斜盤式軸向柱塞泵后殼體機械振動傳遞路徑研究

權凌霄 劉嵩 焦宗夏 劉建偉 張琦瑋

摘要： 軸向柱塞泵振動產(chǎn)生后，會按照某種規(guī)律沿著一定路徑向外傳遞。以斜盤式軸向柱塞泵為研究對象，分析其機械振動產(chǎn)生機理及傳遞規(guī)律，建立振動傳遞路徑模型；以泵后殼體作為振動傳遞的最終受體，建立了泵機械振動向后殼體傳遞的路徑模型；通過數(shù)值模擬和實驗確定模型參數(shù)，利用MATLAB對數(shù)學模型進行求解，得到了機械振動向后殼體傳遞的規(guī)律；基于路徑傳遞率的概念，對振動傳遞路徑系統(tǒng)進行了路徑貢獻度分析，并辨識出主要傳遞路徑；搭建了軸向柱塞泵振動測試實驗臺，進行了實驗研究。結果表明：所建立的軸向柱塞泵振動傳遞路徑模型和求解方法較為準確，分析誤差小于5%。該研究方法為軸向柱塞泵振動傳遞、能量耗散規(guī)律研究，以及參數(shù)靈敏度分析奠定理論基礎。關鍵詞： 機械振動；軸向柱塞泵；傳遞路徑；路徑傳遞率；后殼體

中圖分類號： TH113.1；TH137.5文獻標志碼： A文章編號： 10044523（2017）04058709

DOI：10.16385/j.cnki.issn.10044523.2017.04.009

引言

軸向柱塞泵振動對自身及液壓系統(tǒng)壽命有很大影響，機械振動和流體脈動是其振動產(chǎn)生的根源。轉子系統(tǒng)是軸向柱塞泵的核心部件之一，受外載荷和結構限制，必然存在偏心和不平衡，導致軸向柱塞泵在工作過程中發(fā)生不可避免的機械振動。因此，軸向柱塞泵機械振動產(chǎn)生機理及傳遞規(guī)律極為重要，對提高軸向柱塞泵的性能和壽命具有重要意義[1]。

軸向柱塞泵是機械結構最為復雜的液壓元件。以力士樂公司RexrothA11V（L）O系列軸向柱塞變量泵為例，其由21個主要機械零件組成（不包括螺栓等連接件），工作過程中，會有14個零件隨之運動[2]。這些運動部件的相互作用將會產(chǎn)生復雜的機械振動，而且在其帶載工作時，以主軸、缸體及柱塞滑靴組件組成的轉子系統(tǒng)需要完成機械能向液壓能的轉換，振動更加劇烈。由于軸向柱塞泵結構極為復雜，因此，機械振動會沿著多條路徑傳遞，且每條路徑的貢獻度不同，其主要與該路徑中各零部件的質量、剛度以及相互之間的約束參數(shù)直接相關。

國內外很多學者針對軸向柱塞泵振動機理展開了深入研究。德國亞琛工大的Andre Palmen對泵殼進行了研究和優(yōu)化[34]。美國哥倫比亞大學Manring N D等[5]在研究串聯(lián)式軸向柱塞泵傳動軸轉矩波動時發(fā)現(xiàn)，當轉位角為10°時，串聯(lián)式九柱塞軸向柱塞泵傳動軸轉矩波動明顯減小。普渡大學的Monika教授對軸向柱塞泵缸體和柱塞之間的油膜特性行了研究，得到了機械振動引起的油膜熱傳遞和熱變形的變化規(guī)律[6]。浙江大學楊華勇院士和徐兵教授進行了軸向柱塞泵振動實驗，證明柱塞泵的主要激振源是“斜盤變量機構”，以及配油盤困油區(qū)流量倒灌與壓力沖擊[79]。燕山大學的權凌霄等對軸向柱塞泵振動進行分析，指出其振動的最終受體是泵殼[10]。這些研究工作對揭示軸向柱塞泵振動機理具有重要意義，為其減振降噪提供了理論依據(jù)。

