双圆弧斜齿齿轮泵轴向力较大,影响容积效率和寿命,为设计平衡装置需准确计算轴向力。建立“圆弧-渐开线-圆弧”齿廓方程并推导理论排量计算公式,通过理论分析与计算建立液压轴向力、啮合轴向力与理论排量的关系,然后给出计算端面油膜轴向力的简化仿真模型,利用动态流场仿真模型验证了理论计算公式和简化仿真模型结果的准确性,结果表明,液压轴向力、啮合轴向力大小相等且与齿轮转角无关,最终得到齿轮所受总轴向力的计算方法,为轴向力平衡装置的设计提供了依据。

针对反向随动式比例阀先导阀芯的负载特性,设计了力-位移型驱动比例电磁铁。分析了比例电磁铁中影响输出力的关键结构隔磁环及衔铁对输出力特性及动态特性的影响规律,基于仿真计算结果进行了结构优化,搭建了试验台对研制的比例电磁铁进行测试,试验结果与仿真结果具有良好的一致性,结果表明:当衔铁长度为32 mm且前端为圆角、隔磁环前倾角为29°时,比例电磁铁的水平输出特性较好。所设计的比例电磁铁可满足反向随动式比例阀先导阀芯的驱动要求。

轴向柱塞泵因其高效、高压的特性广泛应用于各类工程装备液压系统,然而,当泵在高转速、小流量工况下运行时,泵入口易发生空化现象,导致泵的效率和可靠性降低。针对轴向柱塞泵入口离心式叶轮的增压特性展开研究,采用CFD仿真方法对入口离心式叶轮的压力-流量特性进行分析,揭示了增压过程中空化现象的产生机理,探究叶轮对入口自吸能力及空化特性的影响规律。结果表明:通过优化离心式入口的几何结构和调整工作参数,可以有效抑制空化现象,提升轴向柱塞泵的效率和可靠性。前置离心式叶轮可以提高柱塞泵进口压力,随着转速的增加增压效果明显提升,有利于解决柱塞泵的吸空问题;离心叶轮的蜗壳结构扭曲,且叶片数过多,导致离心叶轮的水力性能较差;从整泵压力分布来看,当柱塞与减振槽沟通时,压力变化迅速;从气蚀模拟结果来看,进口区域的转子油窗及柱塞内腔易发生气蚀。

为研究自旋转液压支架旋转支撑结构的动态特性,建立支架的刚柔耦合模型,将关键部件视为柔性体并划分刚性区域,分析4种工况下自旋转液压支架各柔性体在升降和旋转时的应力变化,得到千斤顶、齿轮、底座最大应力的变化曲线。结果表明:在升降过程中,千斤顶在空载时承受最大动应力为40 MPa;在受到100 kN冲击载荷工况下,千斤顶承受最大动应力为70 MPa。在旋转过程中,千斤顶、齿轮、底座在空载时承受最大动应力分别为28 MPa,12 MPa,14 MPa;在受到100 kN冲击载荷工况下,千斤顶、齿轮、底座承受最大动应力分别为90 MPa,13 MPa,28 MPa。

为了探究不同叶片数对垂直轴风力机载荷特性的影响,使用风洞实验方法研究了2,3,4,5叶片数的垂直轴风力机载荷特性的影响规律,另外,不同叶尖速比的影响也包含在讨论中。结果表明,随着叶尖速比增大,叶片数与叶片奇偶性会依次呈现在载荷波动特征中且增加叶片数能降低载荷波动,低叶尖速比、少叶片数更容易诱发H-VAWT的低频共振;高叶尖速比下,H-VAWT载荷会出现不随叶片数变动始终存在的倍频成分;从载荷时域波动特性与标准差统计结果来看,在进行H-VAWT设计时,应当优先选用奇数叶片。

