轴向柱塞泵的虚拟样机及油膜压力特性研究

摘要

轴向柱塞泵是液压系统中最重要的动力元件，广泛应用于各类机械装备中。轴向柱塞泵是机构和流体的统一体，机构向流体传递运动和能量，流体为摩擦副提供动力润滑油膜改善其摩擦条件，并传递出流量和压力进行做功。因此流体和机构耦合是轴向柱塞泵的基本特征，也是影响其性能的研究重点和难点。本学位论文针对轴向柱塞泵机构和流体多维模型耦合的虚拟样机技术展开研究，目的在于提高轴向柱塞泵的综合性能，为柱塞泵的结构设计和优化提供手段，具有广泛的工程应用背景和重要的学术研究价值。
　　 本学位论文创建了轴向柱塞泵液固耦合的虚拟样机环境，并研制了柱塞副油膜特性测试专用试验台，验证了虚拟样机的分析准确性，为柱塞泵的外部输出特性与内部流体特性研究提供了手段，为柱塞泵支承油膜理论研究和结构设计提供了一种新方法。针对轴向柱塞泵虚拟样机液固耦合的特点建立了机构和流体模型，机构模型包括三维刚体动力学子模型和柔性化子模型，流体模型包括流体功率传递子模型和柱塞副油膜支承子模型，通过建立接口模型链接各个子模型，进而构成了轴向柱塞泵的虚拟样机。这种建模方式考虑了柱塞泵三维运动机构的动力学因素和柱塞副油膜特性，并将其用于扭矩损失、流量损失和压力损失的计算，而解算结果又反作用于各子模型，因此该模型不仅具备传统模型的特点而且充分考虑多模型间的关联和支持。根据虚拟样机的模型特点研制了柱塞副油膜特性测试泵，其在不改变泵结构的条件下实现了柱塞副油膜压力场、温度场、油膜厚度的测试，并能够和实际泵一样驱动压力等级为O～30MPa的开式或闭式负载，可以通过无线传输的方式把高速旋转部件上的36通道的测试数据传递到数据采集系统中，是柱塞泵高速运动部件上油膜特性测试的一种新方法。基于虚拟样机模型和上述试验平台，全面分析了轴向柱塞泵虚拟样机在虚拟环境下对柱塞泵输出特性和内部流体、机构特性，这是传统方法难以实现的。和试验相比，虚拟样机仿真对开式压力、流量、转速等外特性预测的平均精确度可达96.2％，对闭式压力、流量、转矩、转速的平均精确度可达95.9％，可以满足实际性能分析需要。对于时间尺度为毫秒级的内部配流窗切换的压力、流量脉动率和试验相比的误差分别仅为0.5％、0.6％，同时通过研究可以揭示吸、排油流量脉动与局部结构之间的关系，对柱塞泵的结构优化和性能改善具有指导意义；最后，轴向柱塞泵虚拟样机技术在数字式柱塞泵和斜轴双泵交叉功率控制的设计和性能分析上进行了应用，对数字泵的控制效果和交叉功率的灵活性进行了准确的预测，证明了虚拟样机模型的通用性和广泛性，以及广泛的应用价值和良好的应用前景。论文主要结构如下：
　　 第一章，指出了论文研究的目的和意义，对国内外主要的轴向柱塞泵科研机构的相关研究情况进行了调研，综述了该领域研究现状，确定了博士学位论文研究的内容。
　　 第二章，分析并建立了柱塞泵机构模型。建立了三维多体动力学模型，对关键部件进行了柔性化处理，优化了模型中的主要影响参数，为机构模型和流体模型的联合仿真奠定了基础。
　　 第三章，针对轴向柱塞泵复杂的流体系统，分别构建了轴向柱塞泵的流体功率传动模型和柱塞副间隙油膜模型。通过对机械传动驱动流体的过程分析，建立了轴向柱塞泵的扭矩模型、流量模型和压力模型，并考虑了流体的弹性模量和惯性流量的影响。最后，创建了柱塞副油膜模型，用来求解柱塞副的压力场等油膜微观参量。
　　 第四章，研究了轴向柱塞泵虚拟样机各个子模型之间的关系，搭建了轴向柱塞泵各模型之间的接口模型，并进行了封装。
　　 第五章，提出了一种在高压高速工况下真实柱塞泵上测试柱塞副油膜的新方法，研制了柱塞副油膜测试泵和综合性能测试平台，为虚拟样机仿真提供了试验验证的手段。
　　 第六章，通过试验研究和虚拟样机仿真分析对轴向柱塞泵开式、闭式的宏观输出特性、微观输出特性、柱塞泵内部柱塞副油膜压力场特性进行了对比分析，证明了虚拟样机仿真平台对轴向柱塞泵内外部特性的仿真分析具有较高的精度。依据模型优势，对轴向柱塞泵内部节点的流体特性进行了研究，揭示了其流量、压力产生的机理。而且采用轴向柱塞泵的虚拟样机对数字泵和轴向柱塞泵双泵的交叉功率控制进行了应用分析，成功的预测了数字泵控制效果和交叉功率的灵活的功率分配策略。
　　 第七章，总结了论文的主要研究工作，给出了主要的研究结论，指出博士学位论文研究课题的创新点，并对未来的研究工作进行了展望。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号清单

