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基于MATLAB的液压系统数字仿真研究


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"5 % 机床与液压& &44/5 A6

基于 . * I I U G的液压系统数字仿真研究
张德虎# 朱建公# 肖跃军
! 西南科技大学制造科学与工程学院# 绵阳 /&%4%4"
摘要! 以流体管道和液压缸为例) 详细介绍了 . * I I U G

软件在液压系统数字仿真中的应用- 通过建立液压伺服系统中 液压缸的数学模型) 并对其进行仿真) 可得到系统的特性曲线) 其结果有利于电液系统, 数字液压元件的设计和改进关键词! . * I * 液压系统* 仿真* 液压缸* 流体管道 IUG 中图分类号! * &,% j -%77文献标识码! I 2 5 77文章编号! %44% $ -66% "&44/# 6 $ &4& $ &

< LAKJ 20HNI P JI J Q J NQ /1/M .GNHJ ED E .D 0 X L $ E Q LD L2 I -F H L NDG/1=& ? X <&
g I PM 1L) g Yd ]<]< KI L> +" > + @ A ) JTW 8 D L] !* 1>M \D = ]F b D DF >O9 ]9 ]Z R @ > ]<A OA 1B EY a?F b > ? > A . ]Lb L? @ >D ]< ? b LF >F ]@ E:A F 9 > ]> @ >@ O9 ]9 ]Z *9 [ : . D D @ >D >1]A <) @ ]<O@ ] /&%4%4) ! ]D > A ]: 9 1LD 1@ "
& D N- *‘@ [ Z \@ ]Z 1: D @ :]Z> b >D \[ F \\[DA b I U G@ Z@F E L[@ A 1: D @ UI I D ]<b E % L@ \>D Z? 99[ ?A _= > 1>D @ F]EA . * I ] <D @ DA b Z? 9 L[ @ ? 9@ @[ = F] L[ ) \? E >B E]F ZL9Z5* > L? D @ ? > 1>= F = FE A [ b Z? @ :]Z> B E E C[1> D E L[> F 1D 9 ?F L? b1> E A D D9 = Z> A 1: D 99[ ? D >F @ Z ]Z @ D Z) 1>9 ? F @@ a F 1> @ L[ @ D E = F D > E99 >A EE =B E A> * >L[@\? FLEAF :F D <F]5 1>? FE A @ F 1>Z>@ D D >A F] A = 9 ]> > 9 A $ [ Z EE = ) Z@F 1: D @ >c > F E \@A E ] ]Z = [? @ b D1@ $ [ F ] b < @ DA >? L@ :F E <D Z? 9\? > @[ L[ E E >> = ]F L? [ > E > 5 Y .+ G% . * I * + Z? @ >E >EE = O@L[@ + Z? @ :]Z> QL@ \@ L /ED I U G : D 9\? L? :F * = DA L[ E > F]* : D 99[ ? [ Z \> L[ @ *

7 8前言
随着计算机工程技术的发展) 液压系统与数字计 算机相结合产生的数字液压技术已经成为当前液压技 术发展的一个重要方向- 数字液压元件以其结构 简 单, 抗污染能力强, 可重复性强和工作稳定可靠等特 点) 而越来越得到液压技术人员的重视- 计算机数字 仿真可以帮助液压系统设计人员在设计阶段就较准确 地预测出设计对象具有的静态, 动态特性) 能够实现 参数和方案的优化) 以便获得最佳的设计- 特别是对 于复杂的液压系统设计来说) 计算机仿真就变得更加 重要了. *I I U G是一种功能强大的数学软件) 它可以进 行静态, 动态系统建摸和仿真) 而且支持连续, 离散 或两者混合的线性和非线性的元件及系统- . * I IUG 仿真技术可以通过改变参数来迅速观看系统或元件性 能发生的变化* 能够帮助设计人员调整和完善液压系 统的结构和控制方案) 这有利于数字液压技术的进一 步发展-