电磁铁的动态响应特性对于电磁阀的性能来说至关重要。利用有限元电磁仿真软件Maxwell 3D建立了电磁铁瞬态仿真模型,并利用试验结果验证了模型的准确性;随后针对影响电磁铁动态响应特性的关键特征参数,即零件配合间隙和线圈温度对电磁铁动态响应特性的影响规律进行了研究。研究发现,零件配合间隙的存在会使电磁铁内部磁路产生漏磁的现象,从而导致其开启时间随着配合间隙的增大而延长,而关闭时间则随着配合间隙的增大而缩短;此外,无论是线圈自发热还是环境温度变化的影响,线圈温度的增加都会延长电磁铁的开启时间,同时也会缩短其关闭时间。值得注意的是,线圈温度的增加有可能会会影响电磁铁的正常开启。

针对高温高压阀门产生的热膨胀卡死及热疲劳失效问题,以高温高压上装式球阀为研究对象,基于计算流体动力学(CFD)和热流固耦合技术,探究了其流场特性及结构耦合应力应变,并分析了阀座密封副接触应力。研究结果表明:小开度工况时,球体节流部位存在明显的速度梯度变化,并出现了局部的高速射流;随着开度增大,球体进出口区域的高速流均向球体内流道延伸,形成了贯穿球体的高速带。在热流固耦合工况下,阀杆的温度梯度较大,易产生大的热应力与热变形;阀盖颈部散热片强化了与空气的对流散热,防止了填料因高温氧化而板结,确保了阀门密封可靠性。在热应力与压应力叠加作用下,阀杆下端产生了明显的应力集中,最大耦合应力为179.79 MPa,最大耦合应变为0.004 4 mm;由于阀盖主要的换热方向是从内壁到外壁侧,故其最大耦合应力应变位于内壁侧。由应力评定结果知:阀杆与阀座密封面最大耦合应力均小于相应温度下材料的最大许用应力,故该阀门不会出现过载压溃失效问题。

探究了商品化自动传动液(Automatic Transmission Fluid, ATF)中偏酯摩擦改进剂(Friction Modifier, FM1)与Ca清净剂(Detergent, Det1)影响摩擦特性的协同作用。采用Wazau TRM5000盘盘型摩擦试验机,按照JASO M349标准,对7种不同配方的油样进行了系统评估,结果表明,单独使用该FM1或Det1均不具备抗颤性或抗黏滑抖动性;FM1与Det1复配使用后,抗颤性和抗黏滑抖动性,以及摩擦耐久性均大幅提升,可满足商业化ATF的需求。扫描电子显微镜(SEM)与X射线能谱(EDS)分析显示,两者复配油样在摩擦表面形成了致密且稳定的摩擦膜,验证了FM1与Det1在摩擦表面的协同吸附作用,即推测是2种分子链互相穿插吸附在金属表面,形成彼此支撑的、参差不齐、不规则的吸附膜。这种彼此穿插吸附的结构使得FM1的烷基链在摩擦中不会发生构型变化,以保持良好的摩擦耐久性;而FM1分子也会固定且保护其周围的Det1分子,分担其摩擦微环境的苛刻度,避免其过快分解。探究FM和Det对ATF抗颤性的影响,对ATF油品的改进升级有指导意义。

针对常规分级固井工具密封件耐温、耐腐蚀性能差,无法满足复杂井下工况要求的问题,设计了全金属内置弹簧增强型组合密封结构。采用三维建模和有限元分析软件建立了组合密封结构的三维模型,分析了常温初装状态、高温300 ℃工作状态下组合密封应力分布及变形情况,以及不同温度、压力和预装过盈量对组合密封结构密封性能的影响。分析结果表明:在常温预装状态和高温300 ℃工作状态下,等效应力最大值分别为454.29 MPa和662.66 MPa,满足设计要求。随着温度增加,密封结构最大等效应力与最大接触应力均呈先增大后缓慢减小的趋势,最大接触应力在300 ℃时为891.70 MPa;随着工作压力增大,密封结构的最大接触应力值在587~601 MPa,具有良好的承压性能,在低压及高压环境下均能保障密封可靠;随着初始压缩量的增加,等效应力与接触应力均呈增大趋势,由仿真结果可以得知,初始预装过盈量在0.15~0.25 mm范围时,结构的变形较为合理,密封性能符合要求。设计的金属密封分级固井工具样机井下关闭后整体密封性能测试结果为耐温300 ℃整体承压71 MPa,验证了组合密封结构的合理性和可靠性,为全金属内置弹簧增强型组合密封结构设计和应用提供了理论参考依据。

