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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技術。在絕大部分液壓系統中,其“核心”為動力元件泵。目前,液壓系統設備發展趨勢為:大型化、自動化、高壓大流量化,必然會導致如下現象發生:執行機構(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行機構之間的長管道,經長期實踐證明,在高壓、大流量的工作環境下,液壓系統中長管道的流固耦合所引發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用價值和現實意義的。通過對液壓系統振動信號的采集與分析,結合材料力學,流體力學及有限元相關分析方法,分析了得出了液壓系統所表現出的振動特性是由哪些原因引起的,并對液壓系統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。液壓動力源的研究對象為力士樂公司生產的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的系統振動頻率。通過對頻域振動特性的研究,得出在實驗條件下,A10V型ATOS柱塞泵在工作中應避開的工作振動頻率成份,以及在理論計算中出現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速改變的變化規律。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程。考慮流固耦合問題中涉及的彈性力學知識和有限元分析知識,并且結合力學中較有名的HAMILTON原理,便可推得相關方程。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值計算模型。在這部分完成了對管路的運動學分析。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,對管路中流體介質進行了流體傳輸動力學研究,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,可以研究流體動態參數對流體壓力脈動的影響。結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。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行機構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置KISTLER三軸加速度計用以監測泵體振動,在溢流閥處設有三軸加速度計,用以監測溢流閥與執行機構(液壓缸)之間的管路的激勵頻率。通過實驗數據收集分析,發現異常頻率,并通過前述理論討論解釋了異常點出現原因。

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仿真,首先通過SOLIDWORKS建立長管道三維模型,導入FLUENT中做紊流模擬的管道流動,然后將壓力結果導入到靜力學模塊,zui終做的是預應力模態(modal)分析。通過觀察前5階模態頻率和模態振型,來對比管路的優化效果。驗證了管路優化理論的正確性。