基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的海水柱塞馬達(dá)輸出特性的仿真分析

， ， 　， 　(北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院, 北京　100124)

引言

海洋是一個巨大的資源寶庫，合理開發(fā)和利用海洋資源滿足國家持續(xù)發(fā)展的需要。利用海水作為工作介質(zhì)的液壓傳動技術(shù)是近年來國內(nèi)外液壓領(lǐng)域普遍關(guān)注的研究方向。海水柱塞馬達(dá)是液壓系統(tǒng)的重要執(zhí)行元件，其輸出特性直接影響其驅(qū)動元件的工作性能[1,2]。然而，柱塞馬達(dá)各部分之間的運(yùn)動關(guān)系復(fù)雜，且存在大量的非線性耦合的環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的理論分析方法難以考慮到各部分之間的影響情況，無法對輸出特性進(jìn)行全面的分析。因此，針對本課題組研制的海水軸向柱塞馬達(dá)，應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)、AMESim軟件和ADAMS建立了其液壓-機(jī)械耦合模型[3]，構(gòu)建了海水柱塞馬達(dá)的虛擬樣機(jī)，并對海水液壓馬達(dá)輸出特性進(jìn)行仿真分析，研究了在摩擦副間隙、背壓等參數(shù)發(fā)生變化過程中，馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的變化情況及脈動。

1　海水馬達(dá)的結(jié)構(gòu)及工作原理

由于軸向柱塞式結(jié)構(gòu)和其他結(jié)構(gòu)形式相比，能承受更高的PV值和更為緊湊的結(jié)構(gòu)，所以，海水馬達(dá)的的結(jié)構(gòu)形式確定為軸向柱塞式，主要由殼體、斜盤、柱塞、滑靴、缸體軸、浮動盤、配流盤、大端蓋、小端蓋等組成[4，5]。圖1所示為本課題組研制的五柱塞的海水柱塞馬達(dá)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1　海水柱塞馬達(dá)結(jié)構(gòu)示意圖

該馬達(dá)的工作原理為：高壓水通過大端蓋上的進(jìn)水孔流入與之連通的配流盤的吸液腰槽內(nèi)，再經(jīng)由浮動盤進(jìn)入缸體軸的缸孔中，使位于進(jìn)水一側(cè)的柱塞滑靴在高壓水的作用下外伸；而位于馬達(dá)回水一側(cè)的柱塞滑靴被迫內(nèi)縮，將缸孔中的水經(jīng)由配流盤上的排水腰槽、大端蓋的出水孔排出。斜盤給滑靴垂直于斜面的反作用力，該反作用力的水平分力與水平方向的液壓力相平衡，該反作用力的垂直分力使柱塞滑靴產(chǎn)生對缸體軸的扭矩。由于作用在柱塞上的液壓力不同，致使產(chǎn)生的對缸體軸的扭矩不同，故在柱塞滑靴對缸體軸合力矩的作用下，缸體軸帶動柱塞滑靴產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，向外輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)了由液壓能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。

2　流固耦合模型的建立

2.1　機(jī)械模型的建立

海水軸向柱塞馬達(dá)的運(yùn)動學(xué)規(guī)律主要依賴于幾何結(jié)構(gòu)和機(jī)械約束，動力學(xué)規(guī)律則依賴于幾何結(jié)構(gòu)、機(jī)械約束和進(jìn)口高壓。此外零件在動態(tài)壓力作用下的彈性變形會對馬達(dá)的運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)規(guī)律產(chǎn)生影響。因此，馬達(dá)的機(jī)械模型的建立需要考慮上述因素。

海水軸向柱塞馬達(dá)的零件形狀復(fù)雜，并且采用了多種工程材料，幾何和質(zhì)量信息難以通過常規(guī)方法確定。為了精確的建立虛擬樣機(jī)，首先在Pro/Engineer中建立海水柱塞馬達(dá)的實(shí)體裝配模型，將其保存為.x_t文件。該文件形式可以將Pro/Engineer中的模型導(dǎo)入ADAMS中打開操作。在ADAMS中添加約束和力這樣就獲得了虛擬樣機(jī)的機(jī)械模型。柱塞馬達(dá)中相對運(yùn)動部件相互之間的機(jī)械約束有球鉸副、固定副、平面副和圓柱副等。由于與慣性力、動態(tài)壓力相比很小，忽略各運(yùn)動副之間的摩擦力[6]。

2.2　流體模型的建立

柱塞腔的壓力對柱塞端部的作用力是柱塞最重要的作用力，液壓模型的主要作用就是求解柱塞腔壓力，因此在AMESim中建立了馬達(dá)的流體模型。馬達(dá)在運(yùn)動過程中，由于摩擦副間隙的存在，在柱塞與缸體之間、配流盤與浮動盤之間、滑靴與斜盤之間存在泄漏，導(dǎo)致容積損失的產(chǎn)生；而馬達(dá)在運(yùn)行過程中除了由泄漏引起的容積損失外，還存在因庫倫摩擦力、黏性阻尼等產(chǎn)生的力矩?fù)p失。因此，在綜合考慮以上因素的基礎(chǔ)上，應(yīng)用AMESim構(gòu)造的海水液壓馬達(dá)的流體模型主要包括配流模型、速度模型、扭矩模型等。為了便于分析，應(yīng)用軟件提供的超級元件對模型進(jìn)行了封裝。

