基于虚拟样机技术的海水柱塞马达输出特性的仿真分析

， ， 　， 　(北京工业大学 机械工程与应用电子技术学院, 北京　100124)

引言

海洋是一个巨大的资源宝库，合理开发和利用海洋资源满足国家持续发展的需要。利用海水作为工作介质的液压传动技术是近年来国内外液压领域普遍关注的研究方向。海水柱塞马达是液压系统的重要执行元件，其输出特性直接影响其驱动元件的工作性能[1,2]。然而，柱塞马达各部分之间的运动关系复杂，且存在大量的非线性耦合的环节，传统的理论分析方法难以考虑到各部分之间的影响情况，无法对输出特性进行全面的分析。因此，针对本课题组研制的海水轴向柱塞马达，应用虚拟样机技术、AMESim软件和ADAMS建立了其液压-机械耦合模型[3]，构建了海水柱塞马达的虚拟样机，并对海水液压马达输出特性进行仿真分析，研究了在摩擦副间隙、背压等参数发生变化过程中，马达输出转速、转矩的变化情况及脉动。

1　海水马达的结构及工作原理

由于轴向柱塞式结构和其他结构形式相比，能承受更高的PV值和更为紧凑的结构，所以，海水马达的的结构形式确定为轴向柱塞式，主要由壳体、斜盘、柱塞、滑靴、缸体轴、浮动盘、配流盘、大端盖、小端盖等组成[4，5]。图1所示为本课题组研制的五柱塞的海水柱塞马达的结构示意图。

图1　海水柱塞马达结构示意图

该马达的工作原理为：高压水通过大端盖上的进水孔流入与之连通的配流盘的吸液腰槽内，再经由浮动盘进入缸体轴的缸孔中，使位于进水一侧的柱塞滑靴在高压水的作用下外伸；而位于马达回水一侧的柱塞滑靴被迫内缩，将缸孔中的水经由配流盘上的排水腰槽、大端盖的出水孔排出。斜盘给滑靴垂直于斜面的反作用力，该反作用力的水平分力与水平方向的液压力相平衡，该反作用力的垂直分力使柱塞滑靴产生对缸体轴的扭矩。由于作用在柱塞上的液压力不同，致使产生的对缸体轴的扭矩不同，故在柱塞滑靴对缸体轴合力矩的作用下，缸体轴带动柱塞滑靴产生转动，向外输出转矩和转速，实现了由液压能向机械能的转换。

2　流固耦合模型的建立

2.1　机械模型的建立

海水轴向柱塞马达的运动学规律主要依赖于几何结构和机械约束，动力学规律则依赖于几何结构、机械约束和进口高压。此外零件在动态压力作用下的弹性变形会对马达的运动学、动力学规律产生影响。因此，马达的机械模型的建立需要考虑上述因素。

海水轴向柱塞马达的零件形状复杂，并且采用了多种工程材料，几何和质量信息难以通过常规方法确定。为了精确的建立虚拟样机，首先在Pro/Engineer中建立海水柱塞马达的实体装配模型，将其保存为.x_t文件。该文件形式可以将Pro/Engineer中的模型导入ADAMS中打开操作。在ADAMS中添加约束和力这样就获得了虚拟样机的机械模型。柱塞马达中相对运动部件相互之间的机械约束有球铰副、固定副、平面副和圆柱副等。由于与惯性力、动态压力相比很小，忽略各运动副之间的摩擦力[6]。

2.2　流体模型的建立

柱塞腔的压力对柱塞端部的作用力是柱塞最重要的作用力，液压模型的主要作用就是求解柱塞腔压力，因此在AMESim中建立了马达的流体模型。马达在运动过程中，由于摩擦副间隙的存在，在柱塞与缸体之间、配流盘与浮动盘之间、滑靴与斜盘之间存在泄漏，导致容积损失的产生；而马达在运行过程中除了由泄漏引起的容积损失外，还存在因库伦摩擦力、黏性阻尼等产生的力矩损失。因此，在综合考虑以上因素的基础上，应用AMESim构造的海水液压马达的流体模型主要包括配流模型、速度模型、扭矩模型等。为了便于分析，应用软件提供的超级元件对模型进行了封装。

2.3　流固耦合模型的建立

为了准确地模拟海水柱塞马达的工作状态，需将机械模型和流体模型联系起来。机械模型中的柱塞的轴向速度，柱塞的轴向位移，马达的输出转速及角加速度输入给流体模型，而将流体模型中的柱塞腔轴向液压力施加在机械模型的柱塞上。因此，在已建立的机械和液压模型的基础上，利用AMESim和ADAMS两个软件平台之间的接口进行实时的数据传递，将两个模型有机的联系在一起，得到了虚拟样机的流固耦合模型，如图2所示。该模型包括流体模型及流固耦合模型中参数传递的接口模型[7，8]。