铁路货车轮对轴承压装机液压系统固有的非线性、时变性、离散性特性,使得系统的输入与输出关系复杂。传统的PID控制器参数整定方法依赖于经验或试错法,在复杂工况下难以找到最优参数组合,导致控制效果不理想,无法满足高精度压装的需求。为此,提出一种铁路货车轮对轴承压装机液压传动控制方法。基于液压系统的工作原理,明确液压系统由液压泵、液压缸、控制阀和液压管路等组成,且活塞位移是核心控制参数。将活塞位移作为控制变量,设计PID控制器,考虑到液压系统离散性,对PID控制器进行离散化处理以提高控制精度。针对液压系统非线性、时变性,采用人群搜索算法对离散化PID控制器比例、积分和微分增益参数进行优化,找到最优参数组合,实现液压传动控制。实验结果表明,优化后的PID控制器显著提高了活塞位移的控制精度,压装力曲线与期望值基本吻合,积分时间绝对误差控制在0.2以内。说明该方法有效抑制了系统非线性的影响,为铁路货车轮对轴承压装机液压传动控制提供了一种精准的解决方案,具有重要的工程应用价值。

阀控液压马达是发电机组的关键部件,其转速稳定性易受液压油体积波动、泄漏及压力瞬态失真等因素影响,导致转速波动较大,为解决该问题,提出一种误差补偿下液压型发电机组阀控液压马达恒转速控制方法。结合马达泄漏与压力瞬态变化进行输出误差补偿,获取定量泵与液压马达的泄漏补偿结果及压力瞬态补偿结果;基于所获取的补偿结果,通过输出误差补偿环节对主控制器的输出实施补偿,实现达到液压马达恒转速控制。实验结果表明:所提方法在第3 s受突变影响后,利用0.6 s即可恢复至恒转速状态,说明该方法能够有效实现液压型发电机组泄漏与液压型发电机组压力瞬态优化的高精度补偿,保证发电机组的输出处于稳定的运行状态。

可变叶片泵是一种多级分层输出的流量泵,是机电液设备驱动系统重要的动力部件,在节能减排目标下,需要增加叶片泵的流量输出并且抑制其流量脉动。针对不同工况下可变叶片泵流量脉动性能以及温升热失控造成驱动系统不稳定的问题,在叶片泵驱动控制和热控制系统结构基础上,对其流量脉动性能和温升性能影响进行分析,构建了叶片泵控制系统仿真模型,采用预测模型控制方法实现变工况下叶片泵稳定性控制,通过分析可变叶片泵性能试验结果可知,叶片泵稳定性能提升至97.23%,温升控制在有效范围内,降低热失控发生率,抑制了流量脉动引起的失稳现象。

为了拓宽水液压泵的应用市场,提出了一种将叠轮传动机构作为水泵运动转化机构的新型结构,并研究其动态性能。首先介绍叠轮式轴向恒压变量水泵的工作原理,然后搭建轴向恒压变量泵样机的综合试验台,对变量水泵进行磨合试验、空载及负载流量特性试验,测试其基本性能参数,最后通过对试验结果进行分析,进一步验证了叠轮式轴向恒压变量水泵结构的可行性。

以吉林大学《液压与气压传动》课程为例,根据“新工科”建设应用型人才培养要求,借助OBE+CDIO教育理念,针对传统教学体系中存在的问题开展教学体系转型研究。从创新教学理念、教学模式改革、教师队伍建设以及完善课程考核机制等方面入手,为实现《液压与气压传动》课程的教学改革目标提供新思路,以期全面提升教学质量,增强学生的创新思维、实践操作以及知识运用能力,培养满足工程需求的应用型人才。

