬浮溶液，选择了10 μm、15 μm两种不同尺寸的微孔滤膜，对其堵塞机理与溶液中固体颗粒尺寸分布的关系进行试验研究。基于膜孔尺寸将颗粒划分为可通过颗粒、敏感颗粒、架桥颗粒及易挡孔颗粒，将溶液恒压下通过微孔滤膜的流量衰减曲线与经典堵塞模型的堵塞指数相结合，分析不同类型颗粒在膜孔堵塞中的作用以及不同颗粒尺寸分布对应的滤膜堵塞机理。分析结果表明，微孔滤膜堵塞机理与溶液尺寸分布规律相对应，与膜孔尺寸的选择无关；溶液中的敏感颗粒越多，对滤膜的初始堵塞会越严重，越易形成滤饼；对于可通过小颗粒较多、敏感颗粒和架桥颗粒适量、易挡孔颗粒较少这种液压系统中常见的颗粒尺寸分布规律，微孔滤膜的堵塞以标准堵塞-滤饼过滤为主要机理。首次从颗粒尺寸分布的角度分析微米级滤膜堵塞机理，分析结果有助于建立滤膜通量与固体污染颗粒尺寸分布之间的关系，从而提高滤膜堵塞法的油液污染度检测精度。

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边界滑移对柱塞偶件间油膜流动规律的影响

刘赵淼, 尉舰巍, 郑会龙, 张谭, 康振亚

机械工程学报. 2018, 54(20): 152-158. https://doi.org/10.3901/JME.2018.20.152

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斜盘式轴向柱塞泵内柱塞偶件间油膜为相对运动的偶件提供润滑及密封作用。油膜流动将直接影响柱塞偶件的工作性能。深入分析偶件间油膜的流动规律对设计与优化柱塞偶件有重要意义。基于Navier-Stokes（N-S）方程，引入Navier边界滑移推导偶件间油膜流动方程，根据柱塞运动的周期性规律，分析单个周期内滑移长度和柱塞泵转速对油膜流动剪应力及流量的影响。研究发现：吸油阶段时近柱塞壁面处油膜剪应力随滑移长度增大而减小，流量随着滑移长度增大而增大，柱塞运动速度最大且滑移长度由1 μm增大到3 μm后，剪应力减小18%，流量增大13.59%；排油阶段柱塞运动速度越大，近柱塞壁面处剪应力和油膜流量与无滑移条件下的差距越小。在滑移长度为1 μm的条件下柱塞泵转速由1 500 r/min增大到4 000 r/min时，近柱塞壁面处的油膜剪应力与无滑移条件下相比降低明显，一个周期内油膜总流量与无滑移条件下相比差距减小。

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液压驱动单元位置控制系统前馈补偿控制研究

俞滨, 巴凯先, 王东坤, 刘雅梁, 李文锋, 孔祥东

机械工程学报. 2018, 54(20): 159-169. https://doi.org/10.3901/JME.2018.20.159

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液压驱动型足式机器人在运动过程中各关节液压驱动单元（Hydraulic drive unit，HDU）多采用基于液压控制内环的外环阻抗控制方法，其中液压控制内环可分为位置闭环控制和力闭环控制。当液压控制内环采用位置闭环控制时，其位置控制性能直接决定了外环阻抗控制性能，所以，一种针对HDU的高精度的位置控制方法具有重要研究意义。针对以上研究意义，首先对HDU位置控制系统6阶数学模型进行简化，求出位置控制系统中各部分传递函数。其次，推导位置控制输入前馈补偿控制器，该控制器中含有液压系统固有非线性和负载特性。最后，在HDU性能测试试验平台上，在多种典型输入信号以及对角小跑输入信号下，对系统的位置控制性能进行试验研究并给出定量分析。试验结果表明，在不同输入信号下，加入所提出的输入前馈补偿控制器可以大幅提高系统位置控制性能，并且该控制器具有良好的多工况适应性。以上研究成果可结合相应的针对位置控制系统的抗干扰控制策略，一起为基于位置的阻抗控制液压内环控制提供控制策略重要参考和试验基础。

