轴向柱塞泵声振特性预测及面向降噪的结构优化

摘要

轴向柱塞泵具有功重比大、控制方式多和可靠性高等优点，广泛地应用在移动机械、工业机械和航空航天领域。轴向柱塞泵在作为液压系统动力源的同时，也是液压系统的主要噪声源之一。随着社会的进步，世界人民对环保的要求越来越高，法规对机械设备辐射噪声的限制越来越严格。因此，轴向柱塞泵的低噪音化非常紧迫。
　　本学位论文建立了可以在设计阶段预测轴向柱塞泵声振特性的声振模型，该模型由两个子模型构成:(1)基于集中参数法的噪声激振源仿真模型;(2)基于有限元/边界元法的振动噪声仿真模型。轴向柱塞泵集中参数模型用于计算噪声激振源，将噪声激振源作用于轴向柱塞泵的有限元和边界元模型，计算轴向柱塞泵外表面的振动和由其辐射的噪声。为了验证集中参数模型，在若干个工况下对柱塞泵的泵源流量脉动进行了测试，结果表明仿真和测试得到的泵源流量脉动的幅值误差在3％以内。为了验证轴向柱塞泵声振模型，在半消声室内对轴向柱塞泵外表面测点的振动和声场标准场点的声压进行了测试，仿真和测试的对比结果表明仿真模型可以很好地预测轴向柱塞泵在基频整数倍下的振动和噪声，而且在第9阶时，仿真模型预测的振动速度与测试得到的振动速度在相同的数量级，仿真模型预测的声压级与测试得到的声压级只相差1.3dB(A)和1.4dB(A)。
　　本学位论文对影响轴向柱塞泵振动和噪声特性的两个关键零部件进行了优化:(1)以流体和结构噪声激振源为目标函数，采用多目标优化方法对配流盘结构进行优化，达到同时降低流体和结构噪声激振源的目的，试验结果表明:配流盘优化后，在给定工况下轴向柱塞泵的声压级在第9阶降低了2.4dB(A);(2)以壳体的频率响应为目标函数，采用拓扑优化方法对壳体结构进行优化，以最小的质量增加取得最明显的降噪效果，试验结果表明:壳体优化后，轴向柱塞泵的平均声压级在第18阶降低了约1.2-2.1dB(A)。
　　本学位论文主要分为以下几个部分:
　　第一章介绍了论文研究的背景，综述了轴向柱塞泵降噪的研究现状，指出了现有研究存在的不足，提出了本学位论文的研究内容，指出了本学位论文的研究难点。
　　第二章首先建立了轴向柱塞泵的集中参数模型，该模型考虑影响柱塞腔压力建立过程的轴向柱塞泵内部三大关键摩擦副的泄漏，以及液压油的密度和弹性模量在全压力范围内的变化规律。最后在多个工况下对柱塞泵泵源流量脉动进行测试，对集中参数模型进行验证。
　　第三章建立了轴向柱塞泵的有限元和边界元模型，用于在设计阶段预测轴向柱塞泵的声振特性。首先建立了轴向柱塞泵零部件的有限元模型，求解其模态和振型，并通过试验模态分析对有限元模型进行修正。对关键摩擦副的油膜润滑特性进行线性化建模，建立了轴向柱塞泵装配体的有限元模型。然后建立了轴向柱塞泵的边界元模型。将集中参数模型求解得到的噪声激振源作用于有限元模型，求解柱塞泵外表面的振动，再将振动映射到边界元模型，求解柱塞泵的辐射噪声。最后在半消声室中对轴向柱塞泵的振动和噪声进行了测试。仿真和测试结果的对比表明轴向柱塞泵声振模型可以预测振动和噪声在基频整数倍下的幅值，仿真精度满足工程应用需求。
　　第四章将多目标优化方法用于优化轴向柱塞泵的配流盘结构。通过对轴向柱塞泵声振特性的测试和分析，找出了引起振动和噪声的原因。在此基础上，提出了配流盘多目标优化方法，给出了优化流程和优化结构。对配流盘优化前后轴向柱塞泵的噪声进行测试，验证了该方法的有效性。
　　第五章将拓扑优化方法用于优化轴向柱塞泵的壳体结构。通过对频率响应函数的分析，得到了增加壳体壁厚可以减小频率响应函数的初步结论。在此基础上，采用拓扑优化方法对壳体进行优化，并加工出样机。对壳体优化前后轴向柱塞泵的振动和噪声进行测试，验证了该方法的有效性。
　　第六章是对本学位论文的总结，指出了本文的创新点，并展望了本课题的后续研究方向。

目录

声明

致谢

摘要

论文物理量符号说明

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 轴向柱塞泵仿真模型

1．2．1 轴向柱塞泵的噪声

1．2．2 噪声激振源仿真模型

1．2．3 振动和噪声仿真模型

1．3 轴向柱塞泵降噪方法

1．3．1 降低噪声激振源

1．3．2 减小结构对激振源的响应

1．4 课题研究内容和难点

1．5 本章小结

第二章 基于集中参数法的轴向柱塞泵激振源仿真模型

2．1 前言

2．2 结构噪声激振源

2．3 集中参数模型

2．3．1 柱塞腔压力

2．3．2 摩擦副的泄漏

2．3．3 液压油的弹性模量

2．4 泵源流量脉动测试

2．4．1 测试原理

2．4．2 试验台介绍

2．4．3 仿真和试验对比

2．5 本章小结

第三章 基于有限元／边界元法的轴向柱塞泵声振模型

3．1 前言

3．2 有限元模型

3．2．1 零件有限元模型

3．2．2 试验模态分析

3．2．3 有限元模型修正

3．3 振动的求解

3．3．1 油膜的线性化建模

3．3．2 激励的施加及分析

3．4 边界元模型

3．4．1 边界元理论

3．4．2 振动速度的传递

3．4．3 边界元法建模

3．5 试验验证

3．5．1 半消声室介绍

3．5．2 仿真和试验对比

3．6 本章小结

第四章 轴向柱塞泵声振特性及配流盘优化方法

4．1 前言

4．2 轴向柱塞泵声振特性

4．2．1 试验台介绍

4．2．2 瞬态试验结果

4．2．3 稳态试验结果

4．3 振动噪声溯源

4．3．1 模态叠加法

4．3．2 噪声激振源

4．3．3 模态试验

4．4 配流盘多目标优化方法

4．4．1 优化方法介绍

4．4．2 优化变量、约束条件和目标函数

4．4．3 优化过程分析

4．5 优化解集的选择

4．5．1 帕累托最优

4．5．2 优化方案的选择

4．5．3 优化前后对比

4．6 本章小结

第五章 轴向柱塞泵壳体结构拓扑优化方法

5．1 前言

5．2 频率响应函数分析

5．3 拓扑优化方法

5．3．1 变密度法

5．3．2 拓扑优化数学模型

5．4．3 优化过程分析

5．4 优化结果

5．5 试验对比

5．5．1 试验台介绍

5．5．2 振动速度对比

5．5．3 声压级对比

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 工作展望

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间获得的科研成果及奖励