多作用内曲线径向柱塞式液压马达虚拟样机构建与仿真平台研究

多作用内曲线径向柱塞式液压马达虚拟样机构建与仿真平台研究 ? 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 作者签名:?数?牟 指导教师签名:逾 论文评阅人: 评阅人: 评阅人: 评阅人: 评阅人: 答辩委员会主席: 王竖强数援 委员: 王竖强数援 委员: 沈莹红熬援 委员: 医俊垡熬援 委员: 韭堂昌塾援 委员: 塞遄堡副教援『 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果,也不包含为获得逝姿苤鲎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 答字日期:圳搏加岱日 学位敝作者答名:青等 学位论文版权使用授权书 有权保留并向国家有关部门或机构送交本 本学位论文作者完全了解 逝望盘堂 论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权书 签 : 导师签名: 学位沦文作者 名 钐 万融 签 日 : ? 年 苛月 日 字 期 /、 少 , ,“ 签字日期:列妒‖月浙江大学硕士学位论文 致谢 致谢 时间匆匆流逝,没有做丝毫的停歇。转眼间研究生阶段即将结束,在这短短两年多时 间里,自己无论是在专业知识上,还是为人处世上都成长了许多。首先我要感谢我的导师 沈萌红教授,从我们第一次见面开始,他就悉心指导我,告诉我研究生阶段与本科生阶段 的不同,教我如何适应研究生的生活,如何安排好自己的时间。每当我在科研上遇到困难, 他都以他独有的方式教我如何看待问题、思考问题、解决问题、总结问题。沈老师兢兢业 业、严谨求是的精神作风深深感染了我,使我受益匪浅。借此论文完稿之际,向他表示由 衷的感谢。 衷心感谢浙江大学机械工程学系机械设计研究所的冯培恩教授、顾大强教授、陈宗农 教授、王玉新教授等对我学习和生活上的帮助和关怀。 感谢浙江大学宁波理工学院机械与能源分院机电所的陈俊华教授、黄方平、林瓒、王 贤成、王向洋、张惠娣等老师。在宁波理工学院的这段时间,在与您们的交流中不断学习, 在项目研发中不断成长。特别感谢黄方平老师,是您在我的课题研究中提出了很多建议性 的意见并在课题的研究 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 上进行了具体的指导,除此您在生活上也给我很多关怀,在这 里向您表达我诚挚的谢意 感谢同窗王超、刘瑞文、熊剑波、李慧、陈丽琼、赵峰、郑元太等对我的帮助。由于 大部分时间追随导师在浙大宁波理工学院从事项目研发,许多消息都是你们及时通知我, 甚至有时候一些事情还帮我代办;感谢师兄曾成洲、师兄沈绍锋、师兄尤振胜,在研究生 的这两年多时光里,师兄们教会了不仅我很多东西,在生活上更是给了我很多帮助;感谢 我的室友蒋坤、梁丹、金红伟,是缘分让五湖四海的我们聚在了一起,是大家的努力让寝 室成为一个温暖的家;感谢好友张兆凤、李姿霖、魏文凯、王超,在我迷惑的时候,是你 们让我从中走了出来;感谢宁波市瑞曼机械制造有限责任公司和苏州易德龙电子有限责任 公司在项目研发过程中对我的大力支持与帮助。 最后,我要感谢我的父母和外公一直以来对我的支持和无微不至的关怀。你们给了我 奋勇向前的勇气和精神动力,是你 们让我感受到人生的美好。希望在以后的人生旅途中, 自己能够不辜负你们对我的期望。 黄 菲 年月于浙大求是园浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 静压传动装置因其所具有的操作舒适性、良好的微动性和低速稳定性等突出特点被广 泛用于各种液压行走机械的驱动装置,而低速大扭矩液压马达作为静压传动装置的核心元 件之一,其性能的优劣直接影响整个液压系统的输出特性。 尽管物理样机试验可以获得最为真实的马达性能,但需要大量的人力和物力的支持。 虚拟样机是建立在计算机上的系统或子系统的数学模型,利用虚拟样机可以有效地缩减研 发资金和开发周期。同时通过建立虚拟仿真环境进行研究,可以为将来进行 物理试验提供 一定的依据,提高效率。 第一章首先介绍了静压传动技术和虚拟样机技术,然后介绍了低速大扭矩液压马达的 国内外研究现状。 第二章对多作用内曲线液压马达主要换能部件的受力情况进行了分析,并求解和绘制 了等接触应力曲线及等加速等减速曲线。 第三章综合利用/及等软件建立了内曲线液压马达刚体虚拟样机模型并 对样机模型进行了合理性验证。 第四章对等接触应力曲线和等加速等减速曲线两类不同定子导轨曲线形式的液压马 达进行了动力学仿真,对比了分析了两者接触力和输出扭矩的变化情况。 第五章概括本文的研究内容并指出有待进一步深入研究的难点。 关键词:多作用径向柱塞马达,等接触应力,仿真,虚拟样机技术 浙江大学硕士学位论文 ,, . , . . 、析 .. ,. ./, . . . :,, 浙江大学硕士学位论文 目录 目录 致谢?.. 摘要?.. 认. 目录第章绪论. .多作用内曲线液压马达. .. 静压传动技术及装置?一 .. 多作用内曲线液压马达的特点及其应用??.. .. 多作用内曲线液压马达的研究现状?. .虚拟样机技术. .. 虚拟样机技术概述??. .. 虚拟样机技术在泵马达研究中的应用. .课题的研究意义和主要内容 ..课题研究背景和意义?