液压泵柱塞副流体-热结构耦合特性研究
发布时间：2021-04-07 08:31
柱塞泵是一类流体-热-结构耦合的复杂产品,主要由柱塞副、滑靴副、配流副的性能来保证能量转换效率以及寿命。柱塞副主要由柱塞、缸体组成,两个组件相互配合使容腔体积周期性变化来实现吸油、增压和排油功能。目前对柱塞副运动学、动力学与流体动力学、材料学、热力学间的相互作用规律尚不明晰,也缺少成熟的理论支撑,为此本文从理论和试验两个层面开展研究工作,主要研究内容如下:（1）结合柱塞副的结构、运动和受力情况,建立柱塞副的运动和受力模型,并进行了运动学的仿真。（2）建立了柱塞副流体-热-结构耦合油膜特性模型并给出了数值求解方法。采用有限体积法和超松弛迭代法对模型中的雷诺方程和能量方程进行了离散并求解,最后介绍了关于柱塞表面变形的有限元计算方法。（3）采用MATLAB和COMSOL联合仿真的方式,在特定工况下对柱塞副的油膜厚度场、压力场、温度场进行了仿真计算,并分析了上述物理场在一个周期内的变化规律。（4）设计并搭建了单柱塞式360°油膜润滑特性测试台和配套测试系统。在不同负载压力、入口油温和主轴转速工况下开展了柱塞副油膜厚度、油膜压力、温度试验,并对试验与仿真结果做了对比分析。理论和试验结果表明:（1...
【文章来源】：浙江师范大学浙江省
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
普渡大学温度试验台及其温度试验结果
第1章绪论5Lasaar[12]提出了一种用于研究柱塞泵压力和摩擦力的试验台，其结构如图1.4(a)所示，该试验台通过三轴力传感器测量了柱塞由于轴向运动和转动而产生的摩擦力。Lasaar还提出了一种如图1.4(b)所示的鼓形柱塞，通过微小的外形变化使柱塞副的摩擦阻力降低了23%。a)三轴力试验台b)鼓形柱塞图1.4普渡大学三轴力试验台和鼓形柱塞Wieczorek[13]在非等温柱塞副油膜模型的基础上考虑了柱塞副的受力平衡方程，通过实时的受力平衡方程，求解得出了柱塞两端中心的位置和变化速度。此外，他还考虑了柱塞的自旋，引入了压力与润滑油黏度的关系方程。随后，使用C++语言将上述模型编写成轴向柱塞泵三大关键摩擦副仿真软件CASPAR，用于对三大摩擦副的压力、温度、泄露、运动轨迹等参数的仿真计算。Huang[14]将经过数值分析得出的压力场结果导入ANSYS中，求解得到了因为压力变形引起的油膜厚度变化，建立了柱塞副的弹性流体动力润滑计算模型。Pelosi[15]不仅把柱塞副的油膜流动和结构进行了耦合求解，还将ANSYS中的热变形求解器集成到了柱塞副油膜的非等温流体模型中，提出了柱塞副的热弹流动力润滑模型。该模型体现了柱塞副油膜的压力特性、温度特性、柱塞和衬套的弹性变形特性以及三者之间的耦合关系。Ashly[17]设计了六种异形柱塞，所考虑的主要柱塞表面设计参数包括：振幅，波数，顶点位置，顶端半径，底端半径，最小径向间隙，并使用CASPAR对这些柱塞在多种工况下进行了仿真。随后，她对这些柱塞进行了不同工况的装机试验。结合所得结果，在分析不同工况下柱塞外形参数和柱塞泵整体效率之间的关系后发现：不同工况需搭配不同形状柱塞使用才能起到最佳的降磨减阻和密封的作用，但综合来说鼓形表面表现最佳，特别是在泵模式高压满排
肈SHplus和ADAMAS联合仿真的方法研究了柱塞泵内各处流场及其压力的变化情况，并对柱塞副进行了结构优化，降低了噪声水平并减少了流量脉动。瑞典林雪平大学的Palmberg[19]教授通过对配流盘上腰形槽前的预压容积腔进行优化设计，降低了柱塞腔在吸/排油过程转换时产生的压力冲击峰值，同时减少了配流盘内的流量脉动。韩国科技大学的ChoKum-Won[20]以简化后的柱塞副油膜模型为基础，结合动态压力负载模型，分别求解得出了刚性和弹性柱塞的油膜压力场结果。密苏里大学哥伦比亚分校的Manring[21]教授采用单柱塞试验台，如图1.5所示，分析了柱塞的摩擦受力状态。在压力油和斜盘的带动下，实现了对柱塞往复运动的模拟，再通过布置在四周的压力应变片完成对柱塞副摩擦力的测量。图1.5摩擦力测试试验台德国亚琛工业大学的Hubertus和Stephan教授[22]通过添加新型材料涂层的方法对柱塞副进行了表面改性，通过在摩擦试验台上进行摩擦磨损试验，并使用摩擦系数来表征改性后柱塞的摩擦学特性。