) " 管道壁的坐标 ! ) ( 满足 & & & )j i ( # !&" 边界条件% Ui !-" 4 其中% U 是 _ 轴方向的速度) ) ( , 是管道横截面的笛 卡儿坐标) 并以管道的中心点为坐标原点管道的流量方程% [i UZ> < 3(U #>
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其中% >是管道的横截面积利用 2 R工具箱进行 M 仿真研究) 得 出 管 道 中 的 轴向流场分布图 ! 等高线 图形式" ) 纵横轴代表管道 内布流场距离中心的位移) 单位为 = ) 如图 % 所示= 得出 管 道 中 流 速 的 最 ) =i @ ? ! \) F L" * \Z> \ ]F Ii F \) F* \Z> <! ? " fi L=! I != E 5 "
求出管道的流量% [i ,6%5 6%(&= ) 通过仿真求

图 %7管道流场分布图

((6#=)) 进而由如下程序% E 大值为% U =D i _ #((5

9 8流体管道的 . * I I U G仿真
在液压系统中) 流体管道占有很重要的地位) 管 道中的层流, 紊流粘性流动是液压系统研究的重要课 题之一- 下面笔者以水平管道的层流为例来进行 研 究% 管道的半径% #i = 液压油的动力粘性系数% &9 ) 45 ’ ) & % 为 %4/ D= -i #" E= ) 轴向压力梯度% ZJZ’ & p 2 ) 建立管道的数学模型% 轴向流场的微分方程为% & & 9 U 9 U % ZJ !%" & j 方数据 万& i 9)  9( - Z’

出的结果与笔者通过实验得出的结果基本一致- 当然 通过进一步的仿真分析) 还可以得出流速与管径的关 系曲线-

: 8液压缸的 . * I I U G仿真
液压缸是液压系统的执行元件) 用来实现直线往 复运动或回转摆动- 其特点是机构简单, 制造容易, 应用范围广以及在液压系统中布置方便- 下面以一种

"5 % 机床与液压& &44/5 A6

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活塞两端的有效面积相等) 即% >i % i & * !#" 两 > > % 来计算) 则% = % i= 腔的液容按活塞行程 ’ i= & * i E & !’" 外干扰力 $ 4- 于是) 可以得到液压缸的主控 i 传递函数 ! 输出速度对输入流量的传递函数" % / M* ! " i& & &*i ! " [ * 4*j * % ! " &94 j !6"

双作用液压缸为例-

&5 %7液压缸数学模型的建立
进油腔瞬态流量方程% ZJ Z’ % j% = j ! J $ & " j & ! % $ & !’" 2 [i% > J 2 J J % ZG ZG % % 出油腔瞬态流量方程% ZJ Z’ & > J 2 J J $ = j ! J $ & " j & ! % $ & !/" 2 [i& & ZG & ZG % % 液压缸的力平衡方程% ZF :j i % % J & ? j F $ J> $ & > !," ZG 其中% >, > 是活塞两端的有效面积* J, J 和 M , % & % & 4% 是作用在活塞上 M 分别是进出油腔的压强和体积* $ 4& M j %’ M $ &!E ’ > > $" 4% 4& 的外干扰力* = i , =i 分别 % & 2 2 是 进 油 腔 和 出 油 腔 的 液 容* 2, 2 是 两 油 腔 的 泄 漏 系 数* % & 是液压油体积弹性增量* ? 2 是活塞的质量* : 为粘性摩擦 Z’ i 活塞的运动速度系数* F ZG
图 &7液压缸示意图

% 式中% /为放大系数) /i * 3为内泄漏系 > j #" !% 3 J : 9[ 数) 3i * # 是液压缸的液阻) # i & - 4为时间 J 9J J > 常数) 4i

!

: % ? = - 9 为阻尼比) 9 i 4 ! j & ? & &! 3 j & " : >

% E Mj > 4 & 3 i "* = 为液压缸液容) = = / 应用 . * I I U G的 OJ .c Y Je工具箱对液压缸进 U" 行仿真研究) 建立如图 所示的仿真模型取 ?i ) * 45 & ) %‘< i ’= i = 6 p $, ‘<=’ & ) : )# E i %4 / p%4 $- ) 代 入 上 面 的 仿
图 -7仿真模型

&5 &7模型的仿真与分析
对于液压伺服系统) 我 们 作 出 如 下 假 设% ! % " 忽略外泄漏和干摩擦等因素的影响) !&" 进油腔和 出油腔的工作压力呈对称变化) 两腔流量相等* !-"