当前许多职业院校开设了液压气动技术相关的实训课程,但因场地限制或设备数量不足,很难将复杂的液压气动综合实训平台应用于实际教学过程。针对上述问题,基于数字孪生技术,设计了面向《液压传动与气动》课程实验的机械手臂综合教学设备,并根据该套实训设备对液压气动技术实训课程的教学内容开展研究。内容涉及液压气动基础知识认知、机械手臂组装、气动(液压)回路连接、控制系统设计和数字孪生综合调试,各教学单元均分为虚拟调试部分与实体实操部分。学生独立在虚拟设备中完成设备认知与系统仿真调试后,再分组分批次对实体设备进行实操练习与功能验证。通过该虚实相济的教学模式以减少教学过程中对实体设备的数量需求,使学生在实训学习过程中有更多的练习机会,助力了液压气动技术实训课程教学质量的提高。

对气体工质过流运载火箭、航天器中动力系统节流元件后的压力特性进行了理论推导,并分别对不同来流滞止压力、不同节流面积条件下氦气、空气工质节流后压力进行了计算和对比。在来流滞止压力及节流面积一定的条件下,氦气节流后压力低于空气,该压力特性差异不会随节流面积变化而显著改变。通过对氦气、空气工质节流后总压损失及动压分配比例的理论推导和计算,得到主导二者节流后压力特性差异的因素随节流面积变化而转变,当节流面积较小时,氦气节流后突扩段总压损失显著高于空气,总压损失为二者压力差异的主导因素,随着节流面积增大,总压损失占比逐渐下降,动压分配比例差异逐步占主要影响因素,氦气节流后充分发展段动压占比高于空气,且随着节流面积增大,二者的动压占比差异逐渐增大。

发动机驱动泵(EDP)是飞机液压系统的核心动力元件,在民机35 MPa压力体制液压系统低温试验中发现EDP恒定输出压力升高约0.69 MPa的现象,该现象会增加系统水锤效应、噪声和振动。通过理论和试验分析,得出造成该现象原因包括低温下油液黏度增加、阀门和泵动态特性变化、柱塞泵内部机械零件的摩擦增加等,可通过选用低温特性良好的元件和液压油、增加加热装置、定期维护保养和检查等措施预防和解决。措施对民机液压系统温度控制和压力控制具有指导作用,助力35 MPa高压液压系统的研发。

随着经济的持续增长,节能降碳工作成为企业提高竞争力的有效措施,也是液压技术应用发展的必然趋势。通过分析伺服阀流量-压力特性曲线,研究稳态情况下阀芯位移与负载流量、负载压力三者之间的函数关系,当负载压力不大于系统压力的2/3时,伺服阀流量-压力特性曲线线性度最好,并希望伺服阀工作在该区间;液压泵泄漏量的大小与工作压力成正比,液压泵工作压力越高、泄漏系数越大、排量越小、转速越低、则液压泵的容积效率越低;当负载压力等于系统压力的2/3时,为液压执行元件的最大功率点,且最高效率为67.7%;三相异步电机功率与线电压、线电流、功率因数、电机效率成正比。依据以上原则,某钢厂板坯连铸结晶器液压振动系统原设计压力30 MPa,优化为26 MPa,每月减少用电费成本200多万元,不仅减少了能源消耗成本,还提高了设备运行稳定性和液压元件使用寿命。

某型液压电动泵在飞机上起动时,发现与液压电动泵电连接器线缆串联的断路器会发生脱扣现象,通过对液压电动泵的液压泵和三相异步交流电动机进行摸底试验,确定了断路器脱扣的原因是液压电动泵的电动机起动时间和起动电流与断路器工作特性不匹配。为有效解决该问题,制定了以下措施:降低液压泵的额定出口压力,将电动机的导条和端环材料由铜更换为铸铝来增大转子电阻,减少定子匝数,增大绕组导线并绕根数以加强电机转矩特性。经过试验验证,以上措施有效解决了液压电动泵起动时断路器脱扣的故障。