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液压式人体行走能量回收装置设计与回收效果分析

施虎, 汪政, 何彬, 梅雪松, 贾坤

机械工程学报. 2018, 54(20): 170-179. https://doi.org/10.3901/JME.2018.20.170

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人体行走时足底蕴藏着丰富的能量，该能量的有效回收可有效缓解穿戴电子产品、助力外骨骼等设备的能量供给问题。设计出一种将行走能量转化为液压能的能量回收机构，可供采用液压驱动的人工外骨骼循环利用。为弥补现有行走能量回收研究中往往忽略下肢行走动力学的不足，在分析步态特征的基础上，建立单腿行走过程的三自由度动力学模型。以正常成年人为对象研究单个步态周期内足底对地面作用力随时间和足部位姿的变化规律，得到行走过程中足地作用力及其水平和竖直方向分量，以及力和人行走方向夹角与足部动作的关系。依据行走能量分布规律，设计了液压式能量转化机构和存储系统用以收集行走过程中足地竖直方向作用力产生的能量，分析液压能量回收效果，结果表明无负重时单足能量回收装置的液压能输出平均功率高达20 W。

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摆盘式液压关节的结构设计与节能控制

杨军宏, 冯勇, 尚建忠, 罗自荣, 王卓, 吴国恒

机械工程学报. 2018, 54(20): 180-188. https://doi.org/10.3901/JME.2018.20.180

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为提高液压驱动移动机器人的能量利用效率，研制出一种摆盘式液压关节。该关节输出转矩大，结构紧凑，体积小，易于加工，可连续回转。摆盘式液压关节内部具有多个液压缸，通过开关阀控制不同液压缸的不同腔体与高压油路连接，使关节在负载压力与泵的输出压力相等的情况下，实现关节的输出力矩与负载力矩相匹配，同时降低单泵源多执行器系统中控制阀阀口前后压差导致的大量节流损失，提高了液压系统的能量利用效率。详细介绍了该液压关节的机械结构和基本原理，对摆盘式液压关节进行了运动学和动力学的理论分析，设计了液压关节的负载匹配控制器，并进行了仿真试验与分析，分析结果表明：摆盘式液压关节能够在实现输出力矩与负载力矩相匹配的同时，保证较好的位置跟踪误差，并较大幅度地降低液压关节的能量损失。

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欠驱动形状自适应气动夹具夹持稳定性

姚双吉, 石岩, 赵丁选, 陆震

机械工程学报. 2018, 54(20): 189-196. https://doi.org/10.3901/JME.2018.20.189

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欠驱动夹具有一定的包络和强力抓取能力，但由于欠驱动机构的存在，夹持系统更容易因外界干扰影响其稳定性。夹持构型及欠驱动元件的设计参数对欠驱动夹具的夹持稳定性影响尚未被揭示。提出通过分析夹具夹持状态小位移与力的关系，建立欠驱动夹具动力学方程，得到欠驱动夹持接触物体的等效刚度。对被夹持物体的动力学方程建模，构造能量函数，得到判定欠驱动形状自适应包络夹持的动态接触稳定性刚度矩阵。以平面二关节对称夹持为例分析，结果表明若夹持接触点位置对称分布，接触点处的等效接触阻尼C和等效接触刚度K分别相等，则夹持系统是渐近稳定的。进一步得到：系统中每个弹簧刚度和阻尼参数满足与夹持构型相关的一定比力关系时，可以保证夹持的渐近稳定性。研究结果可以用来分析判定欠驱动夹具的稳定性条件，指导欠驱动夹具的夹持构型及参数设计，对提高欠驱动机械夹具工作安全性和可靠性有重要意义。

