轴向柱塞设备全耦合动力学建模方法研究    广州天河登高车出租,  广州登高车出租,   登高车出租       轴向柱塞泵/马达是具有机械与液压耦合和摩擦学与动力学耦合等力学特性的全耦合系统，耦合作用下柱塞设备内部各子系统之间相互影响，其动态特性不完全由子系统结构参数所确定。柱塞设备内部耦合界面是实现机械能与液压能之间能量转换功能的基础，也是奇异、扰动和故障产生的根源，极端工况下极易诱发系统效率下降以及性能退化。全耦合动力学建模是揭示柱塞设备性能退化机理的必要基础，也是从本质上把握结构参数和系统参数等关键参数对柱塞设备性能的影响规律。由于柱塞设备内部各子系统之间的结构关系及耦合情况复杂，通常在恒压力和定转速等假设条件下，建立满足研究需要的柱塞设备局部动力学模型，模型缺乏全耦合特性综合分析能力。近年来，已开始关注柱塞设备全耦合特性，并得到与实际情况更为相符的研究结果，但从系统全局角度进行柱塞设备动力学性能的研究尚未开展，柱塞设备大功率、高性能的发展需求亟需能分析系统全耦合特性的动力学模型作为理论基础。

     液压泵理想模型的输入为角速度ωp和压力phigh，输出为流量Qp和转矩Tc。该理想模型是建立柱塞泵传统动力学模型的理论基础，学者大都基于此提出恒压力、定转速等假设条件。然而，变转速泵控液压动力源系统实际工作过程中存在复杂动力学现象。当变频电动机驱动柱塞泵时，电磁转矩Td驱动液压泵旋转，并随ωp的升高而迅速减小；出口流量ΔQp与需求流量Qm的相对变化产生压力phigh；全耦合作用下，液压泵主轴需求转矩TΩ随之发生变化，Td将不断适应这种变化，最终导致ωp的波动。分析表明，对于速度刚度较大的电动机定转速运行，Qm跟随ΔQp16变化，那么可将柱塞泵简化为理想模型，否则全局耦合特性将改变ωp和phigh，实际模型的输入为Td和Qm，输出为ωp和phigh。如若建立适用于变转速泵控马达液压传动系统的柱塞设备全耦合动力学模型，则需摒弃恒转速和恒压力的研究假设，充分考虑极端工况促使下油液有效体积弹性模量和非线性摩擦力（转矩）等导致柱塞设备宏观行为微演变以及效率下降与性能退化的非线性因素，并以物理意义表达明确，表述形式简约为原则，建立柱塞设备全耦合动力学模型，研究物理子系统内部非线性环节和耦合界面参数与柱塞设备性能的映射规律，指导柱塞设备向大功率、高性能等方向发展。本章提出一种数组键合图建模方法，建立斜盘式轴向柱塞泵/马达键合图模型。将局部耦合关系复杂的柱塞-滑靴子系统从全耦合系统中分离出来，进行详细的受力分析与解耦分析，最终导出统一形式的柱塞泵/马达全耦合动力学数学模型。

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       全耦合特性分析,   基于能量流的柱塞设备全耦合特性分析更为直观，对于柱塞设备全耦合动力学建模方法的提出十分有利。本节以斜盘式轴向柱塞泵为例，定性分析能量传递、转换、存储与耗散过程中，柱塞泵所呈现出的全耦合特性。将柱塞泵分为主轴-缸体子系统（CSS）、柱塞-滑靴子系统（PSS）和油腔-配流子系统（OVS）。CSS和PSS为机械物理子系统，OVS为液压物理子系统。基于能量流分析子系统之间的结构关系及耦合情况，得到柱塞泵子系统全局耦合框图。全耦合过程即为能量的传递、转换、存储与耗散过程：动力源转矩驱动主轴-缸体子系统，能量小部分耗散于配流副和滑靴副，大部分在斜盘作用下传递至各柱塞-滑靴子系统；柱塞-滑靴子系统克服滑靴副和柱塞副摩擦阻力后，将机械能转换为油腔-配流子系统液压能，于耦合界面泄漏小部分流量，大部分液压能用于驱动负载；各子系统运行状态发生变化时，惯性元件(主轴、缸体和柱塞)组成的机械能存储系统和容性元件(柱塞腔和高压油腔)组成的液压能存储系统将吸收或释放部分能量；能量传递过程中的机械损耗可表示为机械阻抗ZΩ(摩擦和阻尼)，液压损耗可表示为液压阻抗ZH(泄漏液阻)。柱塞-滑靴子系统能量来源于主轴-缸体子系统