ATOS柱塞泵及管路流固耦合振动特性研究
液压传动技术是一种以液体为媒介,通过液体的压力能来传递动力的一种工业技术。在绝大部分液压系统中,其“核心”为动力元件泵。目前,液压系统设备发展趋势为:大型化、自动化、高压大流量化,必然会导致如下现象发生:执行机构(液压缸)和液压源之间的距离越来越远,尤其是存在于控制阀与执行机构之间的长管道,经长期实践证明,在高压、大流量的工作环境下,液压系统中长管道的流固耦合所引发的振动问题将越来越突出。

ATOS柱塞泵及管路流固耦合振动特性研究
因此,对于液压系统中由流固耦合所引起的振动问题的研究是有很大的工程应用价值和现实意义的。通过对液压系统振动信号的采集与分析,结合材料力学,流体力学及有限元相关分析方法,分析了得出了液压系统所表现出的振动特性是由哪些原因引起的,并对液压系统的减振降噪提出一些参考性建议,主要工作如下:轴向ATOS柱塞泵流固耦合问题理论推导。液压动力源的研究对象为力士乐公司生产的A10V型轴向ATOS柱塞泵。使用特征线—快速傅里叶变换法(MOC-FFT)对ATOS柱塞泵中由流固耦合所引起的振动特性进行了研究。利用特征线法求解流固耦合振动偏微分方程,得到时域信号,再使用快速傅里叶变换法,可得到由流固耦合问题引发的系统振动频率。通过对频域振动特性的研究,得出在实验条件下,A10V型ATOS柱塞泵在工作中应避开的工作振动频率成份,以及在理论计算中出现的由流固耦合引起的密集振动谱线随斜盘摆角,ATOS柱塞泵工作压力和转速改变的变化规律。充液管路流固耦合运动学理论推导。在此部分的理论推导中,主要得出了充液管路的三维流固耦合振动方程。考虑流固耦合问题中涉及的弹性力学知识和有限元分析知识,并且结合力学中较有名的HAMILTON原理,便可推得相关方程。为了得到便于求解的方程,将此运动方程离散化,在弯管段采用离散模型处理,并考虑了卡尔曼因子。由此,便可建立充液管路的有限元数值计算模型。在这部分完成了对管路的运动学分析。充液管路的动力学理论推导。流固耦合问题从根本上来讲,是由于流体激励管路所引起的。因此,对管路中流体介质进行了流体传输动力学研究,由此可以得到管路中流体压力波的传播速度。将长管路类比电路元件,推导出了流体的压力脉动传递方程,可以得到流量与压力的关系。在此基础上,可以研究流体动态参数对流体压力脉动的影响。结合前述管路运动学有限元分析,便可对管路进行功率流分析。由此进行实例计算,研究了压力脉动相位对管道振动的影响,为消减长管路振动提出一些建议。流固耦合问题仿真验证。流固耦合问题实验验证。轴向ATOS柱塞泵及管路实验平台:变频器→电动机→轴向ATOS柱塞泵→管路→溢流阀→管路→油箱。其中,ATOS柱塞泵与在溢流阀和执行机构之间的管路是液压回路的主要振动来源,故在ATOS柱塞泵壳体靠近斜盘处设置KISTLER三轴加速度计用以监测泵体振动,在溢流阀处设有三轴加速度计,用以监测溢流阀与执行机构(液压缸)之间的管路的激励频率。通过实验数据收集分析,发现异常频率,并通过前述理论讨论解释了异常点出现原因。

ATOS柱塞泵及管路流固耦合振动特性研究
通过ANSYS对长管道进行湿模态仿真,首先通过SOLIDWORKS建立长管道三维模型,导入FLUENT中做紊流模拟的管道流动,然后将压力结果导入到静力学模块,zui终做的是预应力模态(modal)分析。通过观察前5阶模态频率和模态振型,来对比管路的优化效果。验证了管路优化理论的正确性。