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液压挖掘机动臂自重液-气储能平衡方法研究

夏连鹏, 权龙, 杨敬, 赵斌

机械工程学报. 2018, 54(20): 197-205. https://doi.org/10.3901/JME.2018.20.197

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液压挖掘机在作业中，动臂将高频次大范围举升和下降，现有挖掘机无能量回收装置，大量势能将在动臂下降时通过控制阀的节流作用浪费掉。为回收利用这部分浪费掉的能量，对动臂自重液-气储能平衡方法进行研究，在此基础上，提出采用三腔液压缸直接转换利用挖掘机重力势能的系统原理。三腔液压缸是在原两腔液压缸基础上，将双腔液压缸无杆腔分为两个容腔而构成，其中一个容腔与蓄能器连接，称为配重腔，设置蓄能器压力与动臂自重基本平衡。研究中，首先建立动臂驱动系统的能耗数学模型，分析系统的能量特性；然后以20 t挖掘机为例，建立整机的机电液联合仿真模型，分析对比分别采用双腔液压缸系统和三腔液压缸系统，动臂的运行特性和能耗特性；进一步构建试验测试平台，验证所提系统的可行性和节能效果。结果表明，新系统较双腔液压缸驱动系统，重力势能回收利用率达68%，节能效果显著，该方法也完全适用于各种类型的液压举升机构。

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车辆换档用2D数字缓冲阀的研究

张啟晖, 熊伟, 阮健, 关广丰, 熊庆辉, 王祖温

机械工程学报. 2018, 54(20): 206-212. https://doi.org/10.3901/JME.2018.20.206

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传统的车辆换档液压缓冲阀主要依靠节流小孔以及弹簧的相互作用来控制离合器内油液的压力，使其在一段时间内缓慢的上升，但其调节灵活度低，适应性较差，为此首次提出采用2D数字技术应用于车辆换档缓冲领域，设计2D数字缓冲阀，利用2D数字先导阀芯产生的推力推动主阀芯运动，进而控制缓冲阀出口的油液压力。介绍2D数字缓冲阀的结构和工作原理，并建立2D数字缓冲阀的数学模型，利用Matlab和AMESim对其模型进行联合求解，最后进行仿真分析和试验研究。研究结果表明：2D数字缓冲阀的线性度为9.25%，滞环为0.106；2D数字缓冲阀输出油压实现了换档过程中离合器内油压的变化要求，其缓冲特性的控制精度达到10.52%；缓冲阀的仿真和试验结果趋势是一致的，验证了联合仿真模型的正确性。

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液电混合驱动液压挖掘机动臂特性及能效研究

李泽鹏, 权龙, 葛磊, 夏连鹏, 郝云晓

机械工程学报. 2018, 54(20): 213-219. https://doi.org/10.3901/JME.2018.20.213

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液压挖掘机作业时，动臂频繁升降，举升过程中工作装置集聚的大容量重力势能，在下降时经控制阀转换为热能耗散掉，不仅造成非常大的能量损失，也使油液温度快速升高，需附加额外的冷却装置进行散热，油温的升高也常常引发液压系统故障。为此，提出电动缸为主、液压缸-蓄能器组合为辅的液电混合动臂驱动解决方案。动臂下降时，工作装置的重力势能转化为液压能存储在蓄能器中；动臂举升时，存储在蓄能器的液压能驱动液压缸辅助电动缸驱动动臂，电动缸仅需驱动惯性载荷和物料重力。在研究中，建立了液电混合驱动动臂的试验样机，对其运行特性和能效特性进行了试验测试。结果表明，较无重力势能回收的进出口独立控制系统，相同工况下，液电混合驱动方式降低能耗达72.7%，显著提升了挖掘机动臂举升系统的能量效率。

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双斜盘阀配流轴向柱塞式液压电机泵配流特性和变量原理的研究