一 ..主要研究内容? .本章小结第章多作用液压马达的导轨曲线设计? .内曲线液压马达主要换能部件受力分析 .. 多作用内曲线液压马达的工作原理? ..柱塞滚子组件的受力分析和简化.. 柱塞滚子和导轨的接触反力分析.等接触应力导轨曲线的求解和绘制 .. 接触点处的最大接触应力.. 等接触应力内曲线的求解.. 等接触应力内曲线的绘制.等加速等减速导轨曲线的设计和绘制。 .. 等加速.阿基米德螺旋线.等减速导轨曲线的设计? 浙江大学硕士学位论文 目录 .. 等加速.阿基米德螺旋线.等减速导轨曲线的绘制? .本章小结??.. 第章多作用内曲线液压马达虚拟样机模型??.. .机械系统动力学自动分析软件简介??.. .多作用内曲线液压马达动力学模型的建立??。 .. 多作用内曲线液压马达的几何建模? ..多作用内曲线液压马达物理建模.仿真平台合理性验证。 .. 冲积函数刚度系数对接触力的影响? ..马达的输出扭矩 .本章小结。 第章多作用内曲线液压马达动力学仿真. .仿真内容分析??. .两类定子导轨所受的接触力. .马达转速对定子导轨接触力波动的影响??。 .两类不同内曲线液压马达的输出扭矩? .本章小结 第章总结与展望? .论文总结??。 .今后工作的展望参考文献.. 附录:攻读硕士学位期间发表的学术论文及专利?.. 浙江大学硕士学位论文 第章绪论 第章绪论 .多作用内曲线液压马达 ..静压传动技术及装置 静压传动装置 ,简称是一种主要由液压泵、液压马达、 调节控制装置及负荷传感器等组成的无级变速动力传动装置,是通过控制液 压泵或液压马 达排量的改变来实现对传动系统的压力、流量、输出功率进行控制的容积调 速装置。静压 传动技术产生于二战时期,并首先被用于诸如飞机和舰船的火炮转向装置等 的军用武器系 统。战后逐渐被商业化,经过几十年不断地在元件和系统等各方面技术上的创新和突破, 这种技术已经在大中功率的行走机械、工程机械市场占据了相当的份额,强烈冲击了以传 统机械传动为主要传动方式的各类机械【。 静液压驱动装置虽然在欧美等工业技术发达国家已经拥有广泛的市场和应用,但国内 在近十几年才开始重视这种技术。自国家科技部将发展静压传动技术和相关负荷传 感器技术列入《科技型中小企业技术创新基金若干重点项目 指南 验证指南下载验证指南下载验证指南下载星度指南下载审查指南PDF 》【】以来,静压传动装置 越来越受到人们的关注和重视。年国家“十五”规划中关于液压气动密封产业的报告 中将静液压驱动及负荷传感器调节技术作为重点攻关的关键技术之一】,年国家“十 一五”规划中也将静压传动及作为静压传动装置重要组成的高压大排量液压泵/马达作为 了液压重点攻关项目【,年国家“十二五”规划从节能环保的角度对静压传动提出了 更高的要求【。 静压传动的液压回路有多种形式,如变量泵.变量马达方式、变量泵.定量马达方式、 定量泵.定量马达方式、定量泵.变量马达方式,图.给出了其中较为典型的两种【】【。具 有变量泵或变量马达的静压回路可以实现调速目的,如图.所示的变量泵.定量马达 方式,通过控制液压泵流量就能达到调节马达输出转速的目的。 静压传动装置结构简单、布局灵活。与传统纯机械传动相比具有调速范围宽、执行效 率高、易于在一定强度负载下实现无级变速的优点。这些特点对需要经常启动和变换速度 对行走机械来说是非常必要的,因为它不仅能使行走机械柔和地启动和停止,而且可以稳 定地变速及无冲击地换向。一个很典型的实例就是德国林德公司产生研发的叉车,该公司 在研制静压驱动的叉车上花费了大量的人力和物力,取得了很大的成就。最新的第四代产第章绪论 浙江大学硕士学位论文 品凭借其高可靠性和产生效率及舒适的操作性等诸多优势为林德公司赢得了在叉车市场 的绝大份额,成为世界上所有重要的叉车厂学习的楷模【】 定量泵.定量马达方式 变量泵.定量马达方式 图.典型闭式装置的液压原理图 静压传动具有很好的低速特性,借此特性可让搭载静压传动装置的行走机械 在发动机 转速较低时也能达到最大牵引力。另外,对于采用封闭式回路的静压传动系统由变量泵 和液压马达组成的封闭液压系统还具有自锁能力,即当整个回路在停止供给高压油时, 液压马达被迫停或被迫转变为泵工况从而实现制动功能。 静压传动的行走机械在低速工作时的效率大大高于同样工况下的液力变矩传动。静压 传动装置在低速时具有的这种高能量利用率特性使得静压传动的行走机械具有极好的爬 坡性能,因此静压传动系统在诸如铲土机、推土机等矿产工程机械中使用较多。 静压传动装置中的闭式液压回路能使得液压马达与泵实现同步动作,这一特性得益于 静液压在传力方面优秀的瞬态特性。当液压泵的输出流量发生微小变化时,液压马达的转 速能同步的产生微小的变动,因此静压传动的行走机械通常具有良好的微动性能。 通常来讲,绝大多数搭载静压传动装置的机械对执行主机要求能工作在较低转速下, 转速一般为每分钟上百转到几十转,有的甚至要求在每分钟一转以下。要使主机达到如 此低的转速一般有两种传动 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 :采用高速液压马达加行星轮减速器来驱动负载的高 速方案;采用低速大扭矩液压马达视工况可加一级至二级减速器来带动负载的低速方 案【。 与高速方案相比,低速方案更能体现现代机械的特色。