重载荷液压伺服系统设计及管路流固耦合分析

摘要

液压伺服系统因具有结构紧凑、功重比高、响应速度快等优点而广泛应用于能源动力、工程机械、航空航天等领域。随着国家经济的发展，大型工程设备和实验装置层出不穷，液压伺服系统也朝着重载荷、大流量方向发展。为紧跟时代潮流，本文在国家自然科学基金项目(编号：NO.51275068)的支持下，研究了重载荷液压伺服系统的各子系统，并结合以往中小型动静三轴试验仪的开发经验，参与研制了一套以重载荷液压伺服系统为核心的大型动静三轴试验仪装置，该装置轴向加载力可达10000KN，轴向最大位移可达800mm。本文的研究内容和方法主要包括以下几个方面： 首先，通过阅读国内外相关文献，了解液压管路、液压伺服系统和三轴试验仪的研究现状，并对管路流固耦合理论进行介绍，提出大型三轴试验仪的设计方案。 其次，建立各液压元件的数学模型，对液压伺服系统的各子系统进行理论分析，理解其工作机理；设计重载荷液压伺服系统的能源系统、管路系统、液压辅助系统和支撑结构，建立仿真模型，并分析系统稳定性及设计可行性。根据分析结果，完成大型三轴试验仪零部件的选型和整体的设计。 然后，利用设计的大型三轴试验仪进行土样测试实验，实验数据表明，该大型三轴试验仪能够满足实际工程要求。然而，深入研究发现，该系统频带宽度较窄，当输入信号频率较高时，信号波形有畸变，非正弦输入时失真问题更加严重。考虑到系统加载的非正弦周期信号属于周期信号，满足狄里赫利条件，可进行傅立叶级数分解。本文提出了一种在液压伺服加载控制中改善非正弦周期信号的新方法，解决了在系统频响特性稍差时非正弦周期加载波形的畸变和失真问题，避免了只能通过硬件升级来解决这一问题的现状。该方法已经在大型三轴试验仪的仿真中得到验证，并在小型设备上进行了实验验证。 最后，在装置试验过程中发现回油管路振动剧烈，针对这一问题，本文借助ANSYS Workbench软件对重载荷液压伺服系统的管路进行分析。在流固耦合条件下，研究不同支撑间距、管路厚度对管路变形、应力应变及模态的影响规律；利用LMS公司振动噪声分析仪完成大型三轴试验仪回油管路的模态实验，实验结果与ANSYS Workbench仿真结果相吻合，证明ANSYS Workbench分析方法解决大型三轴试验仪回油管路的振动问题是可行的。

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