朱碧海, 钱鹏程, 姬增起

机械工程学报. 2018, 54(20): 220-234. https://doi.org/10.3901/JME.2018.20.220

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提出一种有别于常规阀配流泵的"斜盘转动而缸体不动"而采用缸体和配流阀一起旋转的双斜盘阀配流轴向柱塞式液压电机泵。建立该泵配流机构的数学模型，研究各种结构参数和工作参数对配流特性的影响，尤其是配流阀芯所受离心力对配流特性的影响。以仿真模型和得出的单个柱塞腔的压力响应曲线和输出流量曲线为基础，研究该类型泵流量脉动和侧向力脉动的特点，得出随着泵的工作转速增加，流量脉动和侧向力脉动都增大，当柱塞数量足够多时，柱塞数量的奇偶性在影响流量脉动上没有明显的区别，偶数个柱塞比奇数个柱塞产生的侧向力脉动要大。提出一种新型的阀配流轴向柱塞泵的变量调节方式，并研究该变量方式的原理和调节特性。样机泵的试验结果表明该泵的工作原理可行，进而展望双斜盘阀配流轴向柱塞式液压电机泵的应用前景。

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磁控形状记忆合金驱动特性及其在液压阀驱动器中的应用分析

施虎, 何彬, 汪政, 梅雪松

机械工程学报. 2018, 54(20): 235-244. https://doi.org/10.3901/JME.2018.20.235

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磁控形状记忆合金（Magnetic shape memory alloy，MSMA）是近年来新兴的一种智能材料，兼具传统智能材料如压电和超磁致伸缩材料响应快以及温控形状记忆合金应变大的特点，非常适合作为高性能驱动元件。在分析MSMA变形机理的基础上推导出材料的本构方程，引入温度作为材料变形影响因素修正了模型，并改进现有方程在材料预压力不为零时无法准确描述其变形的不足。试验测试了MSMA材料的变形特性，并基于试验数据建立神经网络模型以模拟变形过程中应力、应变等参数的非线性耦合关系。试验结果表明，该材料的体积能量密度可达70 kJ/m³，而能量转换效率高达80%。以高速开关阀为例研究了MSMA驱动高性能液压阀时的输出特性，完成了阀的结构设计、驱动器磁路和阀的流场仿真。阀芯驱动系统动态分析结果表明，MSMA直接驱动液压阀芯系统频率可达200 Hz以上，动态响应时间为5 ms。

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磁珠分离式样品提取微流控芯片的磁珠运动速度建模及特性研究

顾佳鎏, 朱鋆峰, 李松晶

机械工程学报. 2018, 54(20): 245-250. https://doi.org/10.3901/JME.2018.20.245

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为提高磁珠分离式生物医学样品的提取效率，采用永磁和软磁体相结合的磁场设计结构，提出一种新型磁珠分离式样品提取微流控芯片。利用静磁学和流体力学基本原理推导出流场中磁珠运动的速度模型，通过多物理场耦合仿真软件对流场中磁珠运动规律进行瞬态仿真，分析软磁体的结构和分布对微流道内磁珠的水平分速度以及竖直分速度的影响关系，计算不同设计结构所允许的磁珠完全吸附时微流道中最大允许流量。结果表明，增大软磁体的厚度可以快速减小磁珠水平运动的速度，并减小其在垂直方向上的波动，且在双软磁体作用时，软磁体的间距越大，水平方向和垂直方向的速度波动越大；间距越小，磁珠粒子速度稳定的时间越短。