首先,直接使用低速大扭矩液 压马达驱动负载,使得机械结构的整体布局更加灵活;其次,由于省掉或减少了减速 器等中间传动环节,机械尺寸大大缩小如被称为“车轮马达”的壳转式液压马达可以直 接安装在行走机械的轮驳上因而节省了很多安装空间,同时避免了由减速装置等中间环 节产生的附加功率损失和机械噪声,节省了减速机成本及其维修成本。对于那些作业时要浙江大学硕士学位论文 第章绪论 求稳定工作速度较低的机械,如开沟机、压路机、推土机等,在使用低速大扭矩液压马达 作驱动时,即使配上一级减速器也比使用高速马达加上两级以上的减速器或者行星减速器 要节省很多成本。直接采用低速大扭矩液压马达驱动负载将逐步取代高速方案并将成为静 压传动的默认配置方案。 由于高能永磁电机及变频技术的发展,静压传动在小功率应用场合被排挤出局,如在 数控机床、机器人等应用领域;但静压传动将在高压力、大功率及电力难以获得之处有广 大的活动空间,如重压力机、工程行走机械、船舶液压机械等‘。而大中功率的静压传动 装置中配备的执行主机一般都是径向柱塞式的。 .. 多作用内曲线液压马达的特点及其应用 静压传动装置以其操作舒适性、良好的微动性和低速稳定性等突出特点已广泛用于各 种液压行走机械的驱动装置,而低速大扭矩液压马达作为静压传动装置的核心元件之一, 其性能的优劣直接影响整个液压系统的输出特性。 低速大扭矩径向柱塞式液压马达相比高速轴向柱塞式液压马达出现较晚,但自其在上 个世纪年代出现以后就得到了广泛的重视和发展。特别是在年代末世界范围内能源 危机的爆发,促使欧美各工业发达国家对更加高效、更加节能的静压传动装置产生了浓厚 的兴趣,这也是低速大扭矩径向柱塞式液压马达得以快速发展的契机。经过短短数十年的 发展,这类马达在性能、效率等方面都有了显著的提高。 多作用内曲线液压马达作为低速大扭矩液压马达大家族的重要成员,有很多突出特 点。在相同的工作压力下与单作用马达相比,多作用内曲线液压马达的输出扭矩要大很多, 使得在输出同样功率时的重量更轻,而且只要马达的结构 参数 转速和进给参数表a氧化沟运行参数高温蒸汽处理医疗废物pid参数自整定算法口腔医院集中消毒供应 选择合理,就可以设计出径 向力完全平衡的内曲线液压马达。此外,由于缸孔对称,使分度、加工容易,设计中合理 选择导轨曲线,并按无脉动分配幅角,理论上可以做到输出转矩脉动为零,因而可以获得 很好的低速稳定性【】】。 低速大扭矩液压马达具有转速低,输出扭矩大的特点。可称为低速大扭矩的液压马达 必须满足以下两个条件【】。 .满足比值 /一‘‘/ . 式中:??液压马达的输出扭矩,单位为.; 缈。戤??液压马达的最大角速度,单位为/。第章绪论 浙江大学硕士学位论文 .具有低速负载平稳性 所谓低速负载平稳性是指液压马达能在转速低于/时直接带动额定负载平稳 运 转。平稳度的定义如下: 如在额定负载运转时,最高转速为国。、最低转速为。、平均转速为缈。,若能够满 足不等式.?%,就称马达在当前转速下平稳运转,反之,则称之为运转不平 国 稳。 低速大扭矩液压马达具有以下主要特点: 低速、大扭矩。目前出现在市场上的低速大扭矩液压马达的转速通常都在/ 以下,国外某些马达可稳定工作在/左右,有的可达/,甚至/以下。在 输出扭矩方面,这类马达的输出扭矩一般都在?以上,某些大排量液压马达甚至 高达?。 功率密度高。所谓功率密度是指马达单位质量能输出的功率。与高速液压马达加 减速器的高速传动方式相比,输出同样的功率,使用低速大扭矩液压马达直接驱动的方式 重量要轻得多。 外接结构简单。由于省掉了减速装置或者仅用单级减速,使得整个传动系统的 体积大大缩小,这不仅让主机布置更加灵活,而且从整机设计上来讲也是非常有利的。 由于上述突出特点,内曲线多作用径向柱塞式液压马达已经广泛应用于土方及筑路等 工程机械,如振动压路机、挖掘机、摊铺机、钻机、混凝土搅拌输送车、滑移转向装载机、 石油钻探设备,也用于扫路车、割草机、叉车、船用甲板设备和铁路专用车辆及飞机牵引 车等引。 .. 多作用内曲线液压马达的研究现状 上个世纪年代初,法国公司率先研制成功了用于液压随动系统中的多作用 内曲线径向柱塞式液压马达,最先商用量产化的是压力等级为的型轴转式多 作用内曲线液压马达。该液压马达采用轴配流方式进行配流,定子轨道使用简单单圆弧曲 线,设计加工简单但存在困油现象及输出扭矩脉动大等缺点。 瑞典的公司在低速大扭矩液压马达的研究方面也做出过重大贡献,年代 着重研制了壳转多作用内曲线径向柱塞式液压马达,经过在年的发展,将液压马达的 压力等级由原来的提高到了,输出功率也得到了极大的提高是原来的 倍,使得内曲线液压马达开始进入大中功率液压系统。年代中期,该公司又对内曲线 第章绪论 浙江大学硕士学位论文 液压马达的传力结构做了创新,将原来的滚轮传力结构升级成了更加紧凑的横梁传力结 构,对于同一压力等级液压马达,外形尺寸得到了大大缩减。年代以来,为满足煤矿 开采工业的需要,该公司设计制造了综合性能良好、寿命更长的系列轴转式内曲线液 压马达,也就是我们通常所说的马拉松液压马达。 世纪年代也是内曲线液压马达的发展黄金期,英国的公司在此时期重点 开发了滚轮式轴转多作用内曲线液压马达系列,日本的住友重机械株式会社开发了 型内曲线低速大扭矩液压马达系列【】。 法国公司是目前低速大扭矩液压马达生产研发的世界级龙头企业。从年代 到年代,该公司先后研制了系列、系列及壳转式系列车轮液压马达。年 代末,该公司首先采用简单滚柱、柱塞结构替代横梁、滚轮结构设计研发了型系列内曲 线马达,结构尺寸进一步缩小,这种传力结构已经成为现代内曲线低速大扭矩马达普遍采 用的传力方式。