试验结果表明：改性后的柱塞表面磨损减少明显，并且与衬套材料之间的摩擦也非常校西班牙加泰罗尼亚大学的Kumar[23]搭建了油膜压力脉动特性试验台，该试验台可通过加载不同的转速、负载压力和改变斜盘倾角来模拟出泵在实际工况中的压力脉动。Kumar[24]还在假定柱塞倾斜的情况下，通过分区域计算求解雷诺方程，得出了带有均压环的柱塞副油膜压力常并对比分析了不同均压环组合下柱塞的泄漏量和轴向黏性摩擦力变化。1.3.2国内研究现状国内哈尔滨工业大学的许耀铭[25,26]教授团队针对柱塞副的可靠性和耐磨性进行了多年的研究，开创了国内柱塞副油膜特性研究的先河。随后，以浙江大学、
【参考文献】：
期刊论文
[1]柱塞副温度场数学建模与性能分析[J]. 马俊,李毅波,潘阳. 中南大学学报(自然科学版). 2018(02)
[2]表面织构化在工业摩擦学领域的研究现状与展望[J]. 于如飞,陈渭. 机械工程学报. 2017(03)
[3]燃料柱塞泵流动特性仿真分析与低噪声设计[J]. 孙涛,罗凯,周华,王晋中,尹韶平. 振动与冲击. 2017(02)
[4]轴向柱塞泵柱塞副偏心状态油膜特性分析[J]. 李晶,陈昊,訚耀保. 华南理工大学学报(自然科学版). 2016(10)
[5]轴向柱塞泵柱塞滑靴组件动力学特性建模与分析[J]. 胡敏,徐兵,周万仁,夏士奇. 农业机械学报. 2016(03)
[6]轴向柱塞泵摩擦副材料的摩擦磨损实验研究[J]. 姜继海,高丽新. 机床与液压. 2015(11)
[7]PP轴向柱塞泵柱塞副温度特性研究[J]. 訚耀保,陈昊,李晶. 中国机械工程. 2015(08)
[8]航空恒压柱塞泵全工况效率特性分析[J]. 李永林,曹克强,胡良谋,黎维安,贾联慧. 机床与液压. 2014(15)
[9]柱塞副油膜温度分布的数值分析[J]. 王智慧,苑士华,彭增雄. 汽车工程. 2013(09)
[10]柱塞倾斜轴向柱塞泵运动特性多体仿真[J]. 赵虎,张森,权龙. 液压气动与密封. 2013(06)
硕士论文
[1]轴向柱塞泵柱塞副全周期润滑特性理论与试验研究[D]. 高猛.北京理工大学 2015
[2]高压海水轴向柱塞泵柱塞副仿生非光滑表面的研究[D]. 胡威.燕山大学 2015
[3]斜盘式轴向柱塞泵柱塞副与滑靴副动态润滑特性研究[D]. 杨淼.哈尔滨工业大学 2014
[4]水润滑轴向柱塞液压泵的设计与研究[D]. 金文浩.华中科技大学 2012
[5]轴向柱塞泵柱塞副油膜特性测试系统研究[D]. 陈庆瑞.浙江大学 2008
本文编号：3123152
【文章来源】：浙江师范大学浙江省
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
普渡大学温度试验台及其温度试验结果
第1章绪论5Lasaar[12]提出了一种用于研究柱塞泵压力和摩擦力的试验台，其结构如图1.4(a)所示，该试验台通过三轴力传感器测量了柱塞由于轴向运动和转动而产生的摩擦力。Lasaar还提出了一种如图1.4(b)所示的鼓形柱塞，通过微小的外形变化使柱塞副的摩擦阻力降低了23%。a)三轴力试验台b)鼓形柱塞图1.4普渡大学三轴力试验台和鼓形柱塞Wieczorek[13]在非等温柱塞副油膜模型的基础上考虑了柱塞副的受力平衡方程，通过实时的受力平衡方程，求解得出了柱塞两端中心的位置和变化速度。此外，他还考虑了柱塞的自旋，引入了压力与润滑油黏度的关系方程。随后，使用C++语言将上述模型编写成轴向柱塞泵三大关键摩擦副仿真软件CASPAR，用于对三大摩擦副的压力、温度、泄露、运动轨迹等参数的仿真计算。Huang[14]将经过数值分析得出的压力场结果导入ANSYS中，求解得到了因为压力变形引起的油膜厚度变化，建立了柱塞副的弹性流体动力润滑计算模型。Pelosi[15]不仅把柱塞副的油膜流动和结构进行了耦合求解，还将ANSYS中的热变形求解器集成到了柱塞副油膜的非等温流体模型中，提出了柱塞副的热弹流动力润滑模型。该模型体现了柱塞副油膜的压力特性、温度特性、柱塞和衬套的弹性变形特性以及三者之间的耦合关系。Ashly[17]设计了六种异形柱塞，所考虑的主要柱塞表面设计参数包括：振幅，波数，顶点位置，顶端半径，底端半径，最小径向间隙，并使用CASPAR对这些柱塞在多种工况下进行了仿真。随后，她对这些柱塞进行了不同工况的装机试验。结合所得结果，在分析不同工况下柱塞外形参数和柱塞泵整体效率之间的关系后发现：不同工况需搭配不同形状柱塞使用才能起到最佳的降磨减阻和密封的作用，但综合来说鼓形表面表现最佳，特别是在泵模式高压满排