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高温环境对射流管伺服阀偶件配合及特性的影响

李长明, 訚耀保, 汪明月, 王法全

机械工程学报. 2018, 54(20): 251-261. https://doi.org/10.3901/JME.2018.20.251

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针对射流管伺服阀高温试验中出现的不规则、不可重复的特性，提出将阀体、阀套、阀芯均简化为规则金属体，根据带残余应力的规则金属体在变温度场内的尺寸变化规律，分析了温升对偶件配合的影响及其与伺服阀故障之间的映射关系。结果表明：高温环境下，铝阀体与钢阀套的径向间隙变大，且阀套在轴向获得一定的自由移动空间，破坏了压装其上的接收器与射流喷嘴的空间位置关系，导致伺服阀性能不规则且不可重复；同种钢质但配合表面发生磨削烧伤的阀芯与阀套之间的径向间隙会减小，易出现卡滞，导致伺服阀流量波动或跳跃。提出了改进措施：将接收器尾部增设定位销，使阀体与阀套连为一体；增设锁紧螺钉防止在长期温度交替时接收器由于阀体的膨胀收缩而"拔出"；锁紧环内侧加装蝶形簧片，其预压缩变形量大于阀体与阀套伸长量之差时，可消除阀套的轴向自由活动；磨削过程中，适当加大冷却液的流速可加快散热，并对阀芯、阀套的配合表面进行硬度筛查。高温试验结果与理论分析相一致。

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基于流量前馈与压力反馈复合控制的电液负载敏感系统

程敏, 于今, 丁孺琦, 蔡乐平

机械工程学报. 2018, 54(20): 262-270. https://doi.org/10.3901/JME.2018.20.262

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为提高现有负载敏感系统动态和能耗特性，提出一种基于流量前馈与压力反馈复合控制的电液负载敏感系统。该系统通过负载实时流量需求来前馈控制变量泵斜盘摆角，并结合压力裕度反馈控制对泵排量进行调节，具有响应速度快，稳定裕度高和压力裕度低等特点。以现有压力反馈型和流量前馈型电液负载敏感系统为对比研究对象，建立系统数学模型，并在响应速度、阻尼性能等方面进行对比理论分析，还基于2 t液压挖掘机的试验平台进行对比研究。研究结果表明，相比现有压力反馈型负载敏感系统，所提出的系统具有较高的响应速度和阻尼性能，并且可减小压力裕度目标值以降低系统能耗；此外，所提出的系统通过压力闭环实现供需流量动态匹配，从而避免了由流量过匹配造成的压力冲击和能量损失。

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基于迭代学习算法的电液比例伺服控制

彭熙伟, 何砚高

机械工程学报. 2018, 54(20): 271-278. https://doi.org/10.3901/JME.2018.20.271

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为解决电液比例控制系统的非线性、时变性、变流量死区及变流量增益等对系统位置控制精度的影响，提高电液比例控制系统的控制精度，针对系统的非线性特性，设计不严格依赖于系统精确数学模型且有较强抗干扰能力的迭代学习算法，同时针对系统的变死区特性，设计能够基于误差和误差变化率在线调整死区补偿量的模糊死区补偿算法。迭代学习算法和模糊死区补偿算法的综合使用是根据当前的控制经验灵活调整控制量，从而有效地改善由于系统非线性及时变性所带来的影响。试验结果表明，不加入模糊死区补偿时，系统位置跟踪存在明显的滞后，最大位移跟踪误差达到6 mm，而同时采用迭代学习算法和模糊死区补偿算法极大的提高系统的控制性能，系统达到稳定跟踪后，最大位移跟随误差在1 mm以内。

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转阀控制式脉冲波生成方法

刘毅, 王登, 郑堤

机械工程学报. 2018, 54(20): 279-286. https://doi.org/10.3901/JME.2018.20.279

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脉冲波浪的模拟产生及其对海洋工程结构冲击的研究已成为研究的热点。为更真实地模拟高能量的冲击波浪，提出一种转阀控制式脉冲波生成方法，利用Matlab/Simulink工具进行新方法数学模型的数值分析，研制出转阀控制式推板造波试验装置，并进行试验验证。研究结果表明：转阀控制式推板造波系统能够实现波幅在确定推板频率下进一步提高，且易于叠加生成脉冲波浪；试验水槽中的水深对生成波浪的波幅有一定的影响，水深越深，生成脉冲波波幅也越高；脉冲波波幅的大小取决于系统中的阀口轴向开度和供油压力的控制，且阀口轴向开度和供油压力设定越大，脉冲波波幅越高。新的造波方法对指导大功率电液控制式造波装置实现更大能量脉冲波浪具有重要的工程价值。