为适应主机和提高低速大扭矩液压马达的性能要求,近十几年该公司在 系列的基础上发展了端面配流的系列液压马达,在配流方式上由径向轴配流改为端面 配流的内曲线马达配合间隙能自动补偿,能保持很高的容积效率,解决了径 向配流因长期 工作磨损造成的容积效率下降的难题。 我国从世纪年代中期才开始研究低速大扭矩液压马达,在样机测绘仿制的基础 上初步形成了曲轴连杆马达及内曲线马达等少数几种规格。到年代初研究低速大扭矩 液压马达的单位增至多个,品种和主机应用都有了大幅度的发展,但主要为主机配套 使用【。 自世纪年代以来,国内设计开发了多种规格的多作用内曲线径向柱塞式液压马 达,主要代表有系列、系列和系列液压马达。尽管因关键部件的材料 性能以及复杂零件加工工艺等方面问题的存在,国内生产的多作用内曲线径向柱塞式液压 马达与国外产品相比,在结构合理性、实际工作压力、换能部件的可靠性和寿命、整体效 率上还有较大的差距,但也已取得长足的进步。如浙江大学国家流体力学重点实验室通过 吸取国内等系列马达的成功经验,按照现代设计理论从效率优化的角度研发了 系列液压马达,在年在上海第六届国际流体传动与控制技术展览会上引起业界的广 泛关注和重视【】。 国内在液压马达结构及其理论上也取得了一些的成就,早期的、系列马达 采用轴配流方式,蒋学武等针对这种配流方式容易造成偏磨及“抱轴”现象提出了一种新 的平衡结构,有效避免了此类现象的发生【】。王钧功率先对端面配流结构进行了研究,提 气浙江大学硕士学位论文 第章绪论 出了配流端面分离力近似理论计算方法【】。李元勋、钟延修等人采用有限元方法对单作用 液压马达配流端面分离力进行推导和实验研究【。在内曲线的研究方面,以陈卓如教授 为代表的专家从提高内曲线寿命的角度率先提出了等接触应力设计理论【】。江苏淮阴九二 五厂试制了基于等接触应力曲线的系列内曲线径向柱塞式液压马达,使马达性能和寿 命得到了进一步提高【。 径向柱塞多作用低速大扭矩液压马达最关键的设计部件是内曲线导轨,在选择合适的 材料和正确的加工工艺的前提条件下,内曲线导轨的设计将直接决定内曲线液压马达的性 能和使用寿命。因此这些资料一般是企业的商业机密而对外不公开,这也是很难见到有国 外对于内曲线形式研究的文献资料的原因。 导轨曲线的发展大致经历了以下三个阶段:基于几何学的导轨曲线、运动学 导 轨曲线、等接触疲劳强度的导轨曲线【”】,如表.所示: 表.不同设计思想的多作用内曲线液压马达导轨曲线的发展与对比 设计思想 曲线形状 优点 缺点 ?单圆弧曲线 ?设计简单 ?有困油现象 ?双圆弧曲线 ?加工方便 ?输出扭矩脉动 几何学 ?圆弧直线组合曲线 ?转速高时有敲 击声 ?正弦及其修正曲线 ?抛物线曲线 ?局部接触应力 高,寿命低 ?等加速等减速曲线 ?输出扭矩无脉动 ?接触应力分布 运动学 ?不对称的等加速等 ?无困油现象 不均 减速曲线 ?无敲击声 ?设计时不能预 ?梯形加速曲线 估工作寿命 ?接触应力分布均 ?设计计算复杂 匀,工作寿命长 ?加工要求高 ?输出扭矩无脉动 弹性力学 等接触应力曲线 ?无困油现象 ?可估算寿命 .虚拟样机技术第章绪论 浙江大学硕士学位论文 对机械产品而言,仅靠理论分析是不能完全说明问题的,而物理样机试验则需要大量 的人力和物力支持。因为液压试验对安全性的要求很高,采用物理样机试验方式进行多作 用内曲线径向柱塞式液压马达的试验研究代价高昂。虚拟样机是建立在计算机上的系统或 子系统数字模型,视模型精确度能在某种程度上再现物理样机的真实度,甚至可以替代部 分物理试验。利用虚拟样机可以有效地缩减研发资金和开发周期。同时通过建立虚拟仿真 环境进行研究分析,可以为物理试验降低成本,提高试验效率。 ..虚拟样机技术概述 虚拟样机技术 ,简称是近年来随着计算机科学逐渐 发展起来的一种工程技术。工程设计人员首先在计算机上构建出需要研究的机械系统模 型,借助可视化的交互环境,实现对研究对象进行运动学或者动力学的模拟。虚拟样机的 核心是研究对象的运动学和动力学特征,如果模型较复杂可辅以其他相关模型,如固液耦 合的液压马达就可以添加其流量模型使模型更加精确。虚拟样机的建模是基于研究对象的 本质构成要素,当模型建立得足够精确时可以认为在某些关键特性上比较接近真实样机, 因此对虚拟样机进行的仿真能在一定程度上替代物理样机试验【】【。 虚拟样机技术是以多体系统动力学理论为核心理论建立起来的,并且融合了许多工程 技术。虚拟样机技术囊括了现代辅助建模技术、控制及驱动技术、结构分析技术、 优化分析技术等,如图.所示【。 图.虚拟样机相关技术 机械系统虚拟样机技术是诞生于经典力学基础上的新兴学科,以多体系统动力学理论 的灵魂,借助现代计算机技术这具强大的躯体,先后经历了以多刚体系统动力学为核心发 展阶段和以计算多体系统动力学为核心的发展阶段,逐步成为现代复杂机械系统动力学仿 浙江大学硕士学位论文 第章绪论 真分析的主要技术手段,目前已趋于成熟【】。 虚拟样机技术是从系统的高度来分析机械系统,因此它对设计方法和机械系统分析的 有着深远的影响。正因为如此,虚拟样机技术的身影已经在工程机械行业、机械电子行业、 船舶工业、航空航天、汽车制造业乃至军工等各个领域无处不在【。】。 ..