（机械电子工程专业论文）静液压传动装置壳体优化设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 液压技术凭借其显著的优点在工程机械领域应用的越来越广泛，柱塞泵、柱塞马达 等技术发展的也越来越完善。与此同时，由柱塞泵柱塞马达组成的静液压传动装置在驱 动领域的应用也越来越多。在关注静液压传动装置性能的同时，人们也更多的关注其振 动及噪声。 本文将在现有的柱塞泵和柱塞马达的基础上设计一款静液压传动装置。随着现代工 业的飞速发展，人们对产品质量要求越来越高，尤其对节能环保，操作方便舒适，振动 噪音小等方面尤为关注。在现代产品设计中，需要考虑产品结构会不会加剧整个产品的 振动。因此本文应用有限元法分析静液压传动装置的模态，及振动响应情况，对结构的 合理性做出判断。 本文具体研究内容如下： ( 1 ) 根据要求选定变量柱塞泵和马达的型号，在已有参数基础上设计h s t 的壳体， 在u g 中建立壳体、端盖、螺钉的三维装配模型。 ( 2 ) 分析静液压传动装置的激振源和激振频率及振动传递通道。 ( 3 ) 将装配体模型导入a n s y s 软件，简化装配关系，忽略对模型动态特性影响较小 的细节成分，对模型做模态分析，求得壳体的固有频率和振型。根据激振力频率以及壳 体的固有频率，分析壳体的振动情况。根据壳体振型，对模型进行改进，使其振动状况 有所改善。 ( 4 ) 为了进一步了解壳体的振动状况，本文分析了壳体受力，并通过计算得到斜盘 对壳体的冲击载荷。对壳体做瞬态动力学分析，得到壳体上关键点的振动数据，评估壳 体振动情况。 ( 5 ) 设计沟通泵和马达的主流道，并在f l u e n t 中做可视化分析。根据流速压力的 变化图，提出流到的改进模型，使改进后的流道压力损失更小。 关键字：静液压传动；振动特性：模态分析；瞬态动力学分析；流道 a bs t r a c t h y d r a u l i ct e c h n o l o g yw i t hi t ss i g n i f i c a n ta d v a n t a g e sh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di n e n g i n e e r i n gm a , h i n e r yf i e l d t h ep i s t o np u m pa n dp i s t o nm o t o ra r eb e c o m i n gm o r ea n d m o r ep e r f e c t a tt h es a m et i m e ，t h eh y d r o s t a t i ct r a n s m i s s i o nd e v i c ec o n s t i t u t e do f p i s t o n p u m pa n dp i s t o nm o t o rh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nd r i v ef i e l d p e o p l en o to n l yp a y a t t e n t i o nt ot h ep e r f o r m a n c eo ft h eh y d r o s t a t i ct r a n s m i s s i o n ，b u ta l s oi t sv i b r a t i o na n d n o i s e i nt h i st h e s i s ，t h eh y d r o s t a t i ct r a n s m i s s i o nd e v i c ei s d e s i g n e do nt h eb a s i so f e x i s t i n gp i s t o np u m p sa n dp i s t o nm o t o r a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e m i n d u s t r y , p e o p l ea r ei n c r e a s i n g l yd e m a n d i n gf o rp r o d u c tq u a l i t y , e s p e c i a l l yf o re n e r g y c o n s e r v a t i o n ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，s i m p l eo p e r a t i o n ，l o wn o i s ea n dv i b r a t i o n ，a n d s oo n i nm o d e md e s i g no ft h ep r o d u c t s ，y o un e e dt oc o n s i d e rt h es t r u c t u r ei n f l u e n c eo f v i b r a t i o np r o d u c t s t h e r e f o r e ，i nt h i st h e s i s ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o di s a p p l i e dt ota n a l y s i s t h em o d a lo ft h eh y d r a u l i ct r a n s m i s s i o nd e v i c e ，a n dt h ev i b r a t i o nm o d a lr e s p o n s eo ft h e s t r u c t u r e a c c o r d i n gt ot h er e s u l t s ，j u d g et h er a t i o n a l i t yo ft h es t r u c t u r e i nt h i st h e s i s ，t h er e s e a r c hc o n t e n tw i l lb ei n t r o d u c e da sf o l l o w i n g ： l ：a c c o r d i n gt ot h er e q u e s t ，s e l e c tv a r i a b l ep i s t o np u m pa n dm o t o r ，d e s i g nt h es h e l l o fh s t , a n de s t a b l i s ht h e 3 da s s e m b l ym o d e lo ft h ec o v e r , t h es h e l la n dt h es c r e w s 2 ：t h es h o c ke x c i t a t i o nr e s o u r c e sa n de x c i t e df r e q u e n c yo ft h eh y d r a u l i c p u m pw e r e i n t r o d u c e df i r s t ，t h e nt h ev i b r a t i o nt r a n s m i s s i o nr o u t i n ea n ds t r u c t u r a lv i b r a t i o nr e s p o n s e m e c h a n i s mo ft h ea x i a lp i s t o np u m pw e r ea n a l y z e d 3 ：i m p o r tt h ea s s e m b l ym o d e li n t oa n s y ss o f t w a r e s i m p l i f yt h ea s s e m b l y r e l a t i o n s ，i g n o r et h ed e t a i l sw h i c hi n f l u e n c et h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fm o d a ll e s s ， a n a l y s i st h em o d a lo fm o d e l ，g e tn a t u r a lf r e q u e n c ya n dv i b r a t i o nm o d e a n dt h e n o p t i m i z et h em o d e lt or e d u c et h ev i b r a t i o n 4 = t od e e p l yu n d e r s t a n dt h ev i b r a t i o nc o n d i t i o no ft h es h e l l at r a n s i e n td y n a m i c a n a l y s i si sa p p l i e df o rt h es h e l l i nt h i sp a r t ，t h ef o r c ew h i c ha p p l yo nt h em o d e li s a n a l y z e d v i b r a t i o nd a t ao ft h ek e yp o i n t so nt h es h e l li sg e tf r o mt h er e s u l t 5 ：i nt h i st h e s i s ，t h el i q u i dc h a n n e lu s e dt oc o n n e c tt h ep i s t o np u m pa n dt h em o t o r i s d e s i g n e d s t e a d ys i m u l a t et h eg e n e r a la n do p t i m a lm o d e lb ya p p l y i n gf i n i t ev o l u m e m e t h o da n db yv i s u a l i z i n gc o m p u t i n ga n a l y s i ss o f t w a r e a c c o r d i n gt ot h ev a r i a t i o no f 西南交通大学硕士研究生学位论文 第f if 页 p r e s s u r ea n ds p e e d ，o p