轴向柱塞泵的性能研究

hujing

轴向柱塞泵的性能研究

摘要：随着液压传动与控制技术的不断发展，对柱塞泵的性能提出了更高的要求。为研究和设计高性能的柱塞泵，单纯运用传统的物理实验法，费工费时，变更参数或条件困难，有时甚至无法实现;并且柱塞泵的某些构件的弹性变形存在非线性惯性耦合，液压系统又大量存在非线性环节，因此若采用通常的理论分析法，其结果往往与实际相差甚远。而将虚拟样机技术应用于液压传动与控制领域，利用虚拟样机技术集成化的特点，以多体系统动力分析仿真软件ADAMS为核心，结合CAD软件Pro/E中建立的三维模型，有限元分析软件ANSYS柔性化处理和系统仿真软件AMESim中建立的液压系统模型，建立起柱塞泵的虚拟样机。通过建立虚拟仿真环境进行研究分析，可以降低实验成本，提高试验效率，缩短实验周期，对于研究分析轴向柱塞泵性能具有重要意义。

关键词：柱塞泵;仿真;控制;参数;动力

一、国内外研究现状

    轴向柱塞泵是利用与传动轴平行的柱塞在柱塞孔内往复运动所产生的容积变化来进行工作的。由于柱塞和柱塞孔都是圆形零件，加工时可以达到很高的精度配合，因此容积效率高，运转平稳，流量均匀性好，噪声低，但对液压油的污染较敏感，结构较复杂，造价较高。轴向柱塞泵的优点是结构紧凑，径向尺寸小，转动惯量小，工作压力高，效率高，并易于实现变量。目前有的轴向柱塞泵的压力可以达到35MPa，甚至40MPa。由于上述特点，轴向柱塞泵被广泛使用于工程机械、塑料机械、起重运输、冶金、船舶、机床和农业机械等领域。虚拟样机技术在一些发达国家，如美国、德国、日本等己得到广泛的应用，应用领域从汽车制造、工程机械、航空航天业、造船、机械电子工业、国防工业、通用机械到人机工程学、生物力学、医学以及工程咨询等很多方面。随着材料、制造、电子等技术的发展，轴向柱塞泵的新技术层出不穷，例如荷兰Innas公司开发的Float Cup结构轴向柱塞泵，丹麦的Saur-Danfoss公司为工程机械量身定做的H1系列的多功能泵，德国Rexroth公司推出的电子智能泵等等。国产轴向柱塞泵主要有引进国外技术的产品和我国自主研发的CY系列柱塞泵。引进国外技术Rexroth、Yuken等系列，性能介于国外产品和CY泵之间。就性能指标来讲，国产Rexroth系列的排量、额定压力、转速都要比CY系列的大一些。其额定压力35 MPa，峰值压力达40 MPa；转速达到2000 r/min以上，而CY系列额定压力在31.5 MPa，转速一般限定在1500 r/min。轴向柱塞泵在发展中，基本结构保持了稳定，高速高压以及良好的控制方法是其发展的方向。美国波音公司的波音777大型客机是世界上首架以无图纸方式研发及制造出来的飞机，其设计、装配、性能评价及分析就是采用了虚拟样机技术，这不但使研发周期大大缩短、研发成本大大降低，而且确保了最终产品一次性接装成功。对比以往的飞机，波音公司减少了93%的设计更改和94%的花费。美国航空航天局(NASA)的喷气推进实验室(JPL)成功地实现了火星探测器“探路号”在火星上的软着陆。JPL工程师利用虚拟样机技术模拟宇宙飞船在不同阶段(进入大气层、减速和着陆)的工作过程。在探测器发射以前，JPL的工程师运用虚拟样机技术预测到由于制动火箭与火星风的相互作用，探测器很有可能在着陆时滚翻。工程师们针对这个问题修改了技术方案，将灵敏的科学仪器安全送抵火星表面，保证了火星登陆计划的成功。Caterpillar公司采用虚拟样机技术，从根本上改进了工程机械的设计和试验程序，实现了快速虚拟试验多种设计方案，从而使产品成本降低，性能却更加优越。同样，在著名的工程机械厂商John Deere公司，为了解决工程机械在高速行驶时的蛇行现象及在重载下的自激振动问题，工程师应用虚拟样机技术，不仅找到了问题产生的原因，而且提出了改进方案，并且在虚拟样机的基础上得到了验证，从而大大提高了产品的高速行驶性能与重载作业性能。清华大学国家CIMS中心熊光楞教授研究了虚拟样机技术的内涵、体系结构及其关键技术，探讨了支持复杂产品(含机械、电子、软件、控制等子系统)虚拟样机开发支撑环境的内容。哈尔滨工业大学依据其研制的并联机床的设计图纸，利用VC++调用OpenGL图形函数对机床各部分零件进行参数化实体造型;然后按照各零件之间的装配关系进行实体装配，并经过渲染形成具有真实感的、参数化的并联机床虚拟样机。根据给定刀头点的轨迹和轨迹上各点对应刀具轴线矢量，采用逆解的方法，实时、动态地显示出并联机床的工作过程。上海交通大学邵立等学者针对虚拟制造中仿真技术的应用课题进行了研究。研究报告中指出，仿真在制造系统中的应用按照人的介入与否分为一般仿真层和虚拟现实层，仿真技术是实现虚拟制造的主要手段。清华大学陶品等学者从虚拟现实技术的角度出发，讨论了设计虚拟装配平台时的关键技术，包括虚拟装配平台的装配关系表示、装配对象管理、实时碰撞检测等问题。西北工业大学分析了基于虚拟样机的系统仿真技术。北京航空航天大学分析了虚拟样机在控制系统设计中的应用，阐述了构筑虚拟样机所需的应用技术。武汉理工大学的硕士研究生王承运用虚拟样机技术对自卸车的举升机构进行了仿真分析和优化设计，并对自卸车液压系统进行仿真分析，为液压系统的设计提供了理论依据。

