軸向柱塞泵-馬達全耦合動力學建模及性能退化機理分析.pdf

1、采礦、冶金、制造、工程建設等國家經(jīng)濟建設重點領域中的大功率高耗能重型設備，如礦山機械、連軋機、注塑機、大型盾構機等，無不是集機、電、液和控制于一體的多能量域耦合機電液系統(tǒng)。作為系統(tǒng)中的核心動力與執(zhí)行元件，軸向柱塞泵/馬達極端工況下表現(xiàn)出的效率下降、性能退化、非線性動力學特征明顯等問題，嚴重制約了設備向高壓、高速、高精度等方向發(fā)展。本文在建立柱塞泵/馬達全耦合動力學模型基礎上，從耦合界面動力學行為上對壓力脈動加劇、效率下降等性能退化現(xiàn)象的

2、機理進行了分析。研究滿足學科基礎理論和工程實際的迫切需求，主要工作如下：
　　針對柱塞設備傳統(tǒng)動力學模型普遍存在恒壓力、定轉速等假設條件，缺乏對全耦合特性的綜合分析能力，提出了一種數(shù)組鍵合圖建模方法，建立了柱塞設備鍵合圖模型，進行了柱塞-滑靴子系統(tǒng)摩擦學與動力學解耦分析，定義了能量損耗因子，最終導出柱塞設備全耦合動力學模型。研究結果表明，穩(wěn)態(tài)下柱塞慣性力產(chǎn)生的庫倫摩擦力總體上不損耗能量，所定義的能量損耗因子表征了柱塞-滑靴子系統(tǒng)能

3、量轉換過程中的損耗程度。
　　為降低模型剛性比，提高解算效率，提出了無量綱化的模型處理方法，建立了柱塞泵參數(shù)化仿真模型，揭示了全耦合動力學特性。研究結果表明，柱塞腔流量倒灌與射流是導致流量脈動加劇的主要原因；高壓高速下流量脈動加劇，柱塞腔壓力沖擊明顯，柱塞副庫倫摩擦力變化劇烈。全耦合動力學分析結果與已有研究結果吻合，模型有效性和正確性得到了驗證。
　　根據(jù)內泄和流量沖擊隨運行參數(shù)的變化規(guī)律，揭示了柱塞馬達流量與壓力脈動機理。

4、研究結果表明，流量脈動隨轉速的升高而加大，壓力脈動隨轉速的升高而減小，流量與壓力脈動隨壓力的升高而加大。壓力脈動仿真結果與實驗結果吻合較好，機理分析的合理性和模型的準確性得到了驗證。
　　為實現(xiàn)模型降維簡化，提煉用于參數(shù)識別的能量損耗估計模型，提出了基于功率構成分析的模型降維簡化方法，將作為中間能量傳遞環(huán)節(jié)的柱塞腔子系統(tǒng)歸納為單純的能量損耗單元。研究結果表明，簡化模型與全耦合模型階躍響應變化趨勢基本吻合。實驗結果表明：基于能量損耗

5、估計模型識別出的系統(tǒng)參數(shù)取值合理；油液壓縮和庫倫摩擦是極端工況下柱塞設備能量損耗加劇的主要影響因素。
　　提出基于正反問題相結合的柱塞設備效率特性建模方法，建立柱塞泵流量與轉矩損失機理模型，分析系統(tǒng)參數(shù)非線性變化規(guī)律，確立復合參數(shù)經(jīng)驗公式，最終導出柱塞泵效率特性半經(jīng)驗參數(shù)化模型。研究結果表明：復合參數(shù)經(jīng)驗公式有效體現(xiàn)了油液有效體積彈性模量、庫倫摩擦因數(shù)等系統(tǒng)參數(shù)非線性變化規(guī)律；柱塞泵效率下降以及容積效率和機械效率無法再次提升的根本