Journal of Zhejiang University

Current Issue: <JZUS-A>

Journal of Zhejiang University-SCIENCE A (Applied Physics & Engineering)

ISSNs 1673-565X (Print); 1862-1775 (Online); CN 33-1236/O4; started in 2000, Monthly.

JZUS-A is a peer-reviewed physical and engineering journal, indexed by SCI-E, Ei Compendex, INSPEC, CA, SA, JST, AJ, ZM, CABI, ZR, CSA, etc. It mainly covers research in Applied Physics, Mechanical and Civil Engineering, Environmental Science and Energy, Materials Science and Chemical Engineering, etc.

Impact factor: 0.408 (2011), 0.527 (2012), 0.608 (2013), 0.882 (2014), 0.941 (2015), 1.214 (2016), 1.215 (2017), 1.369 (2018), 1.490 (2019), 2.263 (2020).

Journal of Zhejiang University SCIENCE A

ISSN 1673-565X(Print), 1862-1775(Online), Monthly

2022 Vol.23 No.4 P.243-334

Cover:

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Contents:

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CONTENTS

Special Issue on Flow Control & Smart Valve

Guest Editor-in-Chief and Guest Editors: Jin-yuan QIAN, Wei WU, Min CHENG,Jun-hui ZHANG

Editorial

Editorial: Practice of flow control and smart valves

Jin-yuan QIAN, Wei WU, Min CHENG, Jun-hui ZHANG

DOI: 10.1631/jzus.A22FCSV1 Downloaded: 5 Clicked: 18 Cited: 0 Commented: 0(p.243-246) <Full Text>

Chinese summary <2> 流动控制与智能阀门的实践

作者：钱锦远^1,5,吴维²,程敏³,张军辉^4,5
机构：¹浙江大学，能源工程学院，化工机械研究所，中国杭州，310027；²北京理工大学，机械与车辆学院，中国北京，100081；³重庆大学，机械与运载工程学院，中国重庆，400044；⁴浙江大学，机械工程学院，机电控制技术与工程研究所，中国杭州，310027；⁵浙江大学，流体动力与机电系统国家重点实验室，中国杭州，310027
概要：工业互联网的不断发展对阀门的小型化、数字化、多功能性和系统化产生了更迫切的需求。值得注意的是，如果阀门工作在高温高压环境中，或在纳米流体、压缩氢和过热蒸汽等新型流体中，阀门流动的智能控制则显得尤为重要。开发精确度高、响应速度快、参数反馈准确、远程操作方便且具有故障在线即时诊断和故障安全保障等功能的智能泵阀迫在眉睫。为此，本专辑收集了在该研究领域具有代表性的研究成果，介绍了流动控制和智能阀门实践的最新发展，希望能帮助读者快速了解智能泵阀及其流动控制技术在各个领域中的应用，推动该领域的发展，并为智能泵阀的设计制造和流动控制的实现提供科学依据和技术支撑。

关键词组：智能泵阀；流动控制；精确调节；故障诊断

Research Articles

Seal contact performance analysis of soft seals on high-pressure hydrogen charge valves

Zhen-hao LIN, Long-jie YU, Ting-feng HUA, Zhi-jiang JIN, Jin-yuan QIAN

DOI: 10.1631/jzus.A2100395 Downloaded: 456 Clicked: 733 Cited: 0 Commented: 0(p.247-256) <Full Text> <PPT > 7

Chinese summary <3> 高压充氢阀软密封接触性能分析

作者：林振浩¹，于龙杰¹，华霆锋¹，金志江^1,3，钱锦远^1,2
机构：¹浙江大学，化工机械研究所，中国杭州，310027；²浙江大学，流体动力与机电系统国家重点实验室，中国杭州，310027；³浙江大学，温州研究院，中国温州，325036
目的：充氢阀阀座良好的软密封性能是保障高压储氢瓶氢气不泄漏的一个关键因素。本文旨在探讨密封预压缩量、密封宽度和氢气压力对软密封元件接触压力和接触间隙的影响规律。
创新点：建立非线性有限元分析模型，在不同预压缩量、密封宽度和氢气压力下对密封接触特性进行动态分析。
方法：1.建立不同预压缩量的数值模型，比较分析在不同密封预压缩量下接触间隙和接触压力在密封面上的分布（图6）；2.建立不同密封宽度的数值模型，对比分析在不同密封宽度下密封间隙和密封压力的动态变化过程（图9）；3.改变氢气压力值，比较在不同氢气压力下软密封的应力强度和接触特性（图10和11）。
结论：1.密封面上的接触压力随着预压缩量的增加而增大；当预紧压缩量减小到一定值时会出现接触间隙大于零的区域。2.随着密封宽度的增加，密封面上的接触压力和密封面之间分离区域的宽度也随之增加。3.随着氢气压力的降低，密封面之间的分离区域的宽度相应减小。

