柱塞泵及管路流固耦合振动特性研究

发布时间：2017-09-02 15:32

  本文关键词：柱塞泵及管路流固耦合振动特性研究

  更多相关文章： 轴向柱塞泵 长管路 振动信号采集 流固耦合分析 模态仿真

【摘要】：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。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。本文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:1.轴向柱塞泵流固耦合问题理论推导。本论文液压动力源的研究对象为力士乐公司生产的A10V型轴向柱塞泵。本文使用特征线—快速傅里叶变换法(MOC-FFT)对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,柱塞泵工作压力和转速改变的变化规律。2.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,并且结合力学中著名的HAMILTON原理,便可推得相关方程。为了得到便于求解的方程,本文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。3.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。4.流固耦合问题仿真验证。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(static structural),最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。5.流固耦合问题实验验证。轴向柱塞泵及管路实验平台:变频器→电动机→轴向柱塞泵→管路→溢流阀→管路→油箱。其中,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。
【关键词】：轴向柱塞泵 长管路 振动信号采集 流固耦合分析 模态仿真
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH137
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-20
• 1.1 选题目的及意义10
• 1.2 国内外研究动态10-18
• 1.2.1 流固耦合问题研究动态介绍11-14
• 1.2.2 柱塞泵振动特性研究动态14-16
• 1.2.3 长管路振动特性研究动态16-18
• 1.3 主要研究内容18-20
• 第二章 柱塞泵流固耦合振动特性分析20-34
• 2.1 引言20-22
• 2.2 数值分析方法相关原理介绍22-29
• 2.2.1 数值分析方法流程图22
• 2.2.2 特征线法22-25
• 2.2.3 有限差分法（MOC）25-27
• 2.2.4 QR矩阵分解法27-28
• 2.2.5 快速傅里叶变换法（FFT）28-29
• 2.3 流固耦合振动轴向振动四方程求解29-31
• 2.4 流固耦合振动横向振动四方程求解31-32
• 2.5 本章小结32-34
• 第三章 充液长管路运动及动力学理论分析34-54
• 3.1 引言34
• 3.2 长管路流固耦合问题运动学分析34-42
• 3.2.1 流固耦合振动方程推导34-36
• 3.2.2 流固耦合形函数求解36-38
• 3.2.3 流固耦合单元的运动方程38-39
• 3.2.4 管路弯角理论模型39-41
• 3.2.5 空间坐标转换关系41-42
• 3.3 流体介质动力学研究42-49
• 3.3.1 管道内压力波传递速度42-45
• 3.3.2 充液管路动态方程45-47
• 3.3.3 充液管路基本特征参数47-49
• 3.4 充液管路功率流计算49-52
• 3.5 小结52-54
• 第四章 充液管路ANSYS流固耦合仿真54-66
• 4.1 引言54
• 4.2 管路结构优化54-55
• 4.3 ANSYS软件简介55-56
• 4.4 基于ANSYS的长管路分析56-65
• 4.4.1 空管模态求解56-59
• 4.4.2 充液管路流固耦合模态求解59-65
• 4.5 小结65-66
• 第五章 液压系统振动特性研究实验66-80
• 5.1 实验平台搭建66-69
• 5.1.1 主要实验器材简介66-67
• 5.1.2 实验平台搭建过程67-69
• 5.2 实验过程69-71
• 5.3 实验数据处理结果71-74
• 5.4 实验结果分析74-78
• 5.5 本章小结78-80
• 第六章 总结与展望80-82
• 6.1 主要结论80-81
• 6.2 进一步工作展望81-82
• 参考文献82-88
• 致谢88-90
• 攻读学位期间发表的学术论文及科研成果90

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本文编号：779410