采用振動傳遞路徑方法分析復雜機械結構件振動傳遞規(guī)律，能夠得到各傳遞路徑的傳遞率，量化分析傳遞路徑的貢獻度，因此，在很多領域得到了廣泛應用。比利時的Janssens K[11]等提出了參數(shù)化傳遞路徑模型，采用數(shù)學方法消除測試時的信噪干擾，大大提高了模型精度。荷蘭的De Klerk D和Rixen D[12]提出了一種分量傳遞路徑分析方法，采用互易性矩陣來對模型進行補充，通過分析子系統(tǒng)激勵源振動傳遞計算系統(tǒng)總響應，并在實驗臺上進行了模型驗證。東北大學張義民教授對振動傳遞路徑基礎理論研究較為深入，他通過時域內振動傳遞路徑系統(tǒng)隨機響應分析，更好地解決了不確定振動傳遞路徑的問題[13]；提出了路徑傳遞度的新概念，解決了時/頻域內振動與噪聲傳遞路徑傳遞概率的度量問題[1415]；此外，在動態(tài)靈敏度分析技術基礎上，張教授提出一種有效的方法來評估各傳遞路徑上參數(shù)和非線性剛度的變化對振動受體動態(tài)響應的影響[16]。液壓傳動領域，悉尼科技大學的Zhang Tianxiao和Zhang Nong建立了液壓泵兩自由度振動模型，得到了液壓泵振型和穩(wěn)態(tài)響應，并通過數(shù)值模擬得到泵的動態(tài)響應[17]。

第4期權凌霄，等： 斜盤式軸向柱塞泵后殼體機械振動傳遞路徑研究振 動 工 程 學 報第30卷通常，所研究的軸向柱塞泵具有前殼體、中殼體和后殼體三個振動最終受體，本文以后殼體為振動最終受體，采用振動傳遞路徑方法建立泵機械振動向后殼體傳遞的路徑模型；分別用數(shù)值模擬及實驗方法確定模型參數(shù)，然后采用MATLAB編程求解該模型；分析兩條主要傳遞路徑的貢獻度，辨識出主要傳遞路徑；最后，對其進行實驗驗證。研究工作對揭示軸向柱塞泵振動傳遞規(guī)律提供了一個新思路，研究成果為軸向柱塞泵振動控制提供一定的理論依據(jù)。

1斜盤式軸向柱塞泵機械振動動力學方程1.1斜盤式軸向柱塞泵機械振動傳遞路徑物理模型斜盤式軸向柱塞泵是一類常見的柱塞泵，本文以PCY25型斜盤式軸向柱塞泵為研究對象，研究泵內機械振動的傳遞問題。由于該泵傳動軸與缸體之間為過盈配合，且柱塞滑靴組件位于缸體的柱塞腔內，因此，將傳動軸、缸體和柱塞滑靴組件視為一個剛性體，該旋轉體即為轉子系統(tǒng)。圖1所示為該泵的機械結構圖，其振動產(chǎn)生及傳遞過程具有如下幾個特點：

圖1軸向柱塞泵機械振動傳遞路徑示意圖

Fig.1Axial piston pump mechanical vibration transfer path1.轉子系統(tǒng)是機械振動產(chǎn)生的主振源。轉子系統(tǒng)轉動時，傳動軸、缸體和柱塞滑靴組件的自激振動，以及這些零部件與相接觸部件之間的相互作用，都是機械振動的激勵源。

2.泵殼是機械振動最終受體。該泵采用高強螺栓將前殼體與鐘形罩緊固連接，如認為泵的安裝為完全固支，泵殼則是最終振動受體，但是三個殼體受到的振動會相互疊加作用。

3.后殼體振動最為復雜且劇烈。由安裝方式可以看出，整泵振動結構為懸臂梁結構，其主振型為垂直于軸向的上下左右擺動，此外，其他兩個殼體承受的振動也會疊加作用到后殼體上。