肈SHplus和ADAMAS联合仿真的方法研究了柱塞泵内各处流场及其压力的变化情况，并对柱塞副进行了结构优化，降低了噪声水平并减少了流量脉动。瑞典林雪平大学的Palmberg[19]教授通过对配流盘上腰形槽前的预压容积腔进行优化设计，降低了柱塞腔在吸/排油过程转换时产生的压力冲击峰值，同时减少了配流盘内的流量脉动。韩国科技大学的ChoKum-Won[20]以简化后的柱塞副油膜模型为基础，结合动态压力负载模型，分别求解得出了刚性和弹性柱塞的油膜压力场结果。密苏里大学哥伦比亚分校的Manring[21]教授采用单柱塞试验台，如图1.5所示，分析了柱塞的摩擦受力状态。在压力油和斜盘的带动下，实现了对柱塞往复运动的模拟，再通过布置在四周的压力应变片完成对柱塞副摩擦力的测量。图1.5摩擦力测试试验台德国亚琛工业大学的Hubertus和Stephan教授[22]通过添加新型材料涂层的方法对柱塞副进行了表面改性，通过在摩擦试验台上进行摩擦磨损试验，并使用摩擦系数来表征改性后柱塞的摩擦学特性。试验结果表明：改性后的柱塞表面磨损减少明显，并且与衬套材料之间的摩擦也非常校西班牙加泰罗尼亚大学的Kumar[23]搭建了油膜压力脉动特性试验台，该试验台可通过加载不同的转速、负载压力和改变斜盘倾角来模拟出泵在实际工况中的压力脉动。Kumar[24]还在假定柱塞倾斜的情况下，通过分区域计算求解雷诺方程，得出了带有均压环的柱塞副油膜压力常并对比分析了不同均压环组合下柱塞的泄漏量和轴向黏性摩擦力变化。1.3.2国内研究现状国内哈尔滨工业大学的许耀铭[25,26]教授团队针对柱塞副的可靠性和耐磨性进行了多年的研究，开创了国内柱塞副油膜特性研究的先河。随后，以浙江大学、
【参考文献】：
期刊论文
[1]柱塞副温度场数学建模与性能分析[J]. 马俊,李毅波,潘阳. 中南大学学报(自然科学版). 2018(02)
[2]表面织构化在工业摩擦学领域的研究现状与展望[J]. 于如飞,陈渭. 机械工程学报. 2017(03)
[3]燃料柱塞泵流动特性仿真分析与低噪声设计[J]. 孙涛,罗凯,周华,王晋中,尹韶平. 振动与冲击. 2017(02)
[4]轴向柱塞泵柱塞副偏心状态油膜特性分析[J]. 李晶,陈昊,訚耀保. 华南理工大学学报(自然科学版). 2016(10)
[5]轴向柱塞泵柱塞滑靴组件动力学特性建模与分析[J]. 胡敏,徐兵,周万仁,夏士奇. 农业机械学报. 2016(03)
[6]轴向柱塞泵摩擦副材料的摩擦磨损实验研究[J]. 姜继海,高丽新. 机床与液压. 2015(11)
[7]PP轴向柱塞泵柱塞副温度特性研究[J]. 訚耀保,陈昊,李晶. 中国机械工程. 2015(08)
[8]航空恒压柱塞泵全工况效率特性分析[J]. 李永林,曹克强,胡良谋,黎维安,贾联慧. 机床与液压. 2014(15)
[9]柱塞副油膜温度分布的数值分析[J]. 王智慧,苑士华,彭增雄. 汽车工程. 2013(09)
[10]柱塞倾斜轴向柱塞泵运动特性多体仿真[J]. 赵虎,张森,权龙. 液压气动与密封. 2013(06)
硕士论文
[1]轴向柱塞泵柱塞副全周期润滑特性理论与试验研究[D]. 高猛.北京理工大学 2015
[2]高压海水轴向柱塞泵柱塞副仿生非光滑表面的研究[D]. 胡威.燕山大学 2015
[3]斜盘式轴向柱塞泵柱塞副与滑靴副动态润滑特性研究[D]. 杨淼.哈尔滨工业大学 2014
[4]水润滑轴向柱塞液压泵的设计与研究[D]. 金文浩.华中科技大学 2012
[5]轴向柱塞泵柱塞副油膜特性测试系统研究[D]. 陈庆瑞.浙江大学 2008
本文编号：3123152
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