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基于双线性插值控制策略的比例流量阀特性研究

王灏, 黄家海, 权龙, 王鹤

机械工程学报. 2018, 54(20): 287-296. https://doi.org/10.3901/JME.2018.20.287

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当前液压调速阀通常采用机械式压差补偿器或动态流量器等方式实现输出流量的精确控制，但存在机械结构复杂、通流量小，以及输出流量受负载影响大等不足。提出一种基于双线性插值的流量补偿策略，并将该策略应用到以Valvistor阀为主阀的比例流量阀中，形成具有数字流量补偿功能的比例流量阀，其包括主阀、先导阀、压力传感器和流量补偿器，压力传感器的作用是检测反馈主阀进、出口压力；流量补偿器以主阀进、出口压力和设定流量为输入变量，经双线性插值计算后，流量补偿器输出流量校正控制信号，调节先导阀开口以补偿主阀口压差变化对输出流量的影响，从而实现流量的精确控制。建立该比例流量阀的简化数学模型（不考虑流量补偿器），研究发现输出流量、先导阀输入电压与主阀压差平方根之间存在着线性关系，基于此特征，设计基于双线性插值算法的流量补偿器，并利用仿真和试验对该流量阀的动、静态特性进行研究；结果表明该流量阀输出流量具有良好的静态控制精度且受主阀压差变化的影响较小；若主阀口压差越大，则主阀芯动态响应会越快；对于由负载压力阶跃变化产生的主阀压差而言，若主阀压差越大，则系统流量抗干扰能力随之减弱。

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基于气隙组合永磁弹簧的直动式溢流阀优化设计

党堃原, 杨丽曼, 李运华, 司国雷, 陈君辉, 王文杰, 刘宇辉, 权龙, 赵斌

机械工程学报. 2018, 54(20): 297-303. https://doi.org/10.3901/JME.2018.20.297

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航天伺服系统高压大流量的特点，对溢流阀的可靠性、稳压精度和推重比提出了更高的要求。然而大推力下的螺旋压缩弹簧一般体积较大，并且服役期间存在卡死、疲劳断裂、塑性变形等失效模式，给伺服系统带来安全隐患。提出一种基于气隙组合永磁弹簧的直动式溢流阀结构，非接触式的永磁弹簧可避免上述失效和卡死故障，采用气隙组合的优化设计得到了理想的刚度曲线，不仅可有效提高推重比，同时可以减小大刚度带来的开启瞬间压力波动。在此基础上结合有限元仿真与迭代优化，精确设计了凸缘结构来补偿液动力，进一步提高了稳压精度。仿真结果表明，气隙组合永磁弹簧溢流阀具有良好的动静态指标，其设计方法为永磁弹簧在液压系统中的应用提供参考与借鉴。

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D+A组合控制多泵源液压系统泵阀复合控制研究

曹晓明, 郭宝峰, 王佩, 姚静

机械工程学报. 2018, 54(20): 304-311. https://doi.org/10.3901/JME.2018.20.304

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针对传统大功率多泵液压阀控系统中由于泵源输出与负载流量需求不匹配，导致液压系统传动效率低下的问题，在数字泵PCM控制概念的基础上提出一种基于数字+模拟（D+A）组合控制多泵源液压系统。通过流量区域划分方法，给出该系统的构型原则，其中定量泵组排量比采用二进制编码，由1台变量泵补偿定量泵的阶跃流量差值；建立多泵源液压系统流量状态矩阵，通过求解得到泵组的控制信号；为了减少阶跃流量冲击对系统控制特性的影响，提出多泵源液压系统泵阀复合控制策略，并对该系统输出特性进行试验研究。试验结果表明在泵阀复合控制策略下，多泵源液压系统具有良好的动静态特性和节能效果。正弦位置跟随精度达到±0.1 mm，滞后约为100 ms；由于采用D+A组合流量控制和比例溢流阀压力控制，始终使多泵源液压系统输出的流量和压力分别高于负载所需要流量10 L/min和压力2 MPa，使该系统的溢流和节流损失大大降低。

