柱塞泵及管路流固耦合振動(dòng)特性研究.pdf

1、液壓傳動(dòng)技術(shù)是一種以液體為媒介，通過液體的壓力能來傳遞動(dòng)力的一種工業(yè)技術(shù)。在絕大部分液壓系統(tǒng)中，其“核心”為動(dòng)力元件泵。目前，液壓系統(tǒng)設(shè)備發(fā)展趨勢為：大型化、自動(dòng)化、高壓大流量化，必然會(huì)導(dǎo)致如下現(xiàn)象發(fā)生：執(zhí)行機(jī)構(gòu)（液壓缸）和液壓源之間的距離越來越遠(yuǎn)，尤其是存在于控制閥與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的長管道，經(jīng)長期實(shí)踐證明，在高壓、大流量的工作環(huán)境下，液壓系統(tǒng)中長管道的流固耦合所引發(fā)的振動(dòng)問題將越來越突出。因此，對(duì)于液壓系統(tǒng)中由流固耦合所引起的振動(dòng)問題的

2、研究是有很大的工程應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義的。
　　本文通過對(duì)液壓系統(tǒng)振動(dòng)信號(hào)的采集與分析，結(jié)合材料力學(xué)，流體力學(xué)及有限元相關(guān)分析方法，分析了得出了液壓系統(tǒng)所表現(xiàn)出的振動(dòng)特性是由哪些原因引起的，并對(duì)液壓系統(tǒng)的減振降噪提出一些參考性建議，主要工作如下：
　　1.軸向柱塞泵流固耦合問題理論推導(dǎo)。本論文液壓動(dòng)力源的研究對(duì)象為力士樂公司生產(chǎn)的A10V型軸向柱塞泵。本文使用特征線—快速傅里葉變換法（MOC-FFT）對(duì)柱塞泵中由流固耦合所引起

3、的振動(dòng)特性進(jìn)行了研究。利用特征線法求解流固耦合振動(dòng)偏微分方程，得到時(shí)域信號(hào)，再使用快速傅里葉變換法，可得到由流固耦合問題引發(fā)的系統(tǒng)振動(dòng)頻率。通過對(duì)頻域振動(dòng)特性的研究，得出在實(shí)驗(yàn)條件下，A10V型柱塞泵在工作中應(yīng)避開的工作振動(dòng)頻率成份，以及在理論計(jì)算中出現(xiàn)的由流固耦合引起的密集振動(dòng)譜線隨斜盤擺角，柱塞泵工作壓力和轉(zhuǎn)速改變的變化規(guī)律。
　　2.充液管路流固耦合運(yùn)動(dòng)學(xué)理論推導(dǎo)。在此部分的理論推導(dǎo)中，主要得出了充液管路的三維流固耦合振動(dòng)方

4、程。考慮流固耦合問題中涉及的彈性力學(xué)知識(shí)和有限元分析知識(shí)，并且結(jié)合力學(xué)中著名的HAMILTON原理，便可推得相關(guān)方程。為了得到便于求解的方程，本文將此運(yùn)動(dòng)方程離散化，在彎管段采用離散模型處理，并考慮了卡爾曼因子。由此，便可建立充液管路的有限元數(shù)值計(jì)算模型。在這部分完成了對(duì)管路的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。
　　3.充液管路的動(dòng)力學(xué)理論推導(dǎo)。流固耦合問題從根本上來講，是由于流體激勵(lì)管路所引起的。因此，對(duì)管路中流體介質(zhì)進(jìn)行了流體傳輸動(dòng)力學(xué)研究，由此可

5、以得到管路中流體壓力波的傳播速度。將長管路類比電路元件，推導(dǎo)出了流體的壓力脈動(dòng)傳遞方程，可以得到流量與壓力的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，可以研究流體動(dòng)態(tài)參數(shù)對(duì)流體壓力脈動(dòng)的影響。結(jié)合前述管路運(yùn)動(dòng)學(xué)有限元分析，便可對(duì)管路進(jìn)行功率流分析。由此進(jìn)行實(shí)例計(jì)算，研究了壓力脈動(dòng)相位對(duì)管道振動(dòng)的影響，為消減長管路振動(dòng)提出一些建議。
　　4.流固耦合問題仿真驗(yàn)證。通過ANSYS對(duì)長管道進(jìn)行濕模態(tài)仿真，首先通過SOLIDWORKS建立長管道三維模型，導(dǎo)入FL

6、UENT中做紊流模擬的管道流動(dòng)，然后將壓力結(jié)果導(dǎo)入到靜力學(xué)模塊（static structural），最終做的是預(yù)應(yīng)力模態(tài)（modal）分析。通過觀察前5階模態(tài)頻率和模態(tài)振型，來對(duì)比管路的優(yōu)化效果。驗(yàn)證了管路優(yōu)化理論的正確性。
　　5.流固耦合問題實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。軸向柱塞泵及管路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)：變頻器→電動(dòng)機(jī)→軸向柱塞泵→管路→溢流閥→管路→油箱。其中，柱塞泵與在溢流閥和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的管路是液壓回路的主要振動(dòng)來源，故在柱塞泵殼體靠近斜盤處設(shè)置