2024年, 第48卷, 第9期　
刊出日期：2024-09-15

  

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元件分析与优化
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  非全周开口滑阀阀控数字液压缸动态特性分析

  魏列江, 王琳, 展鹏, 单乐, 都志航

  液压与气动. 2024, 48(9): 1-9. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.09.001

  摘要 ( 21 ) PDF全文 ( 204 )   可视化   收藏

  现有阀控数字液压缸中集成的滑阀通常采用全周开口,其流量增益大、阀芯所受液动力大,严重影响数字液压缸的起动和切换时的动态响应特性。针对6种典型非全周开口滑阀结构,计算了各阀芯节流槽过流面积,确定了在过流面积相同的情况下,一级(U、V、K形)和二级(UU、UV、UK形)节流槽的结构参数;比较了不同结构形式的非全周开口滑阀的数字液压缸在阶跃信号下的响应和阶跃负载扰动的响应。仿真及实验结果表明:相较其他阀口形式,节流槽采用K形及UK形结构时,数字液压缸在阶跃输入信号下的响应较好;而相较于UK形节流槽,阀芯采用K形节流槽时,滑阀控制的数字液压缸的负载刚度更好,速度冲击更小,但活塞无杆腔建立工作压力较慢;阀芯采用UK形节流槽时,滑阀控制的数字液压缸的在相同负载干扰下响应速度更快。
系统设计与研究
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  水压人工肌肉驱动的串联式三自由度关节系统设计与试验

  王继祥, 车进凯, 张增猛, 杨勇, 侯交义, 弓永军

  液压与气动. 2024, 48(9): 10-17. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.09.002

  摘要 ( 33 ) PDF全文 ( 226 )   可视化   收藏

  为满足当前水下作业任务的需求,促进水下作业技术装备的发展,基于水压人工肌肉的拮抗驱动原理,通过对模块化人工肌肉关节的结构优化设计和组合,模仿肩肱关节搭建了一种串联式三自由度机械关节系统。首先介绍了该系统的整体设计及工作原理;其次分析了模块化人工肌肉关节驱动特性并建立了模块化人工肌肉关节的AMESim仿真模型;最后搭建了系统试验平台,并基于LabVIEW测控平台,采集了关节各自由度在人工肌肉±2 MPa的充水压差下对应的转角范围。
元件分析与优化
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  膜片式液压微位移执行器设计与特性分析

  贺伟, 国凯, 孙杰

  液压与气动. 2024, 48(9): 18-24. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.09.003

  摘要 ( 9 ) PDF全文 ( 97 )   可视化   收藏

  微位移执行器是实现高精度控制的关键装置,广泛应用于精密伺服系统、芯片生产以及超精密加工领域。针对传统微位移执行器结构复杂、输出力小、行程短等问题,提出基于帕斯卡原理的膜片式液压微位移执行器。首先,建立了复合载荷下执行器的力学模型,并采用逐次修正法推导了应力-应变的迭代求解式。其次,研究了执行器关键参数对执行器行程和应力的影响规律。在此基础上,建立了以材料强度和设计行程为约束的膜片式液压执行器的优化设计流程。最后,通过有限元仿真验证了执行器的驱动压力-位移特性、行程及负载能力。结果表明,执行器表现出良好的驱动压力-位移线性关系,此外其40 μm/mm的伸长率远优于压电陶瓷。在4 MPa的驱动压力下,执行器可实现1 mm的行程,并提供最大10790 N的输出力,即使在外负载为5395 N时仍能保持0.5 mm的行程。
系统设计与研究
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  双向液压机位移-力双变量高精度耦合控制方法

  武哲, 杨钢, 李宝仁, 甘润林

  液压与气动. 2024, 48(9): 25-32. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.09.004