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一种双级式直接驱动作动器的非线性建模与分析

罗成洋, 姚建勇, 余永平, 刘辉, 徐强

机械工程学报. 2018, 54(20): 312-319. https://doi.org/10.3901/JME.2018.20.312

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直接驱动作动器作为一种性能优越的机载作动器，具有结构简单、重量轻、体积小、费用低、静态泄漏小、功耗低、可靠性高等诸多优点。通过阐述某双级式直接驱动作动器的工作原理和特性，介绍一种基于状态方程的建模与分析方法；为了满足飞行器日益增长的性能要求，针对现有线性方法的局限性，分析液压系统固有的非线性与不确定性；考虑到磁滞对非线性系统所带来的震荡和误差会对系统的性能产生很大影响，因此，建立含磁滞的电动机非线性模型；分析余度伺服控制系统以及其他非线性环节，譬如输入约束、死区、滤波等；最终建立整个直接驱动作动器的非线性状态方程，利用MATLAB/SIMULINK进行仿真运算，并将仿真结果与实验数据对比，对比结果验证了所提出建模方案的准确性。

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一种新型井下排水采气泵的设计与仿真

童华, 陈明旸, 祝效华

机械工程学报. 2018, 54(20): 320-329. https://doi.org/10.3901/JME.2018.20.320

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为进一步满足低压、低产气井的排水采气作业需求，降低运行成本，完善排水采气工艺，提出一种适用于直井、斜井、水平井，仅依靠储层中的天然气作为动力来源的新型井下排水采气泵。该泵基于气动增压原理，利用多级气缸增压并以机械闭环的控制方式驱动往复泵机构工作，从而将井筒内的积液泵送至地面。介绍新型排水采气泵的结构和工作原理，阐述工作流程并具体分析驱动气缸的控制方式与运动换向逻辑；建立排水采气泵的数学模型；最后，利用MATLAB/Simulink进行动态特性仿真，研究包括驱动气缸活塞直径、驱动气缸活塞行程、控制阀开关行程和换向阀阀芯直径在内的结构参数对系统动态特性的影响以及在不同载荷、驱动压力与增压比下的工作特性。通过仿真计算，确定了排水采气泵的结构参数，同时为实际运用中的选型提供了参考。

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立式捏合机桨叶间隙、螺旋角对搅拌扭矩和功率特性的影响

梁建, 罗小辉, 李锡文, 史铁林

机械工程学报. 2018, 54(20): 330-337. https://doi.org/10.3901/JME.2018.20.330

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以1 L两桨叶立式捏合机为研究对象，采用CFD方法系统性地研究立式捏合机桨叶结构参数（间隙、螺旋角）对搅拌牛顿流体（玉米糖浆）的搅拌扭矩和功率消耗的影响关系。立式捏合机仿真模型与试验数据进行对比验证，确保了模型的可信度。研究结果表明，减小桨叶间隙或增大桨叶螺旋角可增大桨叶搅拌扭矩和功率消耗。减小桨叶螺旋角可增加桨叶捏合作用时间，减小桨桨间隙或增大桨叶螺旋角可增大桨叶捏合作用强度。一定范围内，桨桨间隙c₁=3.0 mm、螺旋角β_k=35°时，空心桨平均扭矩取得最小值0.046 93 N·m；桨桨间隙c₁=1.0 mm、螺旋角β_k=55°，空心桨平均扭矩取得最大值0.068 73 N·m。搅拌牛顿流体时，立式捏合机功率准数N_pM与雷诺数R_eM为线性关系，并且桨桨间隙对立式捏合机功率特性曲线的影响大于桨叶螺旋角的影响。

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后记

孔祥东

机械工程学报. 2018, 54(20): 338-338. https://doi.org/10.3901/JME.2018.20.338

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刊出日期：2018-10-20

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