关键词组：充氢阀，密封接触性能，高压储氢罐，有限元分析

Hydraulic directional valve fault diagnosis using a weighted adaptive fusion of multi-dimensional features of a multi-sensor

Jin-chuan SHI, Yan REN, He-sheng TANG, Jia-wei XIANG

DOI: 10.1631/jzus.A2100394 Downloaded: 443 Clicked: 685 Cited: 0 Commented: 0(p.257-271) <Full Text> <PPT > 7

Chinese summary <3> 基于多传感器多维特征加权自适应融合的液压换向阀故障诊断

作者：施锦川，任燕，汤何胜，向家伟
机构：温州大学，机电工程学院，中国温州，325035
目的：通过研究提出一种自适应融合多传感器信息的故障诊断方法，以解决故障信息不足和冗余问题。
创新点：1.异构传感器信息融合方法增强了特征集的故障表达能力，从而可以表征多种故障类型（电磁故障和机械故障；2.个性化加权方法（熵权法和注意力机制的使用）增强了有效信号，削弱了干扰源；3.提出了一种多样化的特征提取方法，获取的多维特征集具有健壮完整的健康信息。
方法：1.通过多类型传感器信息融合，获取丰富的故障信息；2.基于熵权法、注意力机制自适应选择故障敏感故障特征。
结论：1.所提方法为液压换向阀内部故障诊断提供了技术支持，其最高平均准确率可以达到99.82%；2.采用该方法在液压换向阀多传感器信息融合过程中具有自适应性，既能充分利用故障类别的敏感信息，又有助于减少冗余信息的干扰。

关键词组：液压换向阀；内部故障诊断；加权多维特征；多传感器信息融合

Dynamic performance and control accuracy of a novel proportional valve with a switching technology-controlled pilot stage

Qi ZHONG, En-guang XU, Ti-wei JIA, Hua-yong YANG, Bin ZHANG, Yan-biao LI

DOI: 10.1631/jzus.A2100463 Downloaded: 261 Clicked: 303 Cited: 0 Commented: 0(p.272-285) <Full Text> <PPT > 7

Chinese summary <2> 基于开关先导技术的新型比例阀动态性能及控制精度实验研究

作者：钟麒^1,2,3，徐恩光^1,3，贾体伟^1,3，杨华勇²，张斌²，李研彪^1,3
机构：¹浙江工业大学，机械工程学院，中国杭州，310023；²浙江大学，流体动力与机电系统国家重点实验室，中国杭州，310027；³浙江工业大学，特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室，中国杭州，310023
目的：两级换向阀通常采用比例先导控制技术，其缺点是存在死区、泄漏和先导阀运动质量大等问题，难以保证主阀的快速响应性能。因此，本文旨在提出一种采用两个独立高速开关阀的切换先导技术替代传统的先导比例阀，以提高主阀的动静态性能。
创新点：1.设计一种以高速开关阀组为先导桥路的新型两级液压阀；2.设计基于分段式比例积分微分（PID）的主阀芯位移控制算法；3.运用切换先导技术，明显改善主阀的动静态性能。
方法：1.通过理论分析研究先导级供油压力（公式(16)和(17)）和高速开关阀驱动频率（公式(19)和(20)）对主阀动静态性能的影响；2.在先导级采用自适应供油压力驱动算法（图7），而在主级采用分段式PID主阀芯位移控制算法（图10）；3.通过实验分析，验证本文提出的切换先导技术的控制效果（图12~15）。
结论：1.通过理论分析和实验论证，证明了切换先导技术方案的可行性；2.先导级供油压力和高速开关阀驱动频率对主阀动态性能和控制精度有很大影响。3.通过增大先导级供油压力，可以提高主阀21.5%的快速响应性能，但同时会造成较大的稳态误差。4.通过增加高速开关阀的驱动频率，可以将主阀的稳态误差控制在20μm内，并提高16.7%的静态性能。