  摘要 ( 9 ) PDF全文 ( 166 )   可视化   收藏

  针对双向液压机电液伺服系统中位移-力双变量高精度耦合控制需求,基于负载口独立控制结构设计了一种双向液压机位移-力耦合控制电液伺服系统,并建立了相应的数学模型,揭示了基于线性负载的位移-力耦合控制系统的物理规律,提出一种双向液压机位移-力耦合控制解耦方法,并通过仿真和试验平台对该方法有效性进行验证。结果表明,当系统运行稳定后,力的最大超调量为1.42 %,位移的最大超调量为0.8%,力闭环跟踪误差的标准差为447.5 N,位移闭环跟踪误差的标准差为0.037 mm。该方法实现了双向液压机位移与力的高精度耦合控制,增加了系统的自由度,为位移-力双变量耦合控制解耦方法的研究提供了新思路。
元件分析与优化
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  阻尼连续可调减振器热力学特性研究

  陈楠, 李尊, 谢方伟

  液压与气动. 2024, 48(9): 33-40. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.09.005

  摘要 ( 14 ) PDF全文 ( 105 )   可视化   收藏

  以阻尼连续可调减振器为研究对象,根据其结构特点和工作原理,对减振器的热力学特性开展了研究。建立了减振器热力学数学模型,结合减振器阻尼力和摩擦力,搭建了减振器热力学Simulink模型,进行了不同激励下的热力学仿真,并搭建实验台进行了实验验证。结果表明:相同激励下,工作电流为0 A时,减振器阻尼力热衰减最明显;建立的数学模型和搭建的热力学模型均具有较高精度,且计算效率较高,可用于减振器热力学特性的研究与预测。
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  复合运动下冲击活塞杆斯特封磨损寿命预测

  柳毅, 谢良喜, 侯军

  液压与气动. 2024, 48(9): 41-46. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.09.006

  摘要 ( 14 ) PDF全文 ( 67 )   可视化   收藏

  磨损是引发密封失效的主要因素之一。针对复合运动的冲击活塞杆斯特封进行磨损寿命预测研究,活塞杆复杂的运动方式导致传统实验方法操作复杂、成本高。基于实际工况建立往复回转密封磨损寿命预测模型,对斯特封密封结构进行有限元分析,得到滑环唇口节点坐标值以及接触压力分布,综合考虑复合运动,模拟唇口轮廓、接触压力和接触长度随磨损时间累加的演化过程,并以密封面接触压力小于最大工作油压作为判断密封圈失效依据,实现斯特封的磨损寿命预测;最后通过实验证明寿命预测的准确性。结果表明:随着磨损时间的累积,磨损速率逐渐减小,最大接触压力表现出先快速降低后缓慢降低的趋势,在该工况下的磨损寿命为64.8~70.2 h。
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  液压伺服滑阀工作边冲蚀行为及影响因素

  刘新强, 王聪, 冀宏, 林广, 齐铭桦, 肖尧

  液压与气动. 2024, 48(9): 47-53. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.09.007

  摘要 ( 11 ) PDF全文 ( 161 )   可视化   收藏

  液压伺服滑阀阀口工作边易受油液中颗粒污染物的冲蚀作用,诱发伺服阀性能退化。采用阀口工作边淹没射流冲蚀可视化实验和固液两相流数值计算方法,研究颗粒冲击工作边的冲蚀行为及影响因素。结果表明:颗粒冲击工作边的冲蚀行为主要有刮擦-滑动、碰撞-滑动、悬浮-翻转以及边碰行为;1.05 MPa 下,边碰行为颗粒的最大速度可达40.41 m/s,冲击能最高,且反弹速度最小仅4.59 m/s,对工作边产生的冲蚀破坏最大;1.2 MPa颗粒冲击比与边碰率比0.9 MPa和1.05 MPa更高,分别为46%和7%;冲击比和边碰率随粒径增大而增加;低黏度油液的冲击比和边碰率大于高黏度油液,黏度为0.01634 Pa·s时分别可达94%和17%。研究结果对揭示液压伺服滑阀冲蚀破坏机理及抗冲蚀设计具有重要意义。
系统设计与研究
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  闭式泵控液压-机械直线执行器的离散PID控制

  张佳瑞, 葛磊, 郝云晓, 黄伟男, 权龙, 刘乐凯

  液压与气动. 2024, 48(9): 54-60. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.09.008