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致谢

第一章 绪论

1.1课题的源起和提出

1.2轴向柱塞泵及其发展演变

1.2.1轴向柱塞泵的发展演变

1.2.2轴向柱塞泵的分类与发展趋势

1.3轴向柱塞泵虚拟样机技术的研究现状和发展概况

1.3.1虚拟样机技术概述

1.3.2轴向柱塞泵的虚拟样机技术

1.4轴向柱塞泵的柱塞副的研究现状和发展概况

1.4.1轴向柱塞泵的主要摩擦副及其研究现状

1.4.2轴向柱塞泵的柱塞副概述

1.4.3轴向柱塞泵的柱塞副研究现状

1.5课题的研究内容和研究意义

1.5.1课题的研究内容

1.5.2课题的研究意义

1.6课题研究难点

第二章 轴向柱塞泵虚拟样机的机构模型

2.1轴向柱塞泵的机构特征

2.2轴向柱塞泵动力学特性分析

2.2.1运动学分析

2.2.2柱塞泵力学分析

2.3轴向柱塞泵的机构虚拟样机

2.3.1机构虚拟样机的基本假设

2.3.2轴向柱塞泵的三维几何建模

2.3.3轴向柱塞泵的物理建模

2.3.4轴向柱塞泵的机构样机

2.4轴向柱塞泵的机构样机的柔性化分析

2.4.1柔性化理论

2.4.2机构模型柔性化处理过程

2.5本章小结

第三章 轴向柱塞泵虚拟样机的流体模型

3.1轴向柱塞泵的流体特征

3.1.1轴向柱塞泵的流体传递

3.1.2轴向柱塞泵的流体特征

3.2轴向柱塞泵的流体传动系统建模

3.2.1流体传动系统建模假设

3.2.2流体传动的功率传递

3.2.3机械传动模型

3.2.4液固耦合模型

3.2.5配流模型

3.2.6容腔与负载模型

3.2.7整体模型构建

3.3轴向柱塞泵柱塞副油膜特性建模

3.3.1柱塞副的力学分析

3.3.2柱塞副油膜特性数值计算分析

3.3.3柱塞副油膜特性仿真

3.4本章小结

第四章 轴向柱塞泵虚拟样机的接口与人机界面

4.1轴向柱塞泵虚拟样机的结构

4.1.1轴向柱塞泵虚拟样机的组成结构

4.1.2轴向柱塞泵虚拟样机的接口和人机界面

4.2轴向柱塞泵虚拟样机的模型间接口

4.2.1几何模型与物理模型接口

4.2.2流体模型与固体机构模型的接口

4.2.3刚体模型与柔性体模型的接口

4.3轴向柱塞泵虚拟样机的封装与人机界面

4.3.1轴向柱塞泵虚拟样机的模型关系

4.3.2轴向柱塞泵各个模型的封装与人机界面

4.3.3轴向柱塞泵虚拟样机的封装与人机界面

4.4本章小结

第五章 轴向柱塞泵试验方案和试验装置

5.1轴向柱塞泵试验方案

5.2模型泵设计

5.2.1模型泵设计方案

5.2.2模型泵的信号传输

5.2.3柱塞副压力场模型泵设计

5.2.4柱塞副温度场和油膜厚度模型泵设计

5.2.5柱塞副摩擦力模型泵设计

5.2.6压力冲击模型泵设计

5.2.7模型泵设计其它注意问题

5.3综合性能试验台设计

5.3.1系统原理设计

5.3.2负载形式与工作参数

5.3.3系统主要元件选取

5.3.4系统结构设计

5.3.5电气控制系统设计

5.4数据采集系统

5.4.1数据采集硬件

5.4.2数据采集软件

5.5本章小结

第六章 轴向柱塞泵虚拟样机的试验评估与应用案例

6.1轴向柱塞泵的虚拟和物理试验

6.1.1轴向柱塞泵的虚拟测试

6.1.2轴向柱塞泵的物理试验

6.1.3轴向柱塞泵的试验条件和评估内容

6.2轴向柱塞泵的开式系统试验特性评估

6.2.1节流加载

6.2.2溢流加载

6.3轴向柱塞泵的闭式系统试验特性评估

6.3.1压力测试

6.3.2转矩负载测试

6.3.3负载马达转速

6.4轴向柱塞泵的压力、流量脉动特性评估

6.4.1压力脉动

6.4.2流量脉动

6.5轴向柱塞泵的内部特性评估

6.5.1柱塞副流体特性

6.5.2配流副流体特性

6.5.3机械传动系统机构特性

6.6应用案例

6.6.1数字式轴向柱塞泵

6.6.2交叉功率控制轴向柱塞泵

6.7本章小结

第七章 结论及展望

7.1结论

7.2工作展望

参考文献

作者简历及在学期间所取得的科研成果及奖励