关键词组：先导式比例阀；切换先导级；高速开关阀；动态性能；控制精度

Mechanism analysis and evaluation of thermal effects on the operating point drift of servo valves

Jian KANG, Zhao-hui YUAN, Jing-chao LI

DOI: 10.1631/jzus.A2100464 Downloaded: 4 Clicked: 14 Cited: 0 Commented: 0(p.286-302) <Full Text> <PPT > 7

Chinese summary <2> 伺服阀工作点漂移热效应机理分析与评估

作者：康健，袁朝辉，李景超
机构：西北工业大学，自动化学院，中国西安，710072
目的：大温度范围内的工作点漂移会显著降低伺服阀的性能，但工作点偏差的方向和幅度具有不确定性。本文旨在建立一个清晰的理论模型物理概念来描述、分析和评估这个具有多层次结构和多变量机制的复杂系统。
创新点：由于物理过程包含结构参数和流动特性的复杂变化，因此在推导解析数学关系时存在简化近似的问题。本文采用的多物理场数值分析的优点可以弥补分析公式的这一缺点。
方法：在建立理论模型和进行数值分析的基础上，构建全阀传递函数模型，实现热效应作用于伺服阀时的机理分析和工作点漂移评估。
结论：1.衔铁-喷嘴组件之间的不对称配合关系是热效应引起工作点漂移的重要原因。2.不同温度下结构参数和流体介质特性的差异可导致工作点非线性变化。3.当偏差角达到±1°时，温度升高会导致阀芯位移偏差的切线斜率绝对值从1.44×10^?5减小到1.25×10^?6m/°C；偏差角的影响体现在压力偏差的切线斜率绝对值从1.14×10³Pa/°C到110 Pa/°C的变化。

关键词组：伺服阀；工作点漂移；数学模型；数值分析；热效应

Data-driven fault diagnosis of control valve with missing data based on modeling and deep residual shrinkage network

Feng SUN, He XU, Yu-han ZHAO, Yu-dong ZHANG

DOI: 10.1631/jzus.A2100598 Downloaded: 412 Clicked: 619 Cited: 0 Commented: 0(p.303-313) <Full Text> <PPT > 7

Chinese summary <3> 数据驱动的基于数学模型插补和改进深度残差收缩网络的调节阀状态监控

作者：孙丰，徐贺，赵宇晗，张渝东
机构：哈尔滨工程大学，机电工程学院，中国哈尔滨，150001
目的：故障诊断在系统可靠性增强方面具有重要作用。调节阀通常运行在恶劣的环境下，故调节阀的故障时有发生。因此一种智能、稳健的调节阀健康状态检测方法对于系统的运行至关重要。针对调节阀数据驱动模型易受工况变化和数据缺失影响的问题，本文提出一种基于数学模型估算和改进深度残差收缩网络（MDRSN）的故障诊断方法。
方法：1.采集调节阀在不同开度的多个传感器时间序列样本。2.使用数学模型插补模型对不完整数据集进行补足，并使用MDRSN对调节阀的不同工况进行故障诊断。3.分析该方法在缺失数据估计和故障诊断中的准确率。
结论：本文利用调节阀的数学模型对缺失数据进行处理，并提出将MDRSN用于调节阀故障诊断。基于补全后获得的完整样本，对调节阀的故障诊断模型进行分析和训练，以提高故障诊断的准确性。结果表明，在基于数学模型插补的完整数据集上使用MDRSN的在线故障诊断效果较好。

关键词组：调节阀；数据缺失；故障诊断；数学模型；MDRSN

Analysis of fretting wear behavior of unloading valve of gasoline direct injection high-pressure pump

Liang LU, Yin-peng XU, Meng-ru LI, Qi-long XUE, Man-yi ZHANG, Liang-liang LIU, Zhong-yu WU

DOI: 10.1631/jzus.A2100685 Downloaded: 7 Clicked: 18 Cited: 0 Commented: 0(p.314-328) <Full Text> <PPT > 9