  摘要 ( 11 ) PDF全文 ( 160 )   可视化   收藏

  液压驱动因其功率密度高、直线输出力大,广泛应用于装备制造领域。但非对称液压缸受两腔面积差的制约,在阀控系统中需要用非对称阀控制,在闭式泵控系统中需要增加额外的补油回路。而电动缸具有对称的输出力和较高的能效,解决了非对称液压缸面积差的影响,但功率密度低使电动缸难以满足低转速大扭矩的高负载工况。针对上述问题,提出了液压回转与机械直线转换相结合的新型驱动方式,采用闭式泵控马达驱动滚珠丝杠带动活塞杆动作。由于在闭环控制中单一的PID难以满足全负载工况,系统采用局部最小化优化方法自动寻找最优PID参数,生成离散PID图表并根据负载自动选择对应的PID参数控制以减小负载干扰。结果表明:离散PID自动调定的系统能避免负载变化产生较大干扰,在变负载和目标位移情况下,离散PID参数自动调整的响应曲线阶跃下降和上升的稳态误差最大分别为4.5 mm、3.0 mm。
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  山地农机行走装置电控负载敏感系统性能分析

  周山旭, 杨蕾

  液压与气动. 2024, 48(9): 61-71. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.09.009

  摘要 ( 11 ) PDF全文 ( 97 )   可视化   收藏

  针对目前液压油压力反馈式负载敏感系统响应速度慢、精度低,以及山地农机作业时的适应性问题,设计了一套电控负载敏感山地农机行走装置液压系统。在分析所设计系统工作原理基础上,采用AMESim搭建其仿真模型,研究其在启动、匀速、停止、爬坡、转向等作业工况以及流量饱和工况下的工作特性。通过仿真可知,所设计的电控负载敏感山地农机行走装置系统能按照各种工况要求实现指定动作,且系统中液压马达转速仅与对应的多路阀阀口开度有关,与所受外负载无关,系统运行稳定、操作性强。当系统出现流量饱和工况时,泵输出的流量会根据液压马达对应多路阀阀口开度等比例分配流量,使各个机构可以独立工作、互不干扰。所设计的电控负载敏感系统能够满足山地农机行走装置各种工作需求。
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  车辆支腿液压系统的自注意力池化图神经网络故障诊断

  郭媛, 李孟飞, 汪胜, 曾良才

  液压与气动. 2024, 48(9): 72-80. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.09.010

  摘要 ( 9 ) PDF全文 ( 133 )   可视化   收藏

  针对特种车辆支腿液压系统故障信号的复杂性、特征混叠等问题,提出一种基于自注意力池化图神经网络的车辆支腿液压系统故障诊断方法,并介绍了车辆支腿的常见故障模式和失效机理。将故障信号转换为2D特征图表示,并提出一种改进的3D结构的特征图。以故障特征图作为输入,将图卷积与自注意池化相结合进行特征提取,通过全连接层对提取的特征进行分类识别。结果表明:与2D特征图相比,所提3D特征图提高了模型2%~3%的诊断精度;与原来的池化方法相比,加入自注意力机制的图神经网络在支腿故障数据集上准确率提高了7%~8%,表现出了较高的诊断精度和稳定性,为液压系统故障诊断提供了方法参考。
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  轴向柱塞泵配流副油膜温度特性

  马少杰, 胡燕, 仉志强, 李林, 赵立全, 刘志奇

  液压与气动. 2024, 48(9): 81-88. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.09.011

  摘要 ( 19 ) PDF全文 ( 92 )   可视化   收藏

  柱塞泵配流副油膜温度分布影响配流副油膜润滑、泄漏与摩擦。为了探究轴向柱塞泵配流副油膜的温度分布,搭建了配流副三点油膜厚度与多点温度测试平台。根据采集的配流副油膜三点膜厚试验数据,建立了配流副楔形油膜模型;考虑了柱塞腔、配流副油膜对缸体的静压力、配流副表面微凸体间作用力,建立了缸体轴向力平衡方程;考虑了配流副油膜的能量损失、热传导以及油液黏温特性,建立了配流副油膜热平衡模型。结果表明,配流副油膜最高温度值随着压力和斜盘倾角的增大而增大,最高温度点位置保持在高压腰型槽对称线两侧-20°~20°的区域内;最高温度理论与试验结果的相对误差小于8%。
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  空气弹簧隔振器样机垂向刚度特性建模与实验