虚拟样机技术在泵马达研究中的应用 虚拟样机技术在液压元件的研究中发挥着重要作用,结合现代建模技术可以在 计算机上建立参数化的液压机械系统几何模型,再按照实际运动关系和驱动信息对模型进 行定义即可对液压机械系统的相关特性进行预测和分析,从而为液压机械系统的设计参数 和优化提供有力的参考依据【。 德国亚琛工业大学的课题组利用软件建立了第一个完整的轴向柱塞泵 的计算机仿真程序,,对柱塞泵的内部流体压力和关键摩擦副进行了仿真研究【】 。此外,该课题组还研究了流体压缩性的柱塞液压泵工作过程中的流量脉动特性【。 德国公司使用软件和有限元分析软件对具有不同倾角传动 轴的双联柱塞泵进行了样机分析,得出倾角的改变对柱塞泵各主要部件受力的影响,为柱 塞泵的结构设计和优化提供了的支持【。 在国内,上海交通大学应用基于、、多软件平台对.. 型曲柄连杆式径向柱塞液压马达的负载特性进行仿真研究,分析比较了在负 载超调过程中 液压马达的输出转速的变化,如图.所示,结果指出在负载改变幅度大的时候,马达的 转速波动幅度也相应增大【】。 图.曲柄连杆式低速大扭矩液压马达负载特性仿真结果 浙江大学硕士学位论文 第章绪论 燕山大学采用液压系统仿真软件建立了轴向柱塞泵虚拟样机模型,从系统的 角度对柱塞泵工作过程中主要作用副的受力情况进行了仿真研 引。浙江大学利用动力 学仿真软件和有限元分析软件建立了如图.所示的 轴向柱 塞泵刚柔耦合、固液耦合的虚拟样机模型,并对不同输入转速下液压泵的输出压力特性作 了研。 图.浙江大学柱塞泵样机模型 中国船舶重工利用/建立了轴配流式正弦加速度内曲线的液压马达的三维模型 学,模拟了马达配油和柱塞组件的运动【,如图.所示,但并没有涉及内曲线液压马达 的动力学仿真和分析。 晖嗣?????????????酗蕊翟?????????????舷 、.~’ ?;’?;?一.;。 。。 厂、 . 气 八 , , .飞 。 /匕//,/??//。?:, : ’ ?。 图.柱塞组件的位移及速度曲线 .课题的研究意义和主要内容 ..课题研究背景和意义 液压元器件是国家、浙江省和宁波市装备制造业振兴重点发展的关键基础件。进行低 速大扭矩液压马达的研发意义重大,不仅可以打破欧美等国的技术封锁和配件控制,同时 浙江大学硕士学位论文 第章绪论 能满足国内重点装配企业的迫切需要,掌握工程机械及相关行业零部件核心技术。宁波市 北仑、鄞州、江北、镇海等区有数百家液压元件及系统的生产企业,区域集聚性较强,是 装备制造业发展的基础。其中工程机械主要配套件企业生产各类主泵、回转 和行走马达、 多路阀,行走装置和回转装置等已有批量生产并为国内三一重工、中联重科等工程机械排 头企业配套。 宁波市工程机械配套企业在行走驱动装置的研制和生产上积累了一定的经验和技术, 但仍然存在体积大、压力等级低、性能落后、机液一体化水平低、噪音大等问题。因此研 究解决液压基础件的关键技术,使包括低速大扭矩液压行走装置在内的液压传动产品的国 产化迫在眉睫。本课题所研究的内容是宁波市重大科技攻关项目“低速大扭矩液压行走装 置”的重要组成部分。 ..主要研究内容 本文利用数学工具、专业建模软件/及多体动力学仿真软件搭建 了多作用内曲线液压马达仿真平台,在此平台上对内曲线液压马达虚拟样机进行了动力学 仿真并对仿真结果进行了仔细的分析。 主要研究内容包括以下几个方面: 分析多作用内曲线液压马达主要换能部件的受力。这一部分以柱塞传力型圆柱滚子 的径向柱塞马达为研究对象,建立柱塞滚子组件在定子轨道上运动时的力学 模型。 等接触应力轨道曲线的求解和精确绘制。在前人理论基础上用合适的结构参数对 等接触应力轨道曲线进行求解,并在软件中进行绘制为后续的液压马达的虚拟样机 建立打下基础。此外,为了对比等接触应力曲线的性能还设计了等加速等减速曲线。 分别建立了等接触应力的内曲线液压马达的虚拟样机和等加速等减速内曲线液压 马达的虚拟样机,并样机的合理性进行了验证。 对等接触应力曲线和等加速等减速曲线两类不同定子导轨曲线形式的液压马达进 行了动力学仿真,对比了分析了两者接触力和输出扭矩的变化情况。 .本章小结 本章首先介绍了静压传动技术和装置,介绍了低速大扭矩液压马达在静压传动中的地 位和作用,介绍了低速大扭矩液压马达的特点和应用,接着介绍了它的国内外发展状况。 然后介绍虚拟样机技术以及它在本课题中的作用,最后介绍本文的主要研究内容。浙江大学硕士学位论文 第章多作 用液压马达的导轨曲线设计 第章多作用液压马达的导轨曲线设计 导轨曲线设计是多作用内曲线液压马达设计的关键问题之一。马达的导轨曲线决定了 柱塞滚子组件的运动规律和受力情况,也决定了马达的输出性能。下面将在对马达主要换 能部件进行受力分析的基础上,对多作用液压马达导轨曲线的设计问题进行研究。 .内曲线液压马达主要换能部件受力分析 下面通过受力分析,确定柱塞滚子组件和定子轨道内曲线之间受力的数学表达式。 .. 多作用内曲线液压马达的工作原理 图.多作用内曲线液压马达的结构原理图 .前端盖壳体.后端盖壳体.转子.定子轨道.配流器.传力轴.联接法兰 .柱塞滚子组件.制动器壳体.制动器流道.制动簧片.制动片.后盖 图.所示为一种轴转多作用内曲线径向柱塞式液压马达的结构原理图。它由前壳体 、后壳体、转子对轴转马达而言、定子轨道、柱塞滚子组件包括柱塞、滚子等 零件组成的构件、配流器、传力轴和制动器等组成。为了使得每个瞬时都有两对以上 的柱塞处于上升阶段,内曲线液压马达的柱塞数通常大于作用数,图示为作用柱塞的 内曲线液压马达。工作时,配流器按需要将高压油如图.