真模型) 由输入流量 [ ! 如图 # ! D " 得出输出速度 " 的阶跃响应曲线) 如图 # ! C" 所示-

图#

; 8结束语
通过对液压系统的 . * I I U G仿真研 究) 可 得 出 如下结论% I U G仿真技术功能 非 常 强 大) 设 计 者 !%" . * I 只需要建立液压系统的简单数学模型就可以通过仿真 得出系统的一系列的特性曲线) 这有利于对液压系统 的设计和改进!&" 液压技术与计算机技术的结合越来越密切) 数字液压成为液压技术发展的一个重要方向) 也是机 万   方数据 电一体化发展的一个重要部分-

!-" 仿真等计算机技术的应用) 简化了液压系 统的设计, 简化了控制方法, 增加了系统可靠性, 扩 大了应用领域, 降低了系统成本, 便于远程控制, 容 易实现故障预报和监控-

参考文献
4%5 张 森) 张 正 亮 5 I U G仿 真 技 术 与 实 例 应 用 教 程 . *I ../ 5机械工业出版社) &44#5 %5 4&5 蔡廷文 5 液压系统现代建模方法 . ./ 5中国标准出 版社) &44&5 %&5

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从图中可以看出模拟输出数据能更好地跟踪实测 输出数据的趋势) 最终预测误差较小) 因此) 所得参 数模型基本准确) 证明本测试辨识系统可行- 由数据 求解出的离散模型的各项系数) 见表 %表 %7系统的 I K模型参数 X 参数 辨识值 9% $ ’#,% 45 9& $ %,,45 9$ %%’/ 45 9# $ %’(/ 45

"5 % 机床与液压& &44/5 A6 X I模型在线辨识器的线性系统建模 4&5 何延超 5基于 I . 方法 . d 5西安航空技术高等专科学校学报) &44# / !(" 5 4-5 杨凌宇) 柳嘉润) 申功章 5飞控 m飞机低阶等效系统 的在线辨识 . d 5飞行力学) &44- !/" 5 / 4#5 阮荣耀) 杨昌利) 龚妙昆 5关于系统时滞阶数和系数 的在线辨识 .d 5华东师范大学学报% 自然科学版) / &44- !(" 5 4’5 兰春云) 缪玲娟) 沈军 5陆用捷联惯导系统中里程计 刻度因子的在线辨识 . d 5北京理工大学学报) &44/ !#" 5 4/5 王彬如 5一种在线辨识与控制寻优系统的设计与实现 .d 5智能控制技术) &44#5 / 4,5 徐昕) 李涛) 伯晓晨) 等 5. * I I U G工具箱应用指南 &&控制工程篇 . . 5电子工业出版社) &4445 & / 465 李言俊) 张科 5系统辨识理论及应用 ../ 5国防工业 出版社 5 4(5 ! A D KD ZA e ]< W]<> D5R \[F@ A 1D e ]) @ ]< ]< A ) @ 8 P A _ ADA b @ @F] + Z? @ . FL]9A [ >F : D 9 L[b F]D *E]<O:F G EZ A N j L[ @ @ @ E = D> ] !j > 9 F ? @ ? .! 5 ? >Z@ E b1>O@1 J > F]D ! ]b > >A / 2A > ]< A F _ ]F ]DA [ A > ]9 ] QL@ 2B ? ? =E A D ! ]F [ JQ +&44’5 [ Z A > *D @ @ ]Z A ? ) ! 2 ]E E ] A 作者简介! 阚超 !%(,6&" ) 男) 燕山大学流体传动 与控 制 专 业 在 读 博 士 研 究 生- 电 话% 4--’ $64,#/&/) R$ D%‘D 1D1Z;E 5A 5]= @ ]9 A [ @ 9= 9 ]D

< 8结论
本测试辨识系统是综合传统液压测试手段( 先进 的传感器技术(数据采集技术(系统辨识理论以及计 算机技术的液压辨识系统- 本系统结合 N j !j 强大的 控制功能和 . FC 完善的辨识工具) 通过 . FC 提 DD [ DD [ 供的引擎) 将两部分结合起来) 从而) 将数据采集系 统阶次辨识与参数辨识合为一体- 本系统是针对特定 实验系统给出了详细的辨识方法) 若辨识对象不 同 时) 可通过调整数据采集部分和辨识部分的程序) 利 用两种程序语言的灵活性) 对辨识系统进行适当 调 整- 在这个基础上) 进一步处理好 子程 序 间 数据 传 输) 辨识计算) 采样周期以及数据采集长度) 本系统 将可能用于在线辨识- 由此) 本系统的开发有一定实 际意义和发展前景-