图2　基于AMESim的海水柱塞马达的流固耦合模型

通过上述方法，建立了包含机械模型和流体模型的海水柱塞马达的虚拟样机。

3　输出特性的仿真分析

在建立了海水柱塞马达虚拟样机的基础上，仿真分析了在摩擦副间隙、出口背压等对输出转速、转矩性能的影响。该流体模型考虑了20 ℃时海水物理特性，仿真中相关参数如表1所示。

表1　模型仿真的相关参数

3.1　摩擦副间隙对输出性能的影响

海水柱塞马达的主要摩擦副有柱塞副、滑靴副和配流副。而在这三对摩擦副中，柱塞副的配合间隙对马达的输出性能影响较大，故而取柱塞副间隙分别为0.01 mm、0.03 mm、0.06 mm进行输出转速、转矩的仿真分析，分析结果如下图3、图4所示。从图3中可以看出，输出转速受柱塞间隙变化影响很大，随着柱塞副间隙的增大，马达的转速显著下降，且脉动也随之增加；从图4可知，相对于输出转速，随着间隙的增大，马达输出转矩变化不是很明显，转矩均值基本不变，只是输出脉动略有增加。由仿真结果可知，柱塞副间隙对于输出转速影响很大，因此柱塞副间隙的选取应保证柱塞能够在缸孔内自如滑动的情况下应尽量减小。

图3　不同柱塞副间隙下输出转速

图4　不同柱塞副间隙下输出转矩

3.2　出口背压对输出特性的影响

出口背压的设置，有利于改善马达运行的平稳性，但过大的背压会降低马达的总效率，这里选取背压为0.5、1.0、2.0 MPa进行输出转速、转矩的分析。仿真结果如图5、图6所示。由仿真结果可以看出背压对海水柱塞马达转速的影响不是很明显，在背压增大过程中，转速均值基本不变，脉动略有增加； 背压对输出

图5　不同背压下的输出转速

图6　不同背压下的输出转矩

转矩的影响较大，随着背压的增加，输出转矩脉动加大，这主要是由于背压使摩擦转矩增大，导致同样负载下的输入压力也随之增大，波动增大，机械效率降低。因此，在保证马达运行平稳的前提下，应尽量减小背压，降低摩擦损失，以提高机械效率。

4　结论

构建海水柱塞马达的虚拟样机，实现了液压-机械模型的耦合，对海水液压马达输出特性进行仿真分析，研究了在摩擦副间隙、背压等参数发生变化过程中，马达输出转速、转矩的变化情况及脉动。

通过仿真分析，可以看出柱塞副间隙越大，对于马达输出转速越小，且脉动增加，在马达设计过程中，必须严格限制柱塞副间隙；背压对马达的输出转速影响不大，而对输出转矩影响较大，背压的增大，加剧了摩擦转矩的产生，故为了提高整个柱塞马达的机械效率，不宜设置过大的背压。

参考文献：

[1]祁冠芳,王海涛,吕燕.水压传动的历史与现状[J].液压气动与密封,2007,(6):21-23.

[2]赵继云,王温锐,谢腾飞.水马达开发与应用现状分析[J].机床与液压,2010,(8):120-122.

[3]Li Quan,Chen Shumei,Chen Chuanming,Yu Hongbo,Wang Feng, et al. Study on Axial Piston Motor Based on Hydraulic-mechanical Model[J].Proc.of ICFP2013,April,9-11,2013:330-334.

[4]Yang Lijie,NieSonglin,Zhang Anqing.Non-probabilistic Wear Reliability Analysis of Swash-plate/Slipper of Water Hydraulic Piston Motor Based on Convex Model[J].Part C,Journal of Mechanical Engineering Science,2013,227(3):609-619.

[5]聂松林.基于新型工程材料的轴向柱塞式海水马达的研究 [D].武汉:华中科技大学,2002.

[6]卢宁,付永领,孙新学.基于AMESim 的双压力柱塞泵的数字建模与热分析[J].北京航空航天大学学报,2006,32(9):1056-1058.

[7]李春光.轴向柱塞泵虚拟样机建构与仿真平台研究[D].杭州:浙江大学,2010.

[8]翟江.海水淡化轴向柱塞泵静压支承滑靴副的流固耦合分析[J].浙江大学学报,2011,45(11):1889-1894.