中红色部分分配给升程柱塞, 同时也将回程柱塞的低压油依次排出。滚子与定子轨道的相互作用如图.所示。在油液第章多作 浙江大学硕士学位论文 用液压马达的导轨曲线设计 压力的作用下,柱塞推动滚子着径向运动并与导轨接触。作用在柱塞底部的油液产生沿柱 塞轴线的液压力尸。使滚子与定子轨道接触,产生接触力’和接触反力。接触反力凡可 分解为沿柱塞轴线的分力及推动转子旋转的切向分力丁,切向分力与向径为滚 子中心到马达转子中心的距离的乘积为该柱塞所产生的扭矩。所有柱塞产生的扭矩之和 即为液压马达在该瞬时的输出扭矩心。 图.滚子与定子导轨的相互作用 图.定子导轨的典型组成 多作用内曲线液压马达马达的定子导轨通常由形状相同的若干曲线段组成。各个曲线 段依次由上升前等速区段、上升区段、等速区段、下降区段和下降后等速区段构成,对应 的幅角依次为缈。。、伽、缈。、伽、妒。。,如图.所示。油液进入柱塞缸推动柱塞滚子组 件每经过一曲线段,柱塞组完成一个运动周期。当柱塞缸与高压油接通时,滚子将与定子 轨道曲线的上升区段接触,推动转子转动做功;而当柱塞缸与低压油接通时,滚子将与定 子轨道曲线的下降区段接触,柱塞在轨道曲线作用下下降。 ..柱塞滚子组件的受力分析和简化 多作用内曲线径向柱塞式液压马达中常用的滚子类型有球形滚子、鼓形滚子及圆柱形 滚子等,本论文以圆柱滚子为研究对象,并假设作用力在轴向均匀分布。 作用于柱塞和滚动体组件以下简称柱塞滚子组件的力如图.所示。柱塞滚子组件主 要受到如下力的作用: 各个柱塞底部受到的静液压力。;浙江大学硕士学位论文 第章多作 用液压马达的导轨曲线设计 定子轨道作用于滚子的接触反力; 柱塞与柱塞缸孔壁之间的正压力?和,; 摩擦力,包括滚子受到的滚动摩阻力偶矩简化到滚子中心的力。;以及柱塞与柱 塞缸孔壁之间正压力产生的滑动摩擦力凡和; 柱塞滚子组件的惯性力。包括离心力,角加速度引起的惯性力凡,径向加速度 引起的惯性力,科氏加速度引起的惯性力; 柱塞滚子组件所受的重力; 柱塞缸孔中油液的非恒定流动的惯性力及油液沿柱塞与柱塞缸孔壁间隙流动时的 轴向液动力等。 图.柱塞滚子组件的受力情况 一般来说,柱塞滚子组件所受的重力、柱塞缸孔中油液的非恒定流动的惯性力及油 液沿柱塞与柱塞缸孔壁间隙流动时的轴向液动力的数值都很小,可以忽略不计。而低速大 扭矩液压马达转速低,柱塞滚子组件的质量不大,柱塞在柱塞缸中运动的加速度微乎其微; 在马达平稳工作时角加速度几乎为;故可以忽略惯性力对接触反力的影响。另外,在 润滑状态良好的环境中,滚动摩擦也可以忽略不计。 经过上述分析,得到如图.所示的简化受力模型。浙江大学硕士学位论文 第章多作 用液压马达的导轨曲线设计 ..。。.。;。.?。 \\ \国 衡 图.柱塞滚子组件受力的简化模型 ..柱塞滚子和导轨的接触反力分析 下面将柱塞滚子组件作为隔离体进行柱塞滚子和导轨的接触反力分析。 ...柱塞滚子组件在向的力平衡 在接触反力的方向分力丁的作用下,柱塞和柱塞缸壁间将产生沿接触线的三 角形分 布力,如图.所示。设该分布力的斜率为,其分布长度分别为和,合力分别为 ?和,由力平衡关系可得 丁? . 设柱塞有效长度为从滚子中心到柱塞底部的长度,接触线长度为。,显然有 。 . 柱塞柱塞缸壁间的接触正压力分别为 .. :』。譬 』 半 .. ?:,:譬 ?, 半 。 可得柱塞柱塞缸壁间的滑动摩擦力凡和尽 . 浙江大学硕士学位论文 第章多作 用液压马达的导轨曲线设计 . . 式中为滑动摩擦系数。 ...柱塞滚子组件的力矩平衡 . 胍.一二‖ 胍.『一咖.一等讲 .? :靠等专警。浙江大学硕士学位论文 第章多作 用液压马达的导轨曲线设计 ...柱塞与柱塞缸壁间的作用力分析 利用前面的向受力平衡和力矩平衡或求得柱塞与柱塞缸壁间的作用力。 将式.、.、.代入式.解得 . 口????????????一 . :??了一 将式.、.、.、.、.代入式.解得 . 、 三一三。彤 厶生一面嘶 . 、 等 面嘶三一三。届 将式.、.分别代/式.、.,求得柱塞与柱塞缸壁间的接触正压力分 别为 . 、。 一。埘 肛引坐警正沥 乞 . 、 。 三一三。埘 甜坐?石两 ...柱塞滚子组件在方向的力平衡 柱塞底部所受的液压力 . 尸印?三‖ 式中,??柱塞缸孔内液压油的静压力,单位为; ??柱塞直径,单位为。 由图.可以看出,在轴方向上柱塞滚子组件仅受到滚子与定子导轨接触反力 的径 向分力、由柱塞与柱塞缸壁间接触正压力产生的滑动摩擦力凡和以及高压液 压油作 用在柱塞底部的力尸。,由轴方向力平衡方程即可求得导轨与滚子间的接触 反力。平 衡方程为 尸一尸。 . 将.、.、.、.代入上式得到 . 、 一地 尸丛塾警征 第章多作 浙江大学硕士学位论文 用液压马达的导轨曲线设计 整理得 . 、 。 三 风而半肛十 厂一三 / . 就某一个柱塞滚子组件来看,取滚子刚进入幅角妒瑚所对应的弧段时线的极 角为,如 图.所示,此时滚子中心的极径为。。,柱塞与柱塞缸壁的接触长度为?且此时 接触 长度取得最大值,则在一个曲线段周期内的任意角度时的接触线长度为 . 。。。一。 令?。。一。。并代入式.得到接触反力的表达式为 肛忑五习三习 。口三厂口 刁南 .等接触应力导轨曲线的求解和绘制 滚子在柱塞的推动下沿着导轨面运动,导轨曲面将承受较大的接触应力。如果接触应 力超过了材料的接触应力极限,就会产生磨损。