Chinese summary <4> 汽油直喷高压泵卸荷阀微动磨损特性分析

作者：陆亮^1,2,4，徐寅鹏¹，李梦如¹，薛齐龙¹，张满意³，刘亮亮³，伍中宇³
机构：¹同济大学，机械与能源工程学院，中国上海，201804；²浙江大学，流体动力与机电系统国家重点实验室，中国杭州，310027；³联合汽车电子有限公司，中国上海，200120；⁴自主智能无人系统前沿科学中心，中国上海，201210
目的：汽油直喷技术的高压化趋势会导致泵阀组件磨损、振动、噪声、气蚀等严重问题。研究实践中发现高压泵卸荷阀的阀球与阀座接触面存在环形损伤。作者的前期研究已指出损伤非静力或疲劳所致，而是在微观形貌上更具有微动磨损的特点。基于微动磨损的假设，本文首先针对卸荷阀超静定结构进行建模分析，获得磨损仿真边界条件，基于微动磨损数学模型与数值仿真网格自适应技术定量分析磨损量伴随结构参数的变化规律，并提出结构改进的建议。
创新点：1.基于超静定结构建模解析，建立准确的微动磨损数值仿真边界条件；2.基于网格自适应技术复现了磨损过程，结合实验验证证实损伤的微动磨损机制。
方法：1.通过构建模块化的实验系统并搭建模拟微动磨损行为的实验台获得球阀微动磨损的实验数据（图3和4）；2.通过理论推导，构建球阀微动磨损超静定受力模型，得到仿真计算所需微动边界条件（公式(1)~(10)）；3.通过对Archard磨损模型进行改进获得适用于有限元计算的磨损公式，并结合迭代加速计算方法和网格自适应技术建立球阀微动磨损定量数值计算模型（图11）。4.模型解析获得规律，提出结构改进建议。
结论：1.微动磨损的实验结果与仿真结果具有良好的一致性，证明了球阀微动磨损仿真数值计算模型的准确性；2.阀球的磨损宽度和磨损深度都随着接触半角的增大而减小；3.阀球的磨损宽度和磨损深度都随着阀球半径的增大而减小。

关键词组：微动磨损特性；卸荷阀；实验和数值分析；高压化

Correspondence

Correspondence: Eccentric actuator driven by stacked electrohydrodynamic pumps

Ze-bing MAO, Yota ASAI, Ardi WIRANATA, De-qing KONG, Jia MAN

DOI: 10.1631/jzus.A2100468 Downloaded: 197 Clicked: 254 Cited: 0 Commented: 0(p.329-334) <Full Text> <PPT > 7

Chinese summary <2> 基于堆叠式电动液压泵驱动的偏心执行器

作者：毛泽兵¹，浅井庸太¹,Ardi WIRANATA^1,2,孔德卿³，满佳⁴
机构：¹芝浦工业大学，工程科学和力学系智能材料实验室，日本东京，135-8548；²加查马达大学，机械工业工程学院，印度尼西亚日惹，55281；³室兰工业大学，日本北海道室兰；⁴山东大学，机械工程学院，高效清洁机械制造重点实验室，中国济南，250061
目的：由于现有的电动液压泵的驱动性能（压力和流量）有限，所以本文期望通过采用数字制造和堆叠的方式来提高电动液压泵的输出压力和流量。
创新点：1.通过数字制造的方式实现可弯可扭的电动液压泵；2.采用设计和加工后的电动液压泵来驱动偏心执行器。
方法：1.采用实验的方式测量堆叠式电动液压泵的输出压力和流量，并与单层式电动液压泵的输出压力和流量进行对比；2.通过驱动柔性偏心执行器的方式，评估其响应特性，并用弯曲角度大小来衡量泵源的性能。
结论：1.设计、制造和表征了单层式和堆叠式电动液压泵。2.通过性能比较可知，堆叠式电动液压泵的输出压力和流速分别为15.8 kPa和37.02 mL/min，而单层式电动液压泵的输出压力和流速分别为3.2 kPa和24.09 mL/min。3.堆叠式电动液压泵驱动的偏心执行器可在8 s内实现240°的偏转角度，并在3 s内快速返回到原始位置。

关键词组：堆叠式电动液力泵；电极；HFE 7300；偏心执行器