轴向柱塞泵流量脉动及配流盘优化设计研究

摘要

轴向柱塞泵是液压系统中最重要的元件，它被广泛应用于各类机械装备特别是工程机械领域。噪声是柱塞泵的三大性能指标之一，随着柱塞泵工作性能指标和环保要求的提高，噪声问题日益突显。流体噪声作为柱塞泵噪声主要组成部分，其影响因素众多，形成机理复杂，成为噪声控制的研究难点，也是学科前沿研究的热点。本学位论文选择柱塞泵流体噪声主要形成因素流量脉动及其控制方法开展研究，目的在于提高柱塞泵的综合性能，改善其对应用环境的影响，既有工程应用背景，又有学术研究价值。 本学位论文在分析轴向柱塞泵流体噪声形成机理的基础上，建立了柱塞泵流动特性的分布参数式数学模型，该模型考虑了压力波动态传播特性的影响，可以将动态振荡形成的附加流量脉动波转化为压力波，因此对泵出口附近压力脉动的预测效果比经典的集中参数法更加准确，试验证明该模型能够准确的预测柱塞泵的流量和压力脉动特性，可使分析误差控制在5％以内，以满足柱塞泵流动特性分析需要，为流体噪声的机理分析提供了理论支持。针对柱塞泵复杂内部流动特性三维动态流场仿真的精度问题，考虑了油液弹性模量的影响，在大量试验测试的基础上，揭示了油液弹性系数随压力和温度的变化规律，该结果为数学模型和流场仿真提供了量化数据支持。根据油液弹性系数测试结果对流场仿真进行了优化，结果显示相同工况下柱塞泵流量脉动率的计算结果由5.8％提高到了17.8％，与18.6％的试验结果更为接近，优化结果大幅提高了流场仿真的计算精度，为柱塞泵流动特性分析提供了方法支持。在此基础上，首次对流量脉动的主要影响因素进行了量化分析，研究结果表明弹性脉动是流量脉动的主要形式，占脉动总量的88％左右，几何脉动影响次之(8％左右)，泄漏脉动影响最小(4％左右)，该分析结果为流体噪声控制的后续研究明确了方向。针对柱塞泵流体噪声的控制，对其关键元件配流盘进行了优化设计研究，在大量的试验和理论分析基础上，提出了配流盘低噪声结构优化参数的选择参考范围，为配流盘结构优化设计提供了参考。 论文主要结构如下： 第一章，指出了论文研究的目的和意义，对国内外主要的柱塞泵科研机构相关研究情况进行了调研，综述了该领域研究现状，在此基础上确定了博士学位论文研究课题研究的内容。 第二章，分析了柱塞泵流体噪声的相关理论。建立了柱塞泵流动特性数学模型，优化了模型中的主要影响参数，为流体噪声产生机理分析提供了理论基础。针对流量脉动测试的基本原理，对比了串、并联两种泵源阻抗模型的性能特点，利用一阶平方根近似模型优化了泵源阻抗模型。 第三章，针对柱塞泵复杂的内部流动特性进行了三维动态流场仿真，分析了油液弹性模型和粘性模型的影响，结果显示引入弹性模型后流量脉动特性的分析精度大幅度提高，弹性脉动是流量脉动的主要形式，占脉动总量的88％左右。对气穴现象研究发现，柱塞泵气穴发生位置通常在配流盘从低压向高压过渡阻尼槽的顶端周围。 第四章，搭建了流量脉动测试平台，为数学模型和流场仿真结果提供了验证依据。 第五章，试验研究了油液弹性模量，柱塞泵压力、流量脉动规律等流体噪声相关参数，试验证明了数学模型和流场仿真都具有很高的精度。分析了工作参数对流量脉动的影响。利用互相关函数法对油液的弹性系数进行了试验研究，揭示了油液弹性系数随压力和温度的变化规律。 第六章，分析了配流盘结构包括配流盘进出口三角阻尼槽宽度角和深度角、阻尼槽顶端的小孔结构以及错配角和预压缩角对流体噪声的影响，提出了配流盘降噪结构的优化设计建议。 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展望。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号清单

声明

致谢

第一章 绪论

1.1课题研究的目的和意义

1.2柱塞泵流体噪声的研究现状和发展概况

1.2.1柱塞泵噪声概述

1.2.2柱塞泵减振降噪研究背景

1.2.3柱塞泵流体噪声研究现状与分析

1.2.4 CFD技术在流体噪声控制领域的应用

1.3主要配流盘结构调研

1.4课题主要研究内容

1.5课题研究难点

第二章 柱塞泵流体噪声相关理论分析

2.1柱塞泵流体噪声相关理论建模与分析

2.1.1单柱塞流体噪声理论模型建立

2.1.2柱塞泵流动特性集中参数法建模

2.1.3柱塞泵流动特性分布参数法建模

2.1.4柱塞泵流动特性仿真模型搭建

2.2流量脉动测试理论分析

2.2.1流量脉动测试原理分析

2.2.2泵源阻抗理论分析

2.3本章小结

第三章 柱塞泵内部流动特性数值仿真分析

3.1数值仿真建模及边界条件

3.1.1数学模型建立

3.1.2气穴机理和模型分析

3.1.3物理模型建立

3.1.4仿真条件设定

3.2数值仿真结果分析

3.2.1弹性模型和粘性模型影响分析

3.2.2流量脉动结果分析

3.2.3压力冲击结果分析

3.2.4气穴现象仿真结果分析

3.2.5配流副流动状况分析

3.3本章小结

第四章 流体噪声试验台设计和测试方案制定

4.1流体噪声试验简介

4.2流量脉动测试试验台设计

4.2.1流量脉动试验台原理

4.2.2液压系统设计说明

4.2.3数据采集系统设计

4.3流量脉动测试方案制定

4.3.1测试过程制定

4.3.2数据处理流程制定

4.4本章小结

第五章 试验测试与结果分析

5.1流体弹性模量试验研究

5.2压力脉动的试验测试和分析

5.3流量脉动的试验测试和分析

5.4本章小结

第六章 柱塞泵配流盘结构优化设计

6.1配流盘三角阻尼槽降噪结构优化

6.2配流盘小孔降噪结构优化

6.3配流盘错配角影响分析

6.4本章小结

第七章 结论及展望

7.1论文总结

7.2工作展望

参考文献

附录

作者简历及在学期间所取得的科研成果及奖励