同时,由于低速大扭矩内曲线液压马达一 般都是作用以上的,这种周期性的接触应力,也会引起导轨曲面产生点蚀现象。因此, 轨道的接触应力值是决定马达使用寿命的最主要的参数之一。等接触应力曲线正是基于提 高马达使用寿命的思想上提出的。 确定等接触应力曲线的微分方程的详细推导参见文献‘】,本节只作简单的介绍。在确 定微分方程后可利用软件求得等接触应力曲线的数值解,拟合后即可用/绘制 马达的定子曲线。 ..接触点处的最大接触应力 由于圆柱形滚子与定子导轨的接触属于线接触类型。根据接触理论,两线接触 弹性固体在接触区的最大接触应力为 . 盯。丽. 式中,,??两弹性固体接触线长度,这里等于圆柱滚子的宽度,单位; ??接触区的宽度,单位;浙江大学硕士学位论文 第章多作 用液压马达的导轨曲线设计 . 上面的式子中,/。、/.:和。、:分别为两接触的弹性固体的泊松比和弹性模量。 对 于圆柱滚子的液压马达,其综合曲率为 .? . 式中, 。??滚子与导轨曲线接触处导轨曲线的曲率半径,单位。 ..等接触应力内曲线的求解 缈 图.滚子与定子轨道的几何关系 取液压马达的转子的转动中心为极点,如图.所示,将滚子与马达定子导轨曲 线的 接触点到极点的距离定义为极径,则极径关于极角够的函数即马达定子导轨 内曲线 的极坐标函数为伊,极坐标与直角坐标的转化关系为 .‘ . 伊 由曲率公式 ,? 如南. 可得滚子与定子导轨曲线接触点的曲率半径为第章多作 浙江大学硕士学位论文 用液压马达的导轨曲线设计 肚三:箪:?塑兰 . “一” 由此可得滚子中心运动轨迹方程的极坐标函数。 。? . 够伊‖ 式中,‖??与之间的夹角。 口??为压力角,接触反力与其切向分力丁的夹角。且压力角的表达式?为 . ‘ 口:?弩 一/’ 对于圆柱滚子的液压马达,将式.代入.并令 一‖?.一‖: . ’ 。 : 得 . 勺一‖。./:、 ’ 。 : 对于某一特定结构的内曲线液压马达,,和均为定值,要使马达定子导轨上最 大接 触应力相等,必须使其满足下式 . 其中, ‘ 一 万丁工而习 ?扣叫土掣 因此,要求解等接触应力曲线,只需求解 堕: . ? 即可。 将式.代入圆柱滚子液压马达的综合曲率表达式.,得浙江大学硕士学位论文 第章多作 用液压马达的导轨曲线设计 . 寺懈 分别令 刁拿乏孬 刁。口 则有 瞪一气亿聊 . 万:圭,一:蚴 要使等式.成立,只需 善’/一善’ . 确定相关的结构参数和初始条件,联立求解式.、.、.、.就可获得 等接触应力曲线。 显然,对于这样的隐式非线性微分方程组的求解只能求出其数值解,下面利 用数学软 件对等接触应力曲线的方程组进行求解。 为方便使用进行计算,先令 扩舻‰风々 则原等接触应力曲线微分方程组转化为 浙江大学硕士学位论文 第章多作 用液压马达的导轨曲线设计 文? 戈:一, 。一一..兰坚?一: 一 一?一??? 一?一?? : . 。一?‘二云磊.: 一 勋? 了丽/ 工 一一扣?焉等 戈一戈 上式中,。。。 方程组的初值为 戈’ :’ 文:” ,” 戈,”’圳口’ 叫 、 妒 文伽’ 文’ ,善 文,孝’ 刁 戈/’ 本文讨论的内曲线液压马达是作用柱塞的,因此只需要求得极角在区间/ 内的等接触应力曲线,即可得到整个内曲线。由于柱塞在上升阶段柱塞缸中 是高压油,因 此认为柱塞一直处于良好润滑状态,故取摩擦系数.。液压马达的主要结构参 数和 相关计算初值如表.所示: 表.内曲线液压马达主要结构参数和计算初值单位:三 , 三 . . . . . ” ”’ . . . . . 在中按式.和.编写好求解子程序并保存为文件相关文档见附录 浙江大学硕士学位论文 第章多作 用液压马达的导轨曲线设计 。图.为求解内曲线的求解框图: 图.等接触应力曲线求解过程 首先在中使用上表中的数据求出解算方程组所需要的所有初值,然后使用 的隐式微分方程求解函数对前面编写的等接触应力曲线方程组子函数 进行求解,求出的数值解结果如图.所示: 极径 ????????????????????????????????????????????????????????????????? ? . ,、 ,///’ 曼??; ,,, 翅舢 / 娶 ,,/ / .。? ? 相角缈 相角妒 直角坐标形式 极坐标形式 图. 【,州范围内的等接触应力曲线接触应力盯 在本文中定子轨道的材料为,滚子的材料为轴承钢,它们的材料性浙江大学 硕士学位论文 第章多作 用液压马达的导轨曲线设计 能参数如表.所示: 表.定子轨道及滚子的材料性能参数 泊松比 部件名称 钢材型号 杨氏模量 . 定子轨道 .× . 圆柱滚子 . ,柱塞底部的油液压力为 将上表中的数据代入式.可以求得’. ,,利用上面已经求出的数值解可以求出定子轨道表面的最大接触应力,结果 如 图.所示: ? 一 叠 茎剧 裹 端 即??百蔷??百??爵??丽??蕊『?、??百?、 相角矽 图.在压力下定子导轨上的接触应力 以上的结果只是等接触应力曲线的数值解曲线,想要用软件精确绘制,必须 先对 曲线进行拟合而得到近似解析解,这里采用多项式进行拟合。在用多项式进 行曲线拟合时, 可以多次尝试不同的拟合,对结果的误差进行分析,从而选择合适的阶数‘】 【引。通过拟合 并分析比较,次多项式拟合能较好地满足要求,拟合曲线的标准差和相关系 数分别为 .和.,拟合系数如表.所示。 表.等接触应力曲线近似解的拟合系数 .. .. . . . . .. 图.