t i m i z et h em o d e lt or e d u c et h ep r e s s u r el o s s k e yw o r d s ：h y d r o s t a t i ct r a n s m i s s i o n ；v i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ：m o d a la n a l y s i s ； t r a n s i e n td y n a m i ca n a l y s i s ；l i q u i dc h a n n e l 西南交通大学四陶父通大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西 南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密匦使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“，) 学位论文作者签名剖通哗 指导老师签名： 日期：尸厶一； 日期： zl 7 。 多六 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 使用a n s y s 软件对静液压传动装置的壳体进行了模态和瞬态动力学仿真，充分 了解了壳体的振动特性，并对其做了优化设计，提高了抗振性能。 2 以f l u e n t 软件为基础，对静液压传动装置的主流道进行了优化设计，改进后 的流道压力损失明显减小。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的 研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中作了明确说明。本人完全 了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：安，) 盟拿 日期： z o o 彩 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 背景及意义 第1 章绪论 液压传动由于具有功率重量比大、运动平稳，可以实现大范围内的无级调速，易于 安全保护、换向频率高、能够自润滑、易于实现自动化等一系列优点，所以最近的几十 年来，在很多工程领域中得到了迅速的发展和广泛的应用。但是由于多种原因，我国的 液压产品生产设计能力存在诸多的缺陷，如产品性能低、可靠性差、设计技术水平低、 缺少必要的实验条件、自我开发能力薄弱，c a d 、c a m 技术应用处于初级阶段，产品 设计还处于经验、静态设计阶段。有限元设计、模拟仿真技术和可靠性设计等有待于进 一步推广。另外还有自身需要解决的问题，如泄漏、噪声大、效率低等。 液压传动必须在充分发挥自身优势和借鉴其它传动优点的情况下，对自身进行改进 和创新，才能在未来的竞争中保存下来并获得不断的发展。液压传动技术的发展方向是： 利用数值计算技术，优化运动、流动和结构，减少噪声，提高性能，减少能耗，充分利 用能量，提高能量转换的效率，提高设计和实验水平等等。 现有的液压装置存在以下问题：振动噪音比较大，内部流道能量损失大、噪声大、 效率低、能耗大。由于液压装置的壳体受力比较复杂，比如斜盘和配流盘所受到动载荷 的频率会直接影响壳体的振动。液压装置的壳体设计不合理会加重振动的噪音。所以， 在对壳体建模以后，对其进行模态等的计算是很有必要的。另外，液压装置的流道结构 的设计常常是根据经验来进行，很少用有限元方法来设计，对于液压泵和系统内部流道 的流场结构研究得很少，特别是在流场结构对液压泵及流体管道系统性能( 如流道的能量 损失、噪声等) 的影响方面的研究工作更不多见。用有限元这一现代数值计算方法对组成 液压技术中的液压泵和各种复杂流道流场进行数值模拟和可视化研究，并据此定性分析 流场结构硎。 1 2 静液压传动技术的概述 行走驱动系统是工程机械的重要组成部分。与工作系统相比，行走驱动系统不仅需 要传输更大的功率，要求器件具有更高的效率和更长的寿命，还希望在变速调速、差速、 改变输出轴旋转方向及反向传输动力等方面具有良好的能力。于是，采用何种传动方式， 如何更好地满足各种工程机械行走驱动的需要，一直是工程机械行业所要面对的课题。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 尤其是近年来，随着我国在交通、能源等基础设施建设方面的进程快速发展，建筑施工 和资源开发规模不断扩大，工程机械在市场需求大大增强的同时，更面临着作业环境更 为苛刻、工况条件更为复杂等所带来的挑战，也进一步推动着对其行走驱动系统的深入 研究。由于静液压传动( h y d r o s t a t i ct r a n s m i s s i o n ) 有显著的优点，它在工程机械中的应用 也越来越广泛。 1 2 1 静液压传动的特点 传统的传动方式有以下几种：机械传动、液力传动、静液压传动、电力传动。与其 它传动方式相比，静液压传动有以下优点和缺点【3 】。 1 优点： ( 1 ) 布局灵活方便。输入输出组件间可用柔性管道连接，相对位置受机械结构牵制 较少，有时还可有多个相对独立的输入和输出端。 ( 2 ) 无极调速范围宽，且可根据不同需要得到相应的较硬或较软的调节特性，对不 同机具的适应性好，与发动机容易匹配。 ( 3 ) 输出扭矩与转速可以在相当大程度上与输入转速无关地进行调节。从而使发动 机能经常在稳定、高效工况下运行，有利于节约能量、降低噪音、减少排放及延长发动 机寿命，从而补偿了本身稳态效率较低对整机经济性带来的不利影响。 ( 4 ) 起步、调速及换向柔和、迅速、冲击小；微动特性优异，操作舒适，有利于准 确地行驶、操纵工作部件及拖挂车辆负载。 ( 5 ) 从最高车速直到完全静止均可利用动力传动装置本身实现可控制的制动，制动 扭矩与驱动扭矩相当，并且此种制动不引起部件磨损，必要时还可贮存系统吸收的制动 动能。 2 缺点： ( 1 ) 组件比较精密，要求良好的制造技术，成本较高。 ( 2 ) 稳态传动效率较低，因而不宜用于长距离稳定行驶的车辆( 如卡车等) 。 ( 3 ) 维修保养工作所要求的技术水准较高。 1 2 2 静液压传动原理的简介 发动机输出的机械能通过液压泵将其转化为液压能，经管道和控制阀等传输到液压 马达，经液压马达重新转化为驱动负荷所需的扭矩和转速的机械能。液压泵通常是由发 动机直接驱动，也可以经过皮带或齿轮变速后驱动，液压马达的输出轴可以象机械传动 一样经齿轮变( 减) 速器、驱动桥等部件与驱动轮连接，也可以直接传动驱动轮。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 按照液压油的循环方式，静液压传动装置可以分为开式系统和闭式系统。小型沥青 混凝土摊铺机均为开式静液压传动方式，中型或大型沥青混凝土摊铺机、稳定土拌合机 和路面冷铣刨机均采用闭式静液压传动方式。下图为两种系统的原理图。 图1 - 1 开式静液压系统 图1 - 2 闭式静液压系统 按照泵和马达放置的位置不同，静液压传动装置可以分为整体式和分置式，它们各 有以下特点： 整体式静液压传动装置是将液压泵和液压马达组合在一起，输人轴与输出轴之间有 相对固定的位置关系。一般适用于小排量的静液压驱动装置。它的优点是结构紧凑，中 间不需要管路连接，相对来说，使用成本较低。缺点是：安装布局有定的限制，一般专 用性比较强。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 分置式静液压传动装置是液压泵和液压马达为各自独立元件，通过管路连接组成。 这样，可以有不同排量，不同变量形式的液压泵和液压马达任意组合，通过参数合理匹 配，能满足主机的各种工况要求。其次安装比较灵活，能按主机的设计要求进行布置。 当然，由于用管路连接，增加了泄漏的机率和需要对管路进行清洗过滤。 e 粤卜机 图1 4 分置式静液压传动装置 。1 ，x j 窃 图1 4 整体式静液压传动装置 123 静液压传动系统组成简介 静液压传动装置是由液压泵和液压马达为主组成，附加各种变量控制单元和传动元 件( 减速器或变速箱) ，它是一种无级变速的传动装置。目前常用的静液压传动装置都采 用柱塞泵和柱塞马达。 和普通的液压泵相比，静液压传动装置用的液压泵有以下几个特点： 够：江薹、 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 ：它是通过斜盘的摆动实现变量，变量灵敏度要求高。 2 ：它是通轴式的，和其他工作泵可以串联组成多联泵，省去分动箱。一般情况下， 柱塞泵和补油泵同轴。 3 ：它的斜盘摆角可以为零。当静液压传动装置不工作时，可使泵的排量为零，没有 流最输出，这样可以减少空载时的功率损失和液压系统发热，降低能耗。 变量液压泵一定量液压马达，由于仅仅液压泵进行变量，所以静液压传动装置可调 节范围为1 ：3 左右。液压马达的转速大小和方向的变化由变量液压泵进行控制。当液压 泵为最大排量，系统压力为最高压力时，此时输出功率达到最大值。因此，功率利用范 围比较窄。变量液压泵变量液压马达由于液压泵和液压马达均可进行变量，所以静液 压传动装置可调节范围扩大到1 ：9 左右。当液压泵处于最大排量，液压马达处于最小排 量时，传动装置可以输出最高转速当液压泵处于最小排量，液压马达处于最大排量时， 传动装置可以输出最大扭矩。这样，在发动机功率相同的情况下，功率利用范围可以大 大扩大。再考虑发动机油门调节的话，可以获得一条理想的动力特性曲线1 4 1 。 静液压传动装置里用的液压马达种类繁多，既有高速轴向柱塞马达，也有低速大扭 矩马达。在选择马达时，一定要注意泵和马达的匹配关系。在不考虑考虑流量损失的情 况下，泵和马达的流量相同。当静液压传动装置的主泵选择好后，根据工况的分析，即 可选择液压马达。一般情况下，当驱动系统的工况比较复杂，工作负荷变化范围大时， 可以选用变量泵变量马达系统。当驱动系统的转速范围变化不大时，可以选用变量泵 一定量马达系统。相比而言，后者的控制系统更为简单。 1 3 壳体设计 在一般的产品中，壳体的基本功能就是支撑保护内部的核心部件，壳体的附加功能 就是使产品看起来更加要美观。壳体的设计相对核心零件要简单一些。设计壳体需要注 意以下几点： 首先是厚度要求，一般柱塞泵壳体厚度在8 1 2 m m 。壳体的厚度太大，会使产品看 起来粗笨，应用场合也会受到限制。厚度太小，强度可能达不到要求。在产品的重量、 体积要求较严格的场合，需要对壳体的厚度做优化设计。 另外，设计壳体时，还要关心壳体的振动特性。拙劣的壳体结构可能加重整机的振 动状况。