  杜畅, 付永领

  液压与气动. 2024, 48(9): 89-97. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.09.012

  摘要 ( 18 ) PDF全文 ( 127 )   可视化   收藏

  空气弹簧隔振器被广泛用于精密仪器和生产设备隔振,其刚度-重力平衡点位置关系,即刚度特性是分析其与其他新兴隔振技术相互作用的重要依据。依据理想气体状态方程建立了某型空气弹簧隔振器样机的垂向刚度特性模型。综合整机振动实验结果与密封橡胶膜的刚度特性测量结果,间接测量了实物样机中空气弹簧的刚度特性。基于实验数据修正了模型,采用幂多项式拟合了气室体积-重力平衡点位置改变量的非线性曲线。减少了模型的刚度计算误差,为后续技术改造奠定了基础。
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  基于径向基函数神经网络算法的高频转阀阀芯稳定性

  薛召, 陈泽吉, 贾文昂, 白继平

  液压与气动. 2024, 48(9): 98-107. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.09.013

  摘要 ( 9 ) PDF全文 ( 108 )   可视化   收藏

  针对伺服电机驱动高频转阀时受液动力矩变化影响造成高频输出精度下降的问题,以液压马达作为动力源,提出一种基于径向基函数神经网络算法的转阀阀芯转速控制策略。首先,搭建高频转阀阀芯转速控制系统的数学模型;其次根据数学模型在MATLAB/Simulink平台搭建仿真模型,对不同算法作用下阀芯转速控制特性进行仿真分析;最后建立高频转阀转速控制系统实验台,对不同算法作用下阀芯转速控制特性进行实验研究和理论验证。结果表明:与常规PID控制方法相比,基于径向基函数神经网络的高频转阀转速控制策略转速控制系统阶跃响应所需调整时间最少为0.16 s,超调量小;三角波与正弦波转速跟踪误差均值下降最大值分别为46.51%、53.69%;6 MPa、10 MPa下,转速稳态误差均值分别下降34.92%、38.26%。径向基函数神经网络算法有效提高了高频转阀阀芯转速控制精度。
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  热流固耦合下不同载荷对光热熔盐泵转子运行稳定性的影响

  权辉, 卢胜, 杜朝辉, 杜媛英, 李一飞, 钱晨

  液压与气动. 2024, 48(9): 108-116. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.09.014

  摘要 ( 8 ) PDF全文 ( 313 )   可视化   收藏

  光热电站熔盐泵转子系统由于其自身结构及外部载荷激励,在极端运行工况下难以维持运行稳定性。针对该问题建立有限元模型,分析了温度载荷、流场力载荷、离心力载荷等对熔盐泵转子的应力变形规律;设置4种不同轴段长度的转子模型,分析不同转子模态振型、固有频率以及临界转速等动力学特性。研究发现:转子结构中最大等效应力出现在首级叶轮叶片进口与前盖板交界处,最大变形出现在首级叶轮前盖板尾缘处,流场载荷与质量力载荷使应力与变形在叶轮上大致呈现中心对称分布,温度载荷使得叶轮产生较大的形变;对首级叶轮进行强度校核后,所选材料满足结构强度要求。模型转子的固有频率随中间轴段长度的增加而降低,湿态转子模型的固有频率略低于干态固有频率;其他转子的一阶临界转速均小于转子的设计转速,只有A9转子的临界转速满足±10%安全裕度,不易在运行过程中发生共振。研究结果对于该类型泵安全稳定运行以及在能源应用等领域具有重要的指导意义。
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  先导式电液比例溢流阀静态特性仿真与试验

  王昊, 陈志勇, 俞亚新, 金波

  液压与气动. 2024, 48(9): 117-124. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.09.015