参考文献
4%5 杨志平) 冯素梅 5基于全参数在线辨识的鲁棒自校正 / 控制 . d 5重庆大学学报% 自然科学版) &44&5

收稿日期’ &44/ $ $ 4’ %4

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气流程图如图 ’ 所示- 所有的轮胎都学习完成后) 完 成指示灯亮在路面选择模式中) 为了让轮胎气压从当前值充 放到设定值) 控制器就必须知道开放充气阀或放气阀 的准确时间) 这个时间值就是根据自学习数据换算而 来) 因此自学习数据的准确性直接影响控制器的 性 能- 为了提自学习数据的精确性) 可以多学习几次取 平均值两个动作之内就能充气到目标气压值) 在一次放气) 一次充气) 再一次放气 - 个动作之内完成放气到目标 值-

参考文献
4%5 谈宏华) 肖仁伟) 陈裕国 5轮胎中央轮胎充放气系统 / 液压与气动) &44’ !6" 5 控制器实验研究 . d 5 . O ’% 4&5 张毅刚) 等 5 ! $ 单片机应用技术 . ./ 5哈尔 滨% 哈尔滨工业大学出版社) %((45 /5 4-5 徐友春 5汽车轮胎中央充放气系统在我国的发展和应 / 用 .d 5汽车技术) %((6 !%" 5 4#5 张占理 5中央轮胎充放气系统及在轮式车辆上的应用 .d 5车辆与动力技术) &44% !%" 5 / 作者简介! 谈 宏 华 ! %(/-&" ) 男) 博 士) 教 授- 长 期从事机电一体化技术, 控制技术等领域的教学和研究R$ D% F F A 9= = @ 111@ 1L5A [ ;E

< 8结论
经过实验验证) 本文设计的新型轮胎中央充放气 系统工作可靠) 能正确完成测压, 保压, 充气和放气 功能* 其气阀组抗污染能力增强* 控制器电路简单) 工作可靠* 自学习时间短) 对一个普通轮胎) 一个小 时内可以完成自学习) 相对以往的设计) 时间减少一 半* 路面设定响应快) 一般在一次充气) 一次放气)

收稿日期’ &44/ $ $ 4# %(
作者 简 介! 张 德 虎 ! %(,6 &" ) 男) 河 南 信 阳 人) 硕士研究生- 主要研究领域为机电控制及液压元件- 电 /46--’#) %-6(4%(###/) R$= @ /%’ m F>; D% [ @? < 话% 46%/ $ %/-5A 9=

’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’ ! 上接第 &4- 页"
4-5 廖义德) 张铁华) 李壮云 5 无液动力分流阀设计及仿 真研究 . d 5武汉化工学院学报) &44&% ,( $ 645 /

万 液压元件 ../ 5机械工业出版社) %(6&5   方数据 4#5 何存兴 5

收稿日期’ &44’ $ $ 4/ &%

基于MATLAB的液压系统数字仿真研究
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 引用次数: 张德虎, 朱建公, 肖跃军, ZHANG Dehu, ZHU Jiangong, XIAO Yuejun 西南科技大学制造科学与工程学院,绵阳,621010 机床与液压 MACHINE TOOL & HYDRAULICS 2006,(8) 4次

参考文献(4条) 1.张森.张正亮 MATLAB仿真技术与实例应用教程 2004 2.蔡延文 液压系统现代建模方法 2002 3.廖义德.张铁华.李壮云 无液动力分流阀设计及仿真研究[期刊论文]-武汉化工学院学报 2002(1) 4.何存兴.官忠范 液压元件 1982

相似文献(10条) 1.期刊论文 韩虎.刘印锋.孙成通.张金庆.HAN Hu.LIU Yin-feng.SUN Cheng-tong.ZHANG Jin-qing 基于MATLAB液 压系统的仿真技术研究与应用 -液压气动与密封2007,27(3)
在研究仿真技术的基础上,重点对液压系统仿真技术进行了研究和分析.介绍了MATLAB/Simulink软件,然后利用Simulink对掘进机回转液压系统进行 了建模、仿真与分析,结果表明,仿真效果良好,认为利用Simulink完全能够进行不很复杂的液压系统的仿真,也为一些产品液压系统的设计提供了好的方 法.