振动过于强烈，会产生噪声，破坏环境，影响使用者的健康。过高的振动还会 影响产品的使用寿命。在分析壳体振动方面，需要知道壳体的模态。模态能够反映振动 的动态特性，而且模态分析是一切振动分析的基础。在模态分析的基础上还可以做谐响 应分析、瞬态响应分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 4 模态分析在振动分析中的应用 随着振动理论及其相关学科的发展，人们早已改变了仅仅靠静强度理论进行结构设 计的观念。许多结构是在外部激励或自身动力作用下处于运动状态的。这种运动或其主 要成分往往是振动。如旋转机械的振动，空间飞行器的颤振，车辆、船舶等交通运输工 具的振动，机床的振动，武器在发射状态下的振动等等。这些机械的设计、评估自然必 须考虑动态特性，动态载荷往往是设计的主要考虑因素。还有一些结构，静强度或动强 度并不是设计的主要标准，但却要求有良好的振动特性。如洗衣机、空调、微波炉等电 器产品的设计不当会引发很大的噪声。事实表明，振动特性分析在结构设计和评价中具 有极其重要的位置。特别是随着现代工业的进步，许多产品朝着更大、更快、更轻和更 安全可靠的方向发展，因此对动态特性的要求越来越高，振动分析愈显重要。 作为振动工程理论的一个重要分支，模态分析及实验为各种产品的结构设计和性能 评估提供了一个强有力的工具，其可靠的实验结果往往作为产品性能评估的有效标准， 而围绕其结果开展的各种动态设汁方法更使模态分析成为结构设计的重要基础。特别是 计算机技术和各种计算方法( 如f e m ) 的发展，为模态分析的应用创造了更加广阔的环 境【5 6 】。 模态分析的应用可分为以下四类： 1 模态分析在结构性能评价中的直接应用 根据模态分析的结果，即模态频率、模态振型、模态阻尼等模态参数，对被测结构 进行直接的动态性能评估。对一般结构，要求各阶模态频率远离工作频率或工作频率不 落在某阶模态的半功率带宽内；对结构振动贡献较大的振型，应使其不影响结构正常工 作为佳。这是模态分析的直接应用，已成为工程界的基本方法。 2 模态分析在结构动态设计中的应用 以模态分析为基础的结构动态设计，是近年来振动工程界开展的最广泛的研究领域 之一。众所周知，传统的结构设计，在考虑动态因素的结构修改时，是以经验和反复实 测为主要手段。因为尽管依据模态分析结果和响应试验容易判断出初步结构的性能缺陷， 但在结构修改问题上却往往茫然无所知，设计工程师只能依据经验和现有条件进行反复 修改和实测，有时甚至将原设计完全推翻重新设计。这大大减缓了设计速度，设计质量 也难以达到最优。为此，科技工作者不断探索有依据的结构动态修改方法，以期达到优 化设计的目的。 一 有限元法( f e m ) 为结构动态设计提供了两条最主要的途径。在围绕这两种基本方 法所开展的结构动态设计研究工作中，人们提出了很多的方法。这些方法可归为以下六 类：载荷识别；灵敏度分析；物理参数修改；物理参数识别；再分析；结 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 构优化设计。它们分别从不同方面解决了结构动态设计中的部分问题，某几种方法的组 合可做到结构的优化设计。 3 模态分析在故障诊断和状态监测中的应用 利用模态分析得到的模态参数等结果进行故障判别，日益成为一种有效而实用的故 障诊断和安全检验方法。如根据模态频率的变化判断裂坟的出现，根据振型的分析判断 裂纹的位置，根据转子支撑系统阻尼的改变判断和预报转子的失稳，土木工程中依据模 态频率的变化判断水泥桩中是否有裂纹和空隙等等。 4 模态分析在声控中的应用 声音控制包括利用振动和抑制振动两个方面。抑制振动结构的幅射噪声，在很多问 题中都很突出。模态分析为分析噪声产生的原因及治理措施提供了有效的方法。事实上， 模态分析在工程中的应用远不止以上列举的四类问题，科技工作者正在试图将模态分析 的应用扩大到更广的范卧7 d 1 1 。 1 5 本文主要研究内容 本文在已有的变量柱塞泵和柱塞马达的基础上，设计一款静液压传动装置。分析其 振动机理，并基于a n s y s 对该装置壳体进行模态分析，瞬态响应分析，了解壳体的振动 状况，并对模型作出修改，从而改善其振动情况。最后本文设计沟通泵和马达的流道， 利用f l u e n t 软件进行流体可视化分析。 本文具体研究内容如下： ( 1 ) 根据要求选定变量柱塞泵和马达的型号，在已有参数基础上设计静液压传动装 置的壳体，在u g 软件中建立壳体的三维模型。 ( 2 ) 分析静液压传动装置的激振源和激振频率，以及振动传递的通道。 ( 3 ) 将壳体模型从u g 导入a n s y s 软件进行模态分析，得到壳体的固有频率和振型。 根据壳体的振动情况，提出改进模型，使其振动状况有所改善。 ( 4 ) 分析壳体所受到的随时间变化的载荷，对壳体做瞬态动力学分析，得到壳体上 关键点的振动数据，进一步了解壳体的振动情况。 ( 5 ) 设计静液压传动装置的主流道，并在f l u e n t 中做可视化分析。根据流速压力的 变化图，改进流到模型，使改进后的流道具有更小的压力损失。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章系统设计及振动分析 在工程机械领域，很多时候需要驱动装置体积小，重量轻，性能稳定。静液压传动 装置基本符合上述要求。