柱塞泵流量脉动测试方法和大范围工况降噪结构优化的研究

发布时间：2020-03-06 17:07

【摘要】：噪声污染成为世界范围内的环境问题,在工业领域尤为严重。轴向柱塞泵是液压系统主要噪声源,其流体噪声能够激发相连管道、阀等相关元件振动,致使整个液压系统气动噪声加剧。泵源流量脉动是轴向柱塞泵流体噪声的主要激振源,具有高频、大流量的特点,由于现有高频动态流量计不能直接测试,只能采用间接方法测量。ISO标准“二次源”法是测试容积泵泵源流量脉动的间接方法,该方法基于波的传递理论和管道压力动态特性,应用频率特性已知的辅助泵、阀等改变被测泵所在测试系统的终端阻抗,通过传感器同步测试被测泵和辅助泵、阀之间相连管道不同位置处动态压力推导泵源流量脉动。这一方法适用于多种类型容积泵,测试精度较高,但是系统构成复杂,当传感器距离是压力波波长的整数倍时,不能准确测试泵源流量脉动。因此本文主要针对轴向柱塞泵泵源流量脉动进行研究,以获得一种系统构成简单与全工况精度较高的测试方法,为低敏感度柱塞泵设计提供支撑,选题具有重要的理论意义和工程价值。本文首先建立了柱塞泵流动特性的多场耦合数值模型,该模型首次引入油膜运动的柱塞副、滑靴副泄漏流量对流量脉动的影响,提高了柱塞泵流量脉动模型的精度。在出口压力15MPa、缸体转速1000rpm和斜盘倾角13°时的试验结果证实,与传统数值模型相比,该模型对泵源流量脉动率预测精度提高了22.7%。因此该模型计算结果可以作为分析泵源流量脉动和优化降噪结构的参考。然后提出了新的泵源阻抗估值算法和非等径管道特征参数计算方法,解决了应用辅助泵测试被测泵泵源流量脉动的ISO标准“二次源”法不能准确测试压力传感器距离是压力谐波频整数倍工况下泵源流量脉动,将出口管道等效成长直管道的“实用近似”法不能准确测试带有非等径管道容积泵泵源流量脉动的问题。通过出口压力为5MPa-22MPa,转速为400rpm-1500rpm的试验证实,与ISO提供阻抗估值算法相比,新的阻抗估值算法能估测任意工况下泵源流量脉动,且阻抗估值精度提高了20%；同时修正的“实用近似”法测试精度达到92%以上。因此这些方法提高了测试方法的精度,拓展了现有测试方法的使用范围。最后提出了与配流盘缓冲槽结合的预压缩容腔和斜盘交错角降噪结构的优选准则。首次应用泵源流量脉动变化率差值对预压缩容腔边长差值之比选择了预压缩容腔体积大小,应用配流盘对泵源流量脉动峰值和柱塞腔压力峰值敏感区初选了预压缩容腔引入孔角度和斜盘交错角。针对排量56的斜盘式轴向柱塞泵仿真研究表明,这两个优化准则简化了大范围工况、多部件结合降噪结构优化过程。论文主要研究内容如下：第一章给出了柱塞泵流量脉动研究的目的和意义。针对现有柱塞泵流量脉动仿真模型精度低、测试方法复杂等问题,确定了课题的研究内容、技术路线,并总结了课题的技术难点,给出了课题研究的目标。第二章根据柱塞泵运行原理,搭建了柱塞泵油液流动特性的多场耦合数值模型。该模型首次考虑引入油膜运动的柱塞副、滑靴副泄漏流量对流量脉动的影响,提高了柱塞泵流量脉动模型的精度；模型考虑了温度和压力对油液粘度的影响,通过质量、动量和能量守恒方程计算了柱塞泵关键油模的压力场和温度场；搭建了柱塞泵测试系统有限元模型。第三章详述了柱塞泵流量脉动测试原理和测试平台搭建需要注意的问题。针对现有“实用近似”法不能准确测试带有非等径出口管道柱塞泵流量脉动的问题,应用第二章建立的有限元模型和动边界理论,计算非等径管道特征参数,修正了“实用近似”法,以拓展拓展其使用范围。第四章给出了ISO标准“二次源”法测试数据处理过程,获得了较精确的测试结果,并实验验证了第二章所建立的柱塞泵流量脉动仿真模型的准确性；提出应用阻抗估值带宽估算泵源阻抗,应用线性衰减技术计算估值带宽,试验证实,该方法能够获得全工况范围泵源阻抗。针对第三章提出的修正方法进行了实验验证,结果表明：通过出口压力为5MPa-22MPa,转速为400rpm-1500rpm时试验证实：新的阻抗估值算法能估测任意工况下泵源流量脉动,且阻抗估值精度提高了20%。第五章分析了运行工况(包括稳态、瞬态工况)和油液特性对柱塞泵流量脉动的影响,给出了不同参数的影响程度,为降噪结构的优化提供依据。针对柱塞泵流量脉动有限元模型巨大,求解时间过长的问题,应用并行求解器快速获得仿真结果；引入动边界理论模拟瞬态工况下柱塞泵流量脉动,分析了柱塞泵流量脉动瞬态变化。第六章研究了缓冲槽、预压缩容腔和交错角对柱塞泵流量脉动的影响,给出了配流盘结构与流量脉动峰值对应关系,并提出了带有配流盘缓冲槽的预压缩容腔和交错角结构优化准则。第七章总结了论文研究内容,给出了柱塞泵流体噪声研究结论,引出了本文创新点,最后展望了进一步研究内容。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH322;TP274

【参考文献】