基于虛擬樣機技術的海水柱塞馬達輸出特性的仿真分析

， ， 　， 　(北京工業大學 機械工程與應用電子技術學院, 北京　100124)

引言

海洋是一個巨大的資源寶庫，合理開發和利用海洋資源滿足國家持續發展的需要。利用海水作為工作介質的液壓傳動技術是近年來國內外液壓領域普遍關注的研究方向。海水柱塞馬達是液壓系統的重要執行元件，其輸出特性直接影響其驅動元件的工作性能[1,2]。然而，柱塞馬達各部分之間的運動關系復雜，且存在大量的非線性耦合的環節，傳統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，應用虛擬樣機技術、AMESim軟件和ADAMS建立了其液壓-機械耦合模型[3]，構建了海水柱塞馬達的虛擬樣機，并對海水液壓馬達輸出特性進行仿真分析，研究了在摩擦副間隙、背壓等參數發生變化過程中，馬達輸出轉速、轉矩的變化情況及脈動。

1　海水馬達的結構及工作原理

由于軸向柱塞式結構和其他結構形式相比，能承受更高的PV值和更為緊湊的結構，所以，海水馬達的的結構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的結構示意圖。

圖1　海水柱塞馬達結構示意圖

該馬達的工作原理為：高壓水通過大端蓋上的進水孔流入與之連通的配流盤的吸液腰槽內，再經由浮動盤進入缸體軸的缸孔中，使位于進水一側的柱塞滑靴在高壓水的作用下外伸；而位于馬達回水一側的柱塞滑靴被迫內縮，將缸孔中的水經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生轉動，向外輸出轉矩和轉速，實現了由液壓能向機械能的轉換。

2　流固耦合模型的建立

2.1　機械模型的建立

海水軸向柱塞馬達的運動學規律主要依賴于幾何結構和機械約束，動力學規律則依賴于幾何結構、機械約束和進口高壓。此外零件在動態壓力作用下的彈性變形會對馬達的運動學、動力學規律產生影響。因此，馬達的機械模型的建立需要考慮上述因素。

海水軸向柱塞馬達的零件形狀復雜，并且采用了多種工程材料，幾何和質量信息難以通過常規方法確定。為了精確的建立虛擬樣機，首先在Pro/Engineer中建立海水柱塞馬達的實體裝配模型，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的機械模型。柱塞馬達中相對運動部件相互之間的機械約束有球鉸副、固定副、平面副和圓柱副等。由于與慣性力、動態壓力相比很小，忽略各運動副之間的摩擦力[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中建立了馬達的流體模型。馬達在運動過程中，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，導致容積損失的產生；而馬達在運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、黏性阻尼等產生的力矩損失。因此，在綜合考慮以上因素的基礎上，應用AMESim構造的海水液壓馬達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，應用軟件提供的超級元件對模型進行了封裝。

2.3　流固耦合模型的建立

為了準確地模擬海水柱塞馬達的工作狀態，需將機械模型和流體模型聯系起來。機械模型中的柱塞的軸向速度，柱塞的軸向位移，馬達的輸出轉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械模型的柱塞上。因此，在已建立的機械和液壓模型的基礎上，利用AMESim和ADAMS兩個軟件平臺之間的接口進行實時的數據傳遞，將兩個模型有機的聯系在一起，得到了虛擬樣機的流固耦合模型，如圖2所示。該模型包括流體模型及流固耦合模型中參數傳遞的接口模型[7，8]。

圖2　基于AMESim的海水柱塞馬達的流固耦合模型

通過上述方法，建立了包含機械模型和流體模型的海水柱塞馬達的虛擬樣機。

3　輸出特性的仿真分析

在建立了海水柱塞馬達虛擬樣機的基礎上，仿真分析了在摩擦副間隙、出口背壓等對輸出轉速、轉矩性能的影響。該流體模型考慮了20 ℃時海水物理特性，仿真中相關參數如表1所示。

表1　模型仿真的相關參數

3.1　摩擦副間隙對輸出性能的影響

海水柱塞馬達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進行輸出轉速、轉矩的仿真分析，分析結果如下圖3、圖4所示。從圖3中可以看出，輸出轉速受柱塞間隙變化影響很大，隨著柱塞副間隙的增大，馬達的轉速顯著下降，且脈動也隨之增加；從圖4可知，相對于輸出轉速，隨著間隙的增大，馬達輸出轉矩變化不是很明顯，轉矩均值基本不變，只是輸出脈動略有增加。由仿真結果可知，柱塞副間隙對于輸出轉速影響很大，因此柱塞副間隙的選取應保證柱塞能夠在缸孔內自如滑動的情況下應盡量減小。

圖3　不同柱塞副間隙下輸出轉速

圖4　不同柱塞副間隙下輸出轉矩

3.2　出口背壓對輸出特性的影響

出口背壓的設置，有利于改善馬達運行的平穩性，但過大的背壓會降低馬達的總效率，這里選取背壓為0.5、1.0、2.0 MPa進行輸出轉速、轉矩的分析。仿真結果如圖5、圖6所示。由仿真結果可以看出背壓對海水柱塞馬達轉速的影響不是很明顯，在背壓增大過程中，轉速均值基本不變，脈動略有增加； 背壓對輸出

圖5　不同背壓下的輸出轉速

圖6　不同背壓下的輸出轉矩

轉矩的影響較大，隨著背壓的增加，輸出轉矩脈動加大，這主要是由于背壓使摩擦轉矩增大，導致同樣負載下的輸入壓力也隨之增大，波動增大，機械效率降低。因此，在保證馬達運行平穩的前提下，應盡量減小背壓，降低摩擦損失，以提高機械效率。

4　結論

構建海水柱塞馬達的虛擬樣機，實現了液壓-機械模型的耦合，對海水液壓馬達輸出特性進行仿真分析，研究了在摩擦副間隙、背壓等參數發生變化過程中，馬達輸出轉速、轉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，對于馬達輸出轉速越小，且脈動增加，在馬達設計過程中，必須嚴格限制柱塞副間隙；背壓對馬達的輸出轉速影響不大，而對輸出轉矩影響較大，背壓的增大，加劇了摩擦轉矩的產生，故為了提高整個柱塞馬達的機械效率，不宜設置過大的背壓。

參考文獻：

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