柱塞泵及管路流固耦合振動特性研究.pdf

1、液壓傳動技術(shù)是一種以液體為媒介，通過液體的壓力能來傳遞動力的一種工業(yè)技術(shù)。在絕大部分液壓系統(tǒng)中，其“核心”為動力元件泵。目前，液壓系統(tǒng)設備發(fā)展趨勢為：大型化、自動化、高壓大流量化，必然會導致如下現(xiàn)象發(fā)生：執(zhí)行機構(gòu)（液壓缸）和液壓源之間的距離越來越遠，尤其是存在于控制閥與執(zhí)行機構(gòu)之間的長管道，經(jīng)長期實踐證明，在高壓、大流量的工作環(huán)境下，液壓系統(tǒng)中長管道的流固耦合所引發(fā)的振動問題將越來越突出。因此，對于液壓系統(tǒng)中由流固耦合所引起的振動問題的

2、研究是有很大的工程應用價值和現(xiàn)實意義的。
　　本文通過對液壓系統(tǒng)振動信號的采集與分析，結(jié)合材料力學，流體力學及有限元相關分析方法，分析了得出了液壓系統(tǒng)所表現(xiàn)出的振動特性是由哪些原因引起的，并對液壓系統(tǒng)的減振降噪提出一些參考性建議，主要工作如下：
　　1.軸向柱塞泵流固耦合問題理論推導。本論文液壓動力源的研究對象為力士樂公司生產(chǎn)的A10V型軸向柱塞泵。本文使用特征線—快速傅里葉變換法（MOC-FFT）對柱塞泵中由流固耦合所引起

3、的振動特性進行了研究。利用特征線法求解流固耦合振動偏微分方程，得到時域信號，再使用快速傅里葉變換法，可得到由流固耦合問題引發(fā)的系統(tǒng)振動頻率。通過對頻域振動特性的研究，得出在實驗條件下，A10V型柱塞泵在工作中應避開的工作振動頻率成份，以及在理論計算中出現(xiàn)的由流固耦合引起的密集振動譜線隨斜盤擺角，柱塞泵工作壓力和轉(zhuǎn)速改變的變化規(guī)律。
　　2.充液管路流固耦合運動學理論推導。在此部分的理論推導中，主要得出了充液管路的三維流固耦合振動方

4、程?？紤]流固耦合問題中涉及的彈性力學知識和有限元分析知識，并且結(jié)合力學中著名的HAMILTON原理，便可推得相關方程。為了得到便于求解的方程，本文將此運動方程離散化，在彎管段采用離散模型處理，并考慮了卡爾曼因子。由此，便可建立充液管路的有限元數(shù)值計算模型。在這部分完成了對管路的運動學分析。
　　3.充液管路的動力學理論推導。流固耦合問題從根本上來講，是由于流體激勵管路所引起的。因此，對管路中流體介質(zhì)進行了流體傳輸動力學研究，由此可

5、以得到管路中流體壓力波的傳播速度。將長管路類比電路元件，推導出了流體的壓力脈動傳遞方程，可以得到流量與壓力的關系。在此基礎上，可以研究流體動態(tài)參數(shù)對流體壓力脈動的影響。結(jié)合前述管路運動學有限元分析，便可對管路進行功率流分析。由此進行實例計算，研究了壓力脈動相位對管道振動的影響，為消減長管路振動提出一些建議。
　　4.流固耦合問題仿真驗證。通過ANSYS對長管道進行濕模態(tài)仿真，首先通過SOLIDWORKS建立長管道三維模型，導入FL

6、UENT中做紊流模擬的管道流動，然后將壓力結(jié)果導入到靜力學模塊（static structural），最終做的是預應力模態(tài)（modal）分析。通過觀察前5階模態(tài)頻率和模態(tài)振型，來對比管路的優(yōu)化效果。驗證了管路優(yōu)化理論的正確性。
　　5.流固耦合問題實驗驗證。軸向柱塞泵及管路實驗平臺：變頻器→電動機→軸向柱塞泵→管路→溢流閥→管路→油箱。其中，柱塞泵與在溢流閥和執(zhí)行機構(gòu)之間的管路是液壓回路的主要振動來源，故在柱塞泵殼體靠近斜盤處設置