是采用阶多项式拟合的曲线与数值解曲线的对比,从图中也可以直观地 看出 两条曲线非常的接近。 浙江大学硕士学位论文 第章多作 用液压马达的导轨曲线设计 ~ 数值解曲线 ~ 拟合曲线 。。。。。。。。’。。。。。。。。。?‘‘。‘。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。‘。。。‘。。。‘‘。。。 ‘。一 一 , ,~ .一“ 、,一 晕~??????. 相角矽 图.数值解曲线与拟合曲线的对比结果 ..等接触应力内曲线的绘制 为了后续的样机分析能够正确顺利地进行,下面利用专业软件对多作用液 压马达的等接触应力曲线进行绘制和几何建模。在/中新建一个零件,点击工 具栏中 的“插入模型基准一曲线”,将会弹出如图.所示的菜单。 罩主管三呈韪 嚣 一 ?、,函 一 一一一一皿翰毒一 一一 图.曲线工具选项菜单 然后将拟合曲线的多项式函数表达式录入,值得注意的是在中拟合得到的 曲线的极经单位是米,然而在/中使用的单位是毫米,所以多项式系数都应该 放大 倍。这里上升前零速区幅角鼽庐.。,上升区段和下降区段之茸的零速区幅角 伽.。,下 降区段后的零速区幅角伽.。,通过在零速区圆弧与拟合曲线之间添加过渡曲 线将零速 区与拟合曲线连成一个整体,最后使用复制工具按照作用周期将整个曲线绘 制出来,最终 得到如图.所示的完整曲线。浙江大学硕士学位论文 第章多作 用液压马达的导轨曲线设计 .\、: :/一. 心 暂? 一。 。/ ,/ \\ 。。 、。, 一.’一 ?。一二:蕊 钐一一.”/\ 譬澎 ,《罗 々// 图.完整的作用等接触应力曲线的绘制 .等加速等减速导轨曲线的设计和绘制 传统的内曲线液压马达的定子导轨是按照运动学观点进行设计,其设计加工过程较为 简单,因此在内曲线马达的发展初期被广泛应用。为了通过以等加速等减速曲线为代表传 统定子曲线和等接触应力曲线的动力学仿真对比来,下面对等加速等减速曲线的设计过程 进行简单的介绍。 .. 等加速.阿基米德螺旋线.等减速导轨曲线的设计 为了得到瞬时输出无脉动的导轨曲线,加速区段和减速区段的幅角缈,和妒,应该为周期 角?够的整数倍,且应满足下式【】 . 妒竺,:,. ?‖ 式中,??为幅角总分配系数,表示一组柱塞中同时工作在进油区段的柱塞数; 。??为加速区幅角分配系数,必须为正整数,这里取。; :??为等速区及零速区幅角分配系数,这里取:.; ,??为减速区幅角分配系数,必须为正整数,这里取产。 由上式得加速区和减速区幅角为伊伊,《??伊面/。浙江大学硕士学位论文 第章多作 用液压马达的导轨曲线设计 零速区伽一般在区.,.间取值,这里取伽。,则等速区幅角 伊::?缈一妒。.。 . 由等加速一阿基米德螺旋线一等减速导轨曲线各区段计算公式?得定子导轨 曲线方程 为 ?缈 ?? .妒一 .缈. ?缈. . .?口. ?.々一..口。一.. . .???. .等加速.阿基米德螺旋线.等减速导轨曲线的绘制 与等接触应力曲线的绘制类似,在/中绘制得到的等加速.阿基米德螺旋线. 等减速 导轨曲线如图.所示: \ 图.等加速.阿基米德螺旋线.等减速内曲线的绘制 有了上述等接触应力曲线和等加速等减速就可以绘制出相应的定子轨道的 三维模型, 建立其对应的多作用内曲线液压马达虚拟样机。 .本章小结 本章以柱塞传力型圆柱滚子的径向柱塞马达为研究对象,对多作用内曲线液压马达主 要换能部件进行了受力分析,建立柱塞滚子组件在定子轨道上运动时的动态力学模型。在浙江大学硕士学位论文 第章多作 用液压马达的导轨曲线设计 对模型进行分析得出对内曲线工作性能基本没有影响的简化力学模型。然后对等接触应力 轨道曲线进行了求解和绘制。在前人理论基础上利用强大的数值计算功能,求 得内曲线方程的数值解,然后通过拟合得到了等接触应力曲线的近似解析解,同时为了对 比等接触应力曲线马达的性能设计了等加速.阿基米德螺旋线.等减速内曲线,并在 软件中进行绘制为后续的液压马达的虚拟样机建立和动力学分析打下基础。第章多作 浙江大学硕士学位论文 用内曲线液压马达虚拟样机模型 第章多作用内曲线液压马达虚拟样机模型 .机械系统动力学自动分析软件简介 是美国公司.开发的机械系统动力学自动分析软件‘】【,它提供了友好的交 互式图形界面和丰富的函数库包括建模所需的零件库、约束库和力库,设计人员可 以用它创建完全参数化的机械系统的物理模型。的核心求解器是基于多刚体系统 动力学理论中的拉格朗日方程方法来建立系统动力学方程的,利用该求解器可以对虚拟样 机系统进行静力学、运动学和动力学分析,输出位移、速度、加速度、反作用力、扭矩等 的曲线【。软件仿真可用于预测机械系统的运动轨迹、模型碰撞检测、作用力/ 力矩分析以及作为计算有限元的输入载荷等【】【。 软件由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱类模块组 成【。下面对本研究所涉及的模块进行简单介绍。 用户界面模块/。 /模块是系列产品的核心 模块之一,它提供了一个直接面向用户的图形界面环境和进行虚拟样机分析的前处理功 能。其中包括虚拟样机建模所需的各种建模工具、虚拟样机模型数据的录入与编辑,与求 解器模块和后处理模块等的自动连接,虚拟样机分析参数的设置,同其他应用程度的接口 等。/内部采用内核进行实体建模,并提供了丰富的零件几何图形 库、约束库及力/力矩库,并且支持布尔运算、支持/和/中的 函数。除此之外,还提供了丰富