2.期刊论文 郭世伟.任中全.刘永军.GUO Shi_wei.REN Zhong_quan.LIU Yong_jun 基于功率键合图的MATLAB建模仿 真在液压系统中的应用研究 -煤矿机械2001(2)
介绍功率键合图在动态系统特性分析中的特点和优势,并结合MATLAB强大的符号运算和数值仿真功能,可为液压系统的建模仿真与分析设计提供一 个强大而方便的工具。

3.期刊论文 谢亚青 基于MATLAB的智能振动压路机无级调幅液压系统的建模与仿真 -机床与液压2009,37(9)
阐述了压路机无级调幅液压伺服系统的基本原理,建立系统各组成环节的数学模型;同时通过MATLAB构造了伺服系统的仿真模型,得到Bode图及单位阶 跃响应曲线,并分析了系统的各项性能.

4.期刊论文 庞博.侯守全.王慧.钟亮.PANG Bo.HOU Shou-quan.WANG Hui.ZHONG Liang 基于MATLAB/Simulink的脱 模液压系统动态特性仿真 -制造业自动化2009,31(6)
研究了利用MATLAB/Simulink软件包对脱模液压系统进行动态仿真的方法.介绍了Simulink软件包的特点,并以脱模液压缸为对象建立了液压系统的动 态模型,给出了仿真模型,详细介绍了如何利用Simulink对液压系统的动态特性进行仿真.同时,详细讨论了影响液压系统动态特性的主要因素.这为脱模液 压系统的设计和优化提供了重要的依据,对提高脱模液压系统的动态性能具有十分重要的意义.

5.期刊论文 丁守福.杜长龙.刘伟.颛孙伟勋.DING Shou-fu.DU Chang-long.LIU Wei.ZHUANSUN Wei-xun 基于 Matlab计算机仿真在液压系统中的应用 -煤矿机械2006,27(9)
介绍了计算机仿真的概念、系统数学模型的建立和几种基本表述形式、模型的求解方法以及Matlab在模型求解中的应用,并结合具体实例对计算机仿 真在液压系统中的应用作了具体分析.

6.期刊论文 宋江.陈远玲.梁式.李尚平.SONG Jiang.CHEN Yuanling.LIANG Shi.Li Shangping 基于matlab甘蔗收 获机械切割器液压系统的动态设计与仿真 -液压与气动2005(2)
建立了砍蔗器液压系统的数学模型,利用MATLAB中的SIMULINK构建了该系统的仿真模型,在变切割力矩的情况下分析了刀盘转速对切割质量和主要参 数对系统性能的影响.

7.期刊论文 孙成通.韩虎.曾庆良.SUN Cheng-tong.HAN Hu.ZENG Qing-liang 基于MATLAB液压系统仿真技术研究 煤矿机械2007,28(7)
研究了仿真技术,重点对液压系统仿真技术进行了研究和分析,介绍了MATLAB/Simulink软件,利用Simulink,对掘进机回转液压系统进行了仿真与分析 ,结果表明,仿真效果良好,为一些产品液压系统的设计提供了好的方法.

8.学位论文 毋奇云 基于Matlab/Simulink的钢坯剪断机液压模拟载荷装置的设计和仿真 2008
为了模拟并测定钢坯剪断机的工作压力,本文采用带缓冲油缸的液压系统来对钢坯剪断机载荷特性进行模拟,给出了液压系统设计方案,对液压系 统的动态特性方程组进行了推导,建立了液压系统的数学模型,基于Simulink软件包对液压系统进行了可视化的建模与仿真。仿真结果表明该液压系统 很好的模拟了钢坯剪断机的载荷特性,进一步的仿真试验研究了系统参数对系统动态特性的影响情况。本文的主要研究内容如下: (1)研究了钢坯 剪断机的载荷特性,提出采用液压系统来模拟其载荷特性。 (2)介绍了液压系统计算机仿真,特别是基于Simulink的液压系统可视化建模与仿真的 原理、方法和一般步骤。 (3)提出几种液压系统设计方案,并分别推导它们的特性方程组,建立其数学模型,并对各方案进行简要的分析和对比。 (4)基于Simulink建立几种液压系统设计方案的可视化仿真模型,并进行仿真,得到所关心的参量随时间的变化情况,主要是系统的载荷随时间的 变化情况。其中节流阀方案很好的模拟了钢坯剪断机的实际载荷特性。 (5)根据仿真结果,设计了节流阀方案对应的液压系统装置,对液压装置的 结构、液压缸以及其他元件进行了详细的设计、选用和校核。

