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ATOS柱塞泵及管路流固耦合振動特性研究
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(shè)備發(fā)展趨勢為:大型化、自動化、高壓大流量化,必然會導(dǎo)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。

ATOS柱塞泵及管路流固耦合振動特性研究
因此,對于液壓系統(tǒng)中由流固耦合所引起的振動問題的研究是有很大的工程應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義的。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(xué),流體力學(xué)及有限元相關(guān)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:軸向ATOS柱塞泵流固耦合問題理論推導(dǎo)。液壓動力源的研究對象為力士樂公司生產(chǎn)的A10V型軸向ATOS柱塞泵。使用特征線—快速傅里葉變換法(MOC-FFT)對ATOS柱塞泵中由流固耦合所引起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ATOS柱塞泵在工作中應(yīng)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,ATOS柱塞泵工作壓力和轉(zhuǎn)速改變的變化規(guī)律。充液管路流固耦合運動學(xué)理論推導(dǎo)。在此部分的理論推導(dǎo)中,主要得出了充液管路的三維流固耦合振動方程?？紤]流固耦合問題中涉及的彈性力學(xué)知識和有限元分析知識,并且結(jié)合力學(xué)中較有名的HAMILTON原理,便可推得相關(guān)方程。為了得到便于求解的方程,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(xué)分析。充液管路的動力學(xué)理論推導(dǎo)。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(xué)研究,由此可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(dǎo)出了流體的壓力脈動傳遞方程,可以得到流量與壓力的關(guān)系。在此基礎(chǔ)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(xué)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。流固耦合問題仿真驗證。流固耦合問題實驗驗證。軸向ATOS柱塞泵及管路實驗平臺:變頻器→電動機→軸向ATOS柱塞泵→管路→溢流閥→管路→油箱。其中,ATOS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ATOS柱塞泵殼體靠近斜盤處設(shè)置KISTLER三軸加速度計用以監(jiān)測泵體振動,在溢流閥處設(shè)有三軸加速度計,用以監(jiān)測溢流閥與執(zhí)行機構(gòu)(液壓缸)之間的管路的激勵頻率。通過實驗數(shù)據(jù)收集分析,發(fā)現(xiàn)異常頻率,并通過前述理論討論解釋了異常點出現(xiàn)原因。

ATOS柱塞泵及管路流固耦合振動特性研究
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(dǎo)入FLUENT中做紊流模擬的管道流動,然后將壓力結(jié)果導(dǎo)入到靜力學(xué)模塊,zui終做的是預(yù)應(yīng)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。