  摘要 ( 20 ) PDF全文 ( 169 )   可视化   收藏

  先导式电液比例溢流阀是用来控制系统中油液压力的压力控制阀,可根据工况要求以电信号控制电磁力从而实现对液压系统的压力控制,由先导阀、主阀和手调安全阀组成。由于控制阀口通流状态较为复杂,采用流量经验公式和传统的液动力公式难以准确计算阀口通流量和阀芯所受液动力,数学模型计算结果与试验存在较大差异。为了较为准确地获得溢流阀的静态特性,采用Fluent软件分别对主阀和先导阀进行流场仿真计算,获得不同阀口开度和压差下的阀芯受力和阀口通流量。利用插值方式得到阀芯受力和阀口通流量的插值模型,据此求解静态数学模型,得到溢流阀静态特性曲线。结果表明,采用插值模型求解所得静态特性曲线与试验曲线的吻合度更高。
系统设计与研究
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  编织袋真空吸盘吸附能力与抓取排布策略

  牛虎利, 王浩, 张嘉钰

  液压与气动. 2024, 48(9): 125-133. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.09.016

  摘要 ( 20 ) PDF全文 ( 4 )   可视化   收藏

  柔性集装袋的稳定抓取是上料过程的重要环节,集装袋的抓取质量对后续包装工艺影响极大。为此,研究了真空吸盘对集装袋抓取质量的影响。使用真空吸附原理,通过设计气动真空系统并观察数显压力表中数值变化,建立吸附-悬垂理论模型并进行实验测量。研究真空发生器数量、吸盘数量与真空度的变化规律以及吸盘自身轴、径向变形失效临界参数,确定布局方式。最终,确定了抓取时真空度不得低于45 kPa,吸盘沿轴、径向变形失效临界值分别为4 mm、5 mm,为同类型柔性抓取提供了参考。
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  供气系统结构参数对空气悬架动态特性的影响

  任永, 丛建臣, 张广世

  液压与气动. 2024, 48(9): 134-143. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.09.017

  摘要 ( 16 ) PDF全文 ( 113 )   可视化   收藏

  为了减少乘用车空气悬架在车身高度调节时的超调量和调节时间,利用AMESim软件搭建开环空气悬架供气系统模型来模拟车身的上升过程。以车身高度调节的超调量和调节时间为评价指标,设计L₁₆(4⁵)正交试验,研究储气罐气压、电磁阀阀芯直径、管路内径、减振器阻尼系数对空气悬架供气系统性能的影响规律。结果表明:各个结构参数对空气悬架供气系统不同评价指标的影响程度不同;减振器阻尼系数对车身高度调节的超调量影响最大;储气罐气压对车身高度调节的时间影响最大。研究结果为空气悬架供气系统结构参数的选择提供了参考价值。结构参数经过优化设计,使车身高度超调量降低了35.24%,车身高度调节时间缩短了38.51%,空气悬架供气系统性能得到了明显提升。
元件分析与优化
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  接触面尺寸公差对航空齿轮泵性能阈值的影响

  张生福, 黎义斌, 魏列江, 井卫民, 李锦越

  液压与气动. 2024, 48(9): 144-154. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.09.018

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  接触面加工误差是影响航空齿轮泵性能的敏感因素,有必要研究接触面尺寸公差对航空齿轮泵外特性的影响规律。选取泵体内部3种主要接触面(泵腔内表面、齿顶面和齿面),分别建立存在尺寸公差的实际模型,并与无公差的理想模型进行对比。利用RNG k-ε湍流模型三维瞬态流场数值模拟,推导出基于公差的径向泄漏量数学模型,揭示不同接触面公差对泵外特性的影响规律。研究表明:接触面公差降低了容积效率,缓解了流量脉动与压力脉动,使得相邻腔室间压力梯度下降;其中齿面公差对泵的流量、压力特性最为敏感。齿面公差的存在使得容积效率、瞬时流量算术平均偏差及瞬时压力算术平均偏差分别下降4.7%、31.8%和39.3%。此外,齿面公差有效缓解困油区压力和减少齿轮激励力,而齿顶与泵腔接触面公差对其影响不大。
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  矿用开关电磁铁性能分析及优化