本文将设计一种结构紧凑，布局合理的整体式静液压传动装置 ( 以下简称静液压传动传动装置) 。该装置将用于小型车辆的驱动，比如割草机，叉车等。 本章将在现有的柱塞泵和柱塞马达的基础上，完成该装置的系统以及壳体的设计，并从 理论上分析该装置的振动情况。 2 1 静液压传动系统的原理 本文设计的静液压传动装置是由一个变量柱塞泵和一个定量柱塞马达组成的闭式回 路。变量泵的斜盘角度受与之相连的轴控制器实现直接比例控制，斜盘摆过零度时，泵 出口液压油流向改变进而改变与之相连的马达输出轴旋向。 该装置工作的液压油来自外部油箱。经过过滤器后液压油通过补油泵进入主闭式工 作回路。补油回路中过量的液压油经过补油溢流阀回补油泵入口。一部分恒定流量的液 压油通过补油回路与壳体腔之间的固定阻尼孔回油箱，以实现液压油的冷却。 当斜盘倾角由正值变为负值或者由负值变为正值时，泵的流量方向发生改变。当泵 卸荷的时候，斜盘角回到零度的位置。这个时候，泵不在为马达提供液压油，马达将要 停止转动。但是马达由于惯性的作用继续运转，发生泵工况。由于泵和马达之间的液压 油不再循环交换，马达出口一侧就会形成高压液压油，从而阻止马达的继续转动，这样 就形成了形成制动。所以采用静液压驱动，不需要附加制动系统。但是为了保证系统的 绝对安全，可以另外安装制动装置。 厂一 图2 - i 系统原理图 叠霍銮鎏銮主翟圭2 耋兰誊兰耋耋釜：乏 2 2 各元件工作参数 ”变量柱塞泵 图2 2 原理示意圈 本文中的静液压传动装置采用通轴变量柱塞泵，泵轴的末端接补油泵。斜盘摆角能 定位在1 6 。范围内的任何位置上，采用直接比例控制，控制轴可位于壳体的任何一侧。 表2 1 ：柱塞泵参数 ( 2 ) 柱塞马达 该装置采用普通的定量柱塞马达。在不考虑泄漏流量的情况下，马达的流量q 和泵 的流量b 相等。 绋= g ( 2 - 1 ) = ( 2 2 ) _ ：! 型! ! ( 2 3 ) n m 由于马达和泵都受到转速的限制，为了充分利用泵和马达的效率，泵的排量一和马 达的排量吒需要满足式( 2 3 ) 的关系。本文中泵和马达最高转速相同，都为2 4 0 0 r m l n ， 所以选用的泵和马达的排量相同，马达斜盘角度为泵的斜盘角度的最大值。马达的工作 参数如下表。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 表2 - 2 ：柱塞马达参数 ( 3 ) 补油泵 补油泵的是该系统的重要部件，它有以下重要作用： ：为循环系统补充液压油。由于泵和马达都存在泄漏，可以循环的液压油会不断 减少，影响马达的转速。另外还会形成气穴，影响马达和泵的使用寿命，并产生严重的 噪音。所以需要补油泵，不断向系统补充液压油，以弥补泄漏流量。 ：为系统降温。由于液压油的循环使用，油温会不断升高。为了保证静液压传动 装置正常工作，必须降低液压油的温度。补油泵补入的液压油，刚好可以起到降低油温 的作用。 本文中补油泵采用内啮合齿轮泵，和变量柱塞泵同轴安装。考虑到柱塞泵和柱塞马 达额定工况下的容积效率都在9 0 以上，补油泵的排量一般选择为主泵排量的1 0 一 3 0 ，本文中取补油泵的排量为主泵排量的2 5 。补油泵参数如下表所示。 表2 3 ：补油泵参数 ( 4 ) 单向阀 静液压传动装置工作的时候，补油泵需要通过两组单向阀，不断向主油路提供冷却 的压力油。补油泵的工作压力低，只能通过单向阀，向主油路的低压侧补油。当马达的 旋向改变时，主油路低压侧变为高压侧，单向阀关闭，另外一侧的单向阀打开，补油方 向也随之发生改变。 ( 5 ) 补油溢流阀 为确保元件的使用寿命及性能，应控制补油泵的补油压力，需要在补油泵出口与吸 油口之间安装补油溢流阀。补油压力一般控制在2 m p a 2 5 m p a ，本文中补油溢流阀压力 为2 m p a 。 ( 6 ) 旁通阀 在某些应用中，需要在发动机不开启的情况下，短距离低速拖动机器，这就需要安 装旁通阀。旁通阀的作用是连通泵和马达两侧的工作油路，进而允许输出轴在泵停止转 动的情况下运转。本文中采用滑阀式旁通阀，通过按压滑阀端的按钮手动打开旁通阀。 ( 7 ) 该装置的性能参数： 在现有的柱塞泵和柱塞马达的基础上，本文设计的可用于小型车辆驱动的静液压传 动装置，它的性能参数如下： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第11 页 最大的输出力矩： m ：竺：盆：塾( 2 - 4 ) 2 刀 式中y 表示马达的排量； 表示马达最高工作压力； 表示马达的机械效率。 取卸8 ，计算得出该装置的最大输出扭矩为1 3 4 n m 。 最大输出功率： 只= p m 。级。 绋= 巧万。 由以上两式和式( 2 2 ) ，得出 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 只= 岛巧甩p 刁。 ( 2 7 ) 式中 p ，为马达的工作压力； 为泵的排量； 1 。为泵的转速； 为马达的容积效率。 取r 。卸8 ，= o 9 ，分别取p 。，0 ，刀p 的最大值，计算得出最大输出功率 只= 3 1 6 k w 。 2 3 壳体设计 根据静液压传动装置的原理示意图，本文设计了一种结构紧凑的布局模式，把柱塞 泵和柱塞马达平行放置在壳体内，把旁通阀，单向补油阀等插装阀放置在端盖内。