9.学位论文 李昌 全自动立式压滤机液压系统的研制与开发 2006
压滤机的诞生到现在已经有100多年的历史,它广泛地应用在石油、化工、矿山、医药等领域,并发挥着重要的作用。目前,最先进的压滤机当属西 班牙TH公司的APN型压滤机,而国内的专业厂家相对较少,主要是企业与科研单位联合研制特定工况下的压滤机。 全自动立式板框压滤机由板框组 、板框顶紧机构、滤布驱动机构、管路系统、自动润滑系统、气动控制系统、压力加压系统和电气控制系统等组成。在这些组成系统中,液压传动与控 制相当于压滤机的神经中枢系统,液压传动的准确性与平稳性决定了机器性能的好坏。本文综合了国内外板框式压滤机控制系统的发展水平和液压设备 故障诊断研究的发展现状,在对其进行深入分析研究的基础上,针对传统板框式压滤机普遍存在的故障现象及液压控制系统设计缺陷,结合与山东铝业 化学品厂合作开发项目“立式全自动板框压滤机的研制与开发”,开展“新型全自动立式压滤机液压控制系统研制与动态设计”的工作。通过对现有压 滤机液压系统的设计缺陷、故障现象以及具体的工艺流程的分析,采用简化设计、节能设计等现代设计方法,设计液压快速严格定位回路及自动卸载回 路,并以电气自动控制技术与液压技术相结合的方式,实现压滤机的工业自动化和节能化。以至于实现压滤机液压系统优化设计的目的,增强压滤机液 压系统的可靠性,为实现全自动立式板框压滤机国产化提供可靠的保障,使整个工艺流程显得更加协调、灵活、可靠,减小了原材料的浪费,提高企业 的经济效益。 文中提出利用MATLAB语言的SIMULINK软件包对液压系统进行动态仿真的方法。介绍了SIMULINK软件包的特点,并针对闭合压滤机、 打开压滤机过程分别建立了液压系统的动态模型,给出了仿真模型,详细介绍了如何利用SIMULINK对液压系统的动态特性进行仿真。同时讨论了影响液 压系统动态特性的主要因素。结果表明,SIMULINK方法是对液压系统的动态特性进行仿真的一条有效途径。同时用MATLAB实现其液压系统的动态仿真 ,为液压系统设计提供系统工作的状态信息。

10.期刊论文 杨勇.罗安.Jonas Larsson.YANG Yong.LUO An.Jonas Larsson 基于HOPSAN和MATLAB/SIMULINK的液压 系统协同控制仿真研究 -机床与液压2005(8)
基于HOPSAN和MATLAB/SIMULINK,探讨了HOPSAN和MATLAB/SIMULINK的多域协同控制仿真技术,并对一液压位置系统进行了协同控制仿真.结果表明,这 种协同控制仿真技术可以集成液压系统专家、控制技术专家、计算与计算机技术专家的优势,搭建一个协同研发的支撑平台,能够高效、经济、可靠地处 理液压系统非线性建模和控制问题.

引证文献(4条) 1.李根义.张金喜.魏兴乔.张增猛.周华 基于动阀套位移反馈的电液比例方向节流阀动态设计与仿真[期刊论文]-机 床与液压 2009(4) 2.余泽通.杨彬彬.宋长源 基于Solidworks的齿轮泵工作原理动态仿真研究[期刊论文]-河南科技学院学报(自然科 学版) 2008(3) 3.安爱琴.宋长源.王宏强.聂永芳 基于Solidworks的液压泵工作原理动态仿真[期刊论文]-煤矿机械 2007(12) 4.任中全.张昆.李建华 箕斗定重装载液压系统管路长度对举升速度的影响[期刊论文]-机床与液压 2009(8)

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