軸向柱塞泵-馬達(dá)全耦合動力學(xué)建模及性能退化機理分析.pdf

1、采礦、冶金、制造、工程建設(shè)等國家經(jīng)濟建設(shè)重點領(lǐng)域中的大功率高耗能重型設(shè)備，如礦山機械、連軋機、注塑機、大型盾構(gòu)機等，無不是集機、電、液和控制于一體的多能量域耦合機電液系統(tǒng)。作為系統(tǒng)中的核心動力與執(zhí)行元件，軸向柱塞泵/馬達(dá)極端工況下表現(xiàn)出的效率下降、性能退化、非線性動力學(xué)特征明顯等問題，嚴(yán)重制約了設(shè)備向高壓、高速、高精度等方向發(fā)展。本文在建立柱塞泵/馬達(dá)全耦合動力學(xué)模型基礎(chǔ)上，從耦合界面動力學(xué)行為上對壓力脈動加劇、效率下降等性能退化現(xiàn)象的

2、機理進(jìn)行了分析。研究滿足學(xué)科基礎(chǔ)理論和工程實際的迫切需求，主要工作如下：
　　針對柱塞設(shè)備傳統(tǒng)動力學(xué)模型普遍存在恒壓力、定轉(zhuǎn)速等假設(shè)條件，缺乏對全耦合特性的綜合分析能力，提出了一種數(shù)組鍵合圖建模方法，建立了柱塞設(shè)備鍵合圖模型，進(jìn)行了柱塞-滑靴子系統(tǒng)摩擦學(xué)與動力學(xué)解耦分析，定義了能量損耗因子，最終導(dǎo)出柱塞設(shè)備全耦合動力學(xué)模型。研究結(jié)果表明，穩(wěn)態(tài)下柱塞慣性力產(chǎn)生的庫倫摩擦力總體上不損耗能量，所定義的能量損耗因子表征了柱塞-滑靴子系統(tǒng)能

3、量轉(zhuǎn)換過程中的損耗程度。
　　為降低模型剛性比，提高解算效率，提出了無量綱化的模型處理方法，建立了柱塞泵參數(shù)化仿真模型，揭示了全耦合動力學(xué)特性。研究結(jié)果表明，柱塞腔流量倒灌與射流是導(dǎo)致流量脈動加劇的主要原因；高壓高速下流量脈動加劇，柱塞腔壓力沖擊明顯，柱塞副庫倫摩擦力變化劇烈。全耦合動力學(xué)分析結(jié)果與已有研究結(jié)果吻合，模型有效性和正確性得到了驗證。
　　根據(jù)內(nèi)泄和流量沖擊隨運行參數(shù)的變化規(guī)律，揭示了柱塞馬達(dá)流量與壓力脈動機理。

4、研究結(jié)果表明，流量脈動隨轉(zhuǎn)速的升高而加大，壓力脈動隨轉(zhuǎn)速的升高而減小，流量與壓力脈動隨壓力的升高而加大。壓力脈動仿真結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好，機理分析的合理性和模型的準(zhǔn)確性得到了驗證。
　　為實現(xiàn)模型降維簡化，提煉用于參數(shù)識別的能量損耗估計模型，提出了基于功率構(gòu)成分析的模型降維簡化方法，將作為中間能量傳遞環(huán)節(jié)的柱塞腔子系統(tǒng)歸納為單純的能量損耗單元。研究結(jié)果表明，簡化模型與全耦合模型階躍響應(yīng)變化趨勢基本吻合。實驗結(jié)果表明：基于能量損耗

5、估計模型識別出的系統(tǒng)參數(shù)取值合理；油液壓縮和庫倫摩擦是極端工況下柱塞設(shè)備能量損耗加劇的主要影響因素。
　　提出基于正反問題相結(jié)合的柱塞設(shè)備效率特性建模方法，建立柱塞泵流量與轉(zhuǎn)矩?fù)p失機理模型，分析系統(tǒng)參數(shù)非線性變化規(guī)律，確立復(fù)合參數(shù)經(jīng)驗公式，最終導(dǎo)出柱塞泵效率特性半經(jīng)驗參數(shù)化模型。研究結(jié)果表明：復(fù)合參數(shù)經(jīng)驗公式有效體現(xiàn)了油液有效體積彈性模量、庫倫摩擦因數(shù)等系統(tǒng)參數(shù)非線性變化規(guī)律；柱塞泵效率下降以及容積效率和機械效率無法再次提升的根本