  王树胜, 周如林, 彭泽钦, 乔子石, 张阳

  液压与气动. 2024, 48(9): 155-162. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.09.019

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  目前,矿用开关电磁铁在本质安全和功率的双重限制下,依靠传统的电磁铁优化设计思路难以进一步提高输出力的匹配特性。以矿用电磁先导阀上的电磁铁作为研究对象,针对其输出电磁力与负载反力匹配性差的问题,通过有限元分析了电磁铁结构参数对输出力特性的影响,并采用有限元分析与多目标遗传算法结合的优化思路,对电磁铁输出力特性曲线进行了矫正。实验表明,极靴内径与衔铁外径尺寸匹配关系对电磁力特性影响显著,优化后的电磁铁力位移特性水平段增加了一倍,与负载反力匹配性得到明显提升。研究成果对提高综采工作面的跟机效率奠定了元件基础。
系统设计与研究
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  对称/非对称泵控非对称缸系统四象限工况运行特性对比

  刘乐凯, 葛磊, 夏连鹏, 权龙, 王君

  液压与气动. 2024, 48(9): 163-170. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.09.020

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  闭式泵控系统驱动非对称液压缸时,需要增加复杂的大流量补偿回路来补偿非对称缸两腔面积差引起的非对称流量。挖掘机作业负载力较小时,补油腔和控制腔频繁切换,补油阀开启状态不稳定,难以实时匹配大流量的油液补偿。同时大流量油液频繁流动造成速度和压力波动,产生液压冲击,影响系统的平稳性。提出非对称泵控非对称液压缸系统方案,利用非对称泵自身结构匹配非对称流量。以典型四象限工况执行器斗杆为对象,构建非对称泵控和对称泵控斗杆挖掘机仿真模型,对比研究运行特性。结果表明,该系统无需大流量补偿即可平衡非对称流量,消除了速度和压力波动,且发现四象限工况切换和速度、压力波动的产生是不同步的。
元件分析与优化
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  推力调节球阀流量特性参数化建模

  何广, 许健, 付剑

  液压与气动. 2024, 48(9): 171-178. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.09.021

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  调节阀广泛应用于工业自动化领域,用于精确控制流体的流量、压力、温度等参数。应用于可重复使用液氧/甲烷发动机推力调节系统的推力调节阀,为浮动阀座矩形窗口球阀,通过控制进入燃气发生器的甲烷及液氧流量来调节涡轮泵的功率,从而实现推力调节。首先对调节阀的流量特性进行理论建模。通过参数化分析调节阀阀座和阀芯的流通特性,提出了一种理论模型来预测阀的流量系数。采用CFD仿真和实验测定方法验证理论模型,并对比理论值、仿真值和测量值。结果表明,理论模型能较好地预测中等开度下的流量系数,但在极小和极大开度下存在偏差。最后指出了进一步研究和改进的方向,以提高模型在极端开度下的准确性。
系统设计与研究
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  混动叉车势能与制动能量联合回收系统设计及AMESim-Simulink仿真分析

  刘理想, 祝俊, 张立杰, 王博

  液压与气动. 2024, 48(9): 179-188. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2024.09.022

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  针对混动叉车频繁升降及起停制动造成能量损耗严重等问题,聚焦混动叉车势能回收与行车时双动力能源分配控制策略能效提升的关键技术,进行了混动叉车势能与制动能量联合回收系统设计。在传统混动叉车并联式混动系统基础上改进优化,运用前向建模思想搭建仿真模型。为实现精准控制液压缸位移,提出了一种模糊PID自适应控制系统;为优化混动叉车在行车时发动机和驱动电机的工作效率并进行制动能量回收,基于发动机最优工作曲线提出一种制动能量回收控制策略。最后基于JB/T 11988—2014制定多种工况,运用AMESim和Simulink进行多种工况下仿真对比试验,验证该方法有效性,实现能量回收效率提升,势能与制动能量联合回收效率最高可达56.86%。