二、研究方法

    轴向柱塞泵由多个零部件组成，是一种复杂的多体机械系统，各零部件的运动和动力学特性又与泵的性能参数关系密切。如果采用虚拟样机技术在计算机上建立泵的实体模型，就能更直观、更精确地分析和评估系统的性能。轴向柱塞泵实现机械能向液压能的转化，因此不能单独从纯机械动力学的角度来分析。这里的仿真其实是一个液固耦合仿真，本课题将AMESim中的液压模型与ADAMS中的动力学模型联系起来，进行联合仿真。又因为轴向柱塞泵某些部件的柔性显著，其弹性变形对系统整体运动的影响已不能忽略，所以对柱塞泵进行运动学和动力学仿真研究，要采取刚柔耦合的方法进行，本课题集成有限元分析软件ANSYS和机械系统动力学仿真软件ADAMS两种软件的功能来进行刚柔耦合仿真。因此，在本课题中轴向柱塞泵虚拟样机的建立综合使用了CAD软件、有限元分析软件、系统仿真软件和机械系统动力学仿真软件，四者之间的数据传递关系如下图所示。

三、虚拟样机研究当中存在的问题

    1、目前国内的研究范围较窄, 仅停留在多体系统动力学的领域内, 且仅停留在实验室阶段, 尚难以在工程实践中应用。对于由少量刚体组成的简单系统, 用任何一种方法, 甚至手工推导都可进行动力学分析; 但是对于由大量刚体组成的复杂系统, 若不借助于计算机, 人们是无法进行仿真分析研究的。从这个角度上讲, 如果没有工程设计人员易于掌握的机械系统仿真分析软件, 多体系统动力学的理论再精妙、再完美也只能停留在纸上, 而无法解决现实中的工程问题。国内在虚拟样机方面的研究工作中对这方面的重视程度还很不够,有待进一步加强。

    2、对相关技术的研究不足。1 9 6 6 年罗伯森和维滕堡创造性地将图论引入多刚体系统动第2 期张旭等: 机械系统虚拟样机技术的研究与开发力学, 使这个学科分支一度呈现出崭新的形态。在此之后, 国外有些学者较深入地研究了图论在多刚体系统动力学领域的应用, 取得了一定的成果, 如修斯顿等人提出了“ 低序体阵列” 的概念, 并在此基础上发展了一套独具特色的多体系统动力学的建模方法—“有限段建模法” 。与国外的研究及其成果相比, 国内学者在这方面投入的精力不多。受“ 面向对象技术” 在计算机及其相关领域内的快速发展和成功应用的影响, 目前国外已有学者开始研究如何将面向对象技术应用到虚拟样机技术中来。事实上, 国外学者在这方面的研究已引起业界有关方面的重视, 而国内在这方面的研究却是一片空白。机械系统虚拟样机技术涉及到大量描述机械系统及其力学特性的数据。这些数据如何存储, 并使所存数据有足够的灵活性, 以适应实际机械系统结构及组成的多样性和复杂性, 还必须考虑所存数据的一致性; 如何对各种相关信息进行添加、修改、删除、查找等操作; 如何使数据与面向对象技术的要求和谐一致等: 都要由数据结构来解决, 而国内学者很少进行这方面的研究。

    3、对机械系统虚拟样机技术软件系统的开发和商品化的重要性及迫切性认识不足。虚拟样机技术在工程中应用的前提条件是软件, 只是商品化的软件为机械系统设计师所使用, 其巨大的社会效益和经济效益才会体现出来。国内学者对于机械系统虚拟样机技术软件系统的开发和商品化工作的重要性及迫切性认识不足, 至今尚无进行商品化软件开发的迹象, 而国外先进的、商品化的虚拟样机技术软件都具有良好的图形用户界面, 具有直观、自然、友好、方便等优点。国内学者在这方面的工作远远不够, 这是国内同类软件只能停留在实验室中, 一般人员难以使用的根本原因之一。

四、总结

    借助于虚拟样机技术，用户和设计人员可以在计算机上建立机械系统的模型，伴之以三维可视化处理，模拟在现实环境下系统的运动和动力特性，它以对象的动力学/运动学模型为核心，其他相关模型为补充，利用多领域建模工具和仿真技术建立对象的虚拟样机原型系统。由于虚拟样机完全按照对象最本质的因素建模，在动力学特性上非常接近于物理样机，因而对虚拟样机的仿真评估可以代替对物理样机总体设计性能的评估。

                                                                                                     姓名：胡静

                                                          学号：122085206013