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    轴向柱塞泵马达研究的新技术

    近年来,随着计算机运算能力的不断增强和微电子传感技术的发展,使得基于虚拟样机技术的轴向柱塞泵的仿真技术和基于模型泵思想的轴向柱塞泵的试验技术发展了起来。

    1.1基于虚拟样机的轴向柱塞泵/马达仿其技术

    虚拟样机技术是一项新生的工程技术。可以在计算机上建立机械系统的三维模型,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。

    由于轴向柱塞泵/马达中某些构件的弹性变形存在非线性惯性藕合,液压系统也存在大量非线性环节,运用传统试验法和理论分析法设计和优化泵/马达费工费时,而且分析结果往往与实际相差甚远。而虚拟样机的分析方法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设计性能的评估。

    液压系统虚拟样机技术是利用目前所具有的CAD建模技术,融合先进的液压仿真技术,对液压系统的动、静态特性进行预测和研究。因此基于轴向柱塞泵/马达的动力学关系,耦合液固两种建模方式,建立两种模型可以实时通信的虚拟样机,用来进行轴向柱塞泵/马达的仿真。

    德国亚琛工业大学采用液压系统仿真软件DSHplus和多体动力学仿真软件ADAMS联合进行仿真,其中机械模块以ADAMS中的物理模型和动力学关系为基础,液压模块用于计算流体产生的压力参数,摩擦模块用于计算摩擦力,通过多个模块可以对泵的关键摩擦副进行联合仿真,其数据流程如图8所示。这是一种初步的虚拟样机的思想,对以后的研究有重要的启发意义。

    Rexroth公司使用ADAMS软件自带的液压模块和斜轴泵动力学模型耦合,对传动轴进行了动力学仿真(如图9),为倾角的优化提供了依据。

    Parker公司于2004年首次明确提出了采用虚拟样机的思路对轴向柱塞泵进行研究。他们采用液压系统软件EASY5和ADAMS联合建立虚拟样机,如图10所示。对柱塞腔的摩擦力、压力脉动和部分结构件的动态应力状况进行了仿真分析,为泵的设计及产品优化开辟了新的途经。

    在国内,浙江大学也开展了轴向柱塞泵/马达的虚拟样机方面的研究,对HAWE的V30泵采用ADAMS和系统仿真软件AMEsim来建立虚拟样机(图11),通过动力学和液压两个模型的实时交互完成联合仿真并对轴向柱塞泵的流量脉动以及柱塞和主轴的动态应力进行了分析。

    采用虚拟样机的仿真手段可以降低试验成本,提高试验效率,缩短产品的研发周期,对于轴向柱塞泵/马达的开发和故障诊断都有着重要意义。

    1.2基于模型泵思想的马达试验技术

    轴向柱塞泵/马达结构复杂、液固耦合而且高速旋转的特点决定了针对其局部特性的试验研究往往要进行多次简化,这使得试验与泵/马达的真实运行情况相差甚远。例如2004年,MANRING教授搭建了柱塞副静态特性的试验装置(图12),用一个静态柱塞副研究其油膜特性,这种方法和实际相差较远,仅能定性地做一些理论验证。

    近年来,随着电子传感技术的进步,使得在泵/马达的基本结构不变的条件下对泵的内部流体特性进行检测成为可能。这就是模型泵的试验思想,以实际泵马达为基体,采用微传感器和无线数据传输等技术实现在动态情况下在线检测泵/马达的特性参数,模型泵甚至可以和实际产品一样驱动负载。因此这样的测试结果更有说服力.这种基于模型泵思想的测试平台对元件的优化和改进有着十分重要的指导意义。

    2000年,OLEMS阐述了一种基于模型泵技术的平台,用来测试泵内部温度场和压力来研究柱塞腔的能量耗散情况,如图13所示。试验台采用细小的热电偶和和微型压力传感器来测试温度分布和压力值,采用无线传输的方法把数据传输到计算机上,结果表明测量结果和实际吻合很好。

    IVANTYSYNOVA等阐述了其测试柱塞腔内摩擦力和压力的测试平台,如图14。用三维压力传感器来测量摩擦力、传感器数据线通过缸体到主轴,然后无线传输至计算机上。这种研究柱塞副三维方向摩擦力的观点是更为切合实际的。

    此外,IVANTYSYNOVA研究小组还建立了柱塞副腔内的压力分布测试平台。试验台采用单个柱塞结构,柱塞固定,通过斜盘旋转来实现柱塞泵工作模拟,只是单柱塞的结构可能会对试验带来一些局限。

    德国亚琛工业大学也搭建了基于模型泵思想的摩擦副试验台并进行了相关研究。

    采用模型泵的试验技术和实际更相近,结果可以更逼真地描述其实际工作的情况,这对于泵/马达的研究和新结构的设计与优化有十分重要的作用。

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