2.3　流固耦合模型的建立

為了準(zhǔn)確地模擬海水柱塞馬達(dá)的工作狀態(tài)，需將機(jī)械模型和流體模型聯(lián)系起來。機(jī)械模型中的柱塞的軸向速度，柱塞的軸向位移，馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速及角加速度輸入給流體模型，而將流體模型中的柱塞腔軸向液壓力施加在機(jī)械模型的柱塞上。因此，在已建立的機(jī)械和液壓模型的基礎(chǔ)上，利用AMESim和ADAMS兩個軟件平臺之間的接口進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳遞，將兩個模型有機(jī)的聯(lián)系在一起，得到了虛擬樣機(jī)的流固耦合模型，如圖2所示。該模型包括流體模型及流固耦合模型中參數(shù)傳遞的接口模型[7，8]。

圖2　基于AMESim的海水柱塞馬達(dá)的流固耦合模型

通過上述方法，建立了包含機(jī)械模型和流體模型的海水柱塞馬達(dá)的虛擬樣機(jī)。

3　輸出特性的仿真分析

在建立了海水柱塞馬達(dá)虛擬樣機(jī)的基礎(chǔ)上，仿真分析了在摩擦副間隙、出口背壓等對輸出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩性能的影響。該流體模型考慮了20 ℃時(shí)海水物理特性，仿真中相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1　模型仿真的相關(guān)參數(shù)

3.1　摩擦副間隙對輸出性能的影響

海水柱塞馬達(dá)的主要摩擦副有柱塞副、滑靴副和配流副。而在這三對摩擦副中，柱塞副的配合間隙對馬達(dá)的輸出性能影響較大，故而取柱塞副間隙分別為0.01 mm、0.03 mm、0.06 mm進(jìn)行輸出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的仿真分析，分析結(jié)果如下圖3、圖4所示。從圖3中可以看出，輸出轉(zhuǎn)速受柱塞間隙變化影響很大，隨著柱塞副間隙的增大，馬達(dá)的轉(zhuǎn)速顯著下降，且脈動也隨之增加；從圖4可知，相對于輸出轉(zhuǎn)速，隨著間隙的增大，馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩變化不是很明顯，轉(zhuǎn)矩均值基本不變，只是輸出脈動略有增加。由仿真結(jié)果可知，柱塞副間隙對于輸出轉(zhuǎn)速影響很大，因此柱塞副間隙的選取應(yīng)保證柱塞能夠在缸孔內(nèi)自如滑動的情況下應(yīng)盡量減小。

圖3　不同柱塞副間隙下輸出轉(zhuǎn)速

圖4　不同柱塞副間隙下輸出轉(zhuǎn)矩

3.2　出口背壓對輸出特性的影響

出口背壓的設(shè)置，有利于改善馬達(dá)運(yùn)行的平穩(wěn)性，但過大的背壓會降低馬達(dá)的總效率，這里選取背壓為0.5、1.0、2.0 MPa進(jìn)行輸出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的分析。仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。由仿真結(jié)果可以看出背壓對海水柱塞馬達(dá)轉(zhuǎn)速的影響不是很明顯，在背壓增大過程中，轉(zhuǎn)速均值基本不變，脈動略有增加； 背壓對輸出

圖5　不同背壓下的輸出轉(zhuǎn)速

圖6　不同背壓下的輸出轉(zhuǎn)矩

轉(zhuǎn)矩的影響較大，隨著背壓的增加，輸出轉(zhuǎn)矩脈動加大，這主要是由于背壓使摩擦轉(zhuǎn)矩增大，導(dǎo)致同樣負(fù)載下的輸入壓力也隨之增大，波動增大，機(jī)械效率降低。因此，在保證馬達(dá)運(yùn)行平穩(wěn)的前提下，應(yīng)盡量減小背壓，降低摩擦損失，以提高機(jī)械效率。

4　結(jié)論

構(gòu)建海水柱塞馬達(dá)的虛擬樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)了液壓-機(jī)械模型的耦合，對海水液壓馬達(dá)輸出特性進(jìn)行仿真分析，研究了在摩擦副間隙、背壓等參數(shù)發(fā)生變化過程中，馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的變化情況及脈動。

通過仿真分析，可以看出柱塞副間隙越大，對于馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速越小，且脈動增加，在馬達(dá)設(shè)計(jì)過程中，必須嚴(yán)格限制柱塞副間隙；背壓對馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速影響不大，而對輸出轉(zhuǎn)矩影響較大，背壓的增大，加劇了摩擦轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生，故為了提高整個柱塞馬達(dá)的機(jī)械效率，不宜設(shè)置過大的背壓。

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