本文 选择的原型柱塞马达的为型号m s g 4 4 p 2 1 。把柱塞泵和柱塞马达的缸体、配流盘等部 件平行放置在壳体内部，泵和马达之间用流道沟通。 初步选择壳体的形状为矩形，通过缸体、斜盘以及配流盘在壳体内的布局，可以确 定壳体的大概尺寸。本文设计的壳体材料为球墨铸铁，在受拉的情况下，其许用应力f 纠 为5 0 0 m p a ，取安全系数s 为1 5 。壳体受到的主要载荷为柱塞泵和柱塞马达斜盘支持反 力。在最大工况下计算得到斜盘的支持反力，斜盘的支持反力将在论文的第五章介绍。 三盟( 2 8 ) 彳5 a = 2 a d + 2 b d + 4 d 2( 2 9 ) 式中a 为壳体的长度宽度； b 为壳体的宽度； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 d 为壳体厚度。 根据壳体内部零件尺寸，取a - 1 2 4 m m ，b - 2 4 5 r m n ，f = l 1 0 5 n 。通过强度计算得到 壳体的最小厚度d 为16 m m ，考虑到工艺要求，本文取壳体的厚度为8 m m 一1 2 m m 。 在壳体内部，精确的定位尺寸不多。通过确定缸体、柱塞、滑靴、斜盘的定位，就 可以确定泉和马达斜盘支撑的位置。另外，壳体上还要设计油箱的接n 。泵轴输入端采 用滚动轴承支承，并加旋转密封。下图为壳体内部的部分部件的装配图。 图2 - 3 壳体内部装配立体国 图2 4 壳体内部装配平面图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 缸体、配流盘位置确定好后，主流道的位置就确定下来。在端盖内部需要设计一些 阀和吸油流道的位置。吸油流道放置在主流道之间，一端与壳体上的油箱接口相连，另 一端与补油泵的吸油口相连。补油单向阀，放置在吸油流道和主流道之间。输出轴和输 入轴在端盖一端采用滑动轴承支承，可以减小所占用的空间。输出轴( 马达轴) 端盖那 一端需要加旋转密封，输入轴( 泵轴) 端盖那一端接齿轮补油泵，因此可以不用加旋转 密封。下图为端盖模型的示意图。 图2 - 5 端盖立体图 蝇 囹2 4 5 端盖平面剖 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 2 4 轴向柱塞泵振动机理分析 静液压传动装置主要由变量柱塞泵和定量柱塞马达组成，分析该装置的振动可以从 分析柱塞泵的振动开始。对于柱塞泵，首先要分析其振源，激振力，激振频率以及激振 力传递的通道，根据不同的情况，可以采取防振，减振，阻隔振动传递通道等措施，改 善柱塞泵的振动状况。 2 4 1 激振频率的分析 柱塞泵的振动可以分为两类：机械振动和流体振动两类。机械噪声包括斜盘及变量 机构振动产生的噪声、轴承振动产生的噪声以及泵的旋转体偏心与不平衡产生的噪声等。 ( 1 ) 斜盘及变量机构振动 斜盘及变量机构在工作时受到周期变化的液压力矩的作用，产生周期性的振动，从 而激发机械振动噪声。其振动频率z 和转速n 以及柱塞数z 有以下关系： 万：警 ( 2 1 0 ) j 1 一丽 “吖w ( 2 ) 轴承振动 在柱塞泵高速旋转过程中，由于轴承各元件间存在间隙，因此产生周期性振动，激 发噪声。其振动频率厶和转速n 以及轴承滚子数n 有以下关系： ，；：。n n ( 2 1 0 ) ，2 一丽 “。 ( 3 ) 泵的旋转体偏心与不平衡产生的振动 当泵轴转速较高时，由于旋转体偏心而产生的动不平衡力作用在与泵轴相连的零部 件上时，就会产生周期性的振动，激发噪声。其振动频率石和转速n 有以下关系： = 旦 3=60(2-12) ( 4 ) 泵的固有流量脉动 流量脉动是液压泵的固有特性，而且必然引起泵输出压力的脉动， 其振动频率丘和转速n 以及柱塞数z 有以下关系： ， ，l z j4 一面 从而产生噪声。 ( 2 1 3 ) ( 5 ) 配流噪声 配流噪声是柱塞泵流体噪声的主要组成部分，也是柱塞泵噪声的主要根源之一。柱 塞泵在配流过程中，当柱塞腔从吸油区向排油区过渡时，充满低压油的柱塞腔突然与排 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 油区的高压油接通瞬间，高压油从排油区进入柱塞腔，形成流量倒灌冲击。随着柱塞的 运动与倒灌流量的增加，柱塞腔内压力上升至与排油区压力相等，由于柱塞的继续压入， 柱塞腔进入排油工况。但是，由于油液的惯性与阻尼作用，油液排出受到限制，柱塞腔 内压力因此升高并超过排油区压力，形成压力正超调。同理，当柱塞腔从排油区向吸油 区过渡时会产生流量释放冲击，形成压力负超调。压力升降与压力超调形成的液压冲击 最终表现为柱塞泵的结构噪声，而流量倒灌与流量释放则表现为柱塞泵的输出油液的流 体噪声盼1 扪。 疋：丝 ( 2 1 4 ) ，一一 。1 t 2 4 2 柱塞泵振动响应机理 柱塞泵的机构复杂，可以看成有无数个质点组成的结构体，因此它不是单自由度系 统，而是一个有1 1 个自由度的线性系统。不考虑阻尼的情况下，那么n 个自由度的线性 系统的强迫振动方程式为： l聊1 2 m l im n 码d 聊2 d 。 m 2 n m c lm c 2 ，m a 脚n lm n 2聊村m m 五 恐 毛 + 毛。毛：毛d毛。 岛。毛。如d包。 。恕：k k b 。吒：k 一。 五 屯 x c z l t 。 l 。 ( 2 1 5 ) 上式简写为【m 】 芰】+ 【七】 x 】- - y ) ( 2 1 6 ) 式( 2 1 4 ) 中， ，) 为激振力矩阵。设结构上任意一点p ，其振动位移x 。，它包含了 从第一阶到第1 1 阶振动对改点位移的贡献，因此，x 。是各阶振型在该点的线性组合： l = 纯i q l + 纯2 9 2 + + 诈，吼+ + 喀。q 。= 砧g r ( 2 1 7 ) 式中：g ，是第r 阶模态的参与因子，反映了该阶振型对振动响应的贡献大小或者参 与程度，与激振力有关，丸，是p 点的第r 阶模态。则系统各点的振动位移为： 缟。魂：缟d缟。 钨，唬。兜d缟。 绣。唬：死九 么。统：锄九 吼 口2 吼 吼 ( 2 1 8 ) 玉恐一 五一 矗 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 拼= 魂，缟： 织。缟。 晚。绣： 织l织2 缟。 欢。 屯 织。 q ) = 该式称为振型坐标。 将式( 2 1 8 ) 代入( 2 1 4 ) 得： 【肘】 ) 虿) + 【k 】泐 g 】= 厂) 根据模态正交性，经推导得： 如( 胪陲兰) 础) = 9 1 9 2 吼 吼 喜掐ti ；j ( 2 1 9 ) 瓦( ) ( 2 2 0 ) 式( 2 2 0 ) 中，e ( 厂) 施加在l 点的激振力以( f ) 的傅立叶变换； 如( 厂) 在p 点引起的振动位移的傅立叶变换； 啦乳吩别为p 点和l 点的第r 阶模态； t 第r 阶模态刚度k r = 谚) r 【足】 饵) ； z 第r 阶固有频率z = 竺2 n ，( o r 2 - - 聊k r ，； 厂实际振动频率：兰； 2 死 蝴( 2 - 1 8 ) 电州_ l 班，r c 两 r 2 h p l ( 厂) 被称为跨点导纳函数，或者频率响应函数。因此可得： 厶( 厂) = ( 厂) 五( 厂) ( 2 - 2 1 ) 若不是单个点，而是n 各点施加激振力， 点的振动位移是所有激振力产生的位移之和， t ( 厂) = k ( 厂) = h p l ( 厂) 兄( 厂) 工= l l = i 则每个激振力对p 点振动都有贡献，则p 所以有： ( 2 2 2 ) 一 d 时 d钆锄殇贴 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 戈( 纠= 墨( 厂) 置( 厂) 丘( 厂) 咒( 厂) 且lq 2 q 。q ， h nh 矗 h nh 。2 q 。 凰。 h 衡 日。 互( ) 乞( 厂) c ( 厂) 只( 厂) 二【日( 州 尸( ) ) ( 2 - 2 3 ) 由以上公式可以得出以下结论： l ：柱塞泵结构振动响应取决于激励力和频率响应函数，两者之一在某一频率出现峰 值，则振动响应也在该频率出现峰值。 2 ：在固有频率附近，频率响应函数可达很高的数值，实际系统中因有阻尼使它才不 致过大。 3 ：减小柱塞泵结构振动可从以下几方面着手： ( 1 ) 减小激振力的幅值。 ( 2 ) 尽可能避免激振力频率与柱塞泵结构固有频率的重合或靠近。 ( 3 ) 提高结构刚度。 ( 4 ) 提高阻尼1 5 】。 2 4 3 振动传递通道 通过壳体传递的振动主要为柱塞泵和柱塞马达产生的机械振动，概括起来有以下几 点： 由输入轴和输出激发振动，传递至轴两端的轴承，右端轴承将振动传递至端盖， 而左端的轴承则传递至泵壳。 由柱塞马达和柱塞泵配流盘处的流量脉动、压力冲击等激发振动，它会直接传递 至端盖。 柱塞泵和柱塞马达斜盘受到周期变化的力矩激发振动，传递至斜盘轴承及斜盘座， 再由斜盘座传递至泵壳； 柱塞泵斜盘激发的振动，经变量活塞组件，传递至泵壳。图描述了静液压传动装 置内部振动的传递路径【1 2 】。 乩 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 量曼皇曼曼曼量曼量皇曼量鼍量詈_ i i im m ee,h,!,i i , , 皇曼量曼皇曼鼍曼曼曼曼曼曼曼皇舅鼍蔓 圈 图2 - 8 静液压传动装置振动传递示意图 由此可见各种激振力都直接或者间接的传递到了壳体和端盖，设计好壳体和端盖成 了柱塞泵减振的重要一环。 2 5 小结 本章首先设计了静液压传动装置的系统，以及各主要部件的主要参数。然后介绍了 柱塞泵振动情况，重点阐述了柱塞泵内激振源及激振频率，根据柱塞泵结构分析了柱塞 泵内部振动传递路径，并且分了柱塞泵结构振动响应机理，得出以下结论： l ：在振动传递过程中，壳体和端盖是最终的承受者，由于壳体具有较大的外表面， 所辐射出的噪声值最大，并且壳体结构的优化更具可行性，因此课题将减振降噪的研究 对象确定为柱塞泵的壳体。 2 ：柱塞泵结构振动响应取决于激励力和频率响应函数，两者之一在某一频率出现峰 值，则振动响应也在该频率出现峰值。 3 ：减少柱塞泵结构振动可从以下几方面着手：减少激振力的幅值；尽可能避免激振 力频率与柱塞泵结构固有频率的重合或靠近；提高结构刚度；提高阻尼。 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 第3 章壳体模态分析 上一章分析了静液压传动装置的主要激振频率，为了了解壳体的动态特性，还需要 计算的壳体的模态，考虑激振频率是否在壳体的各阶固有频率上，是否会产生共振，或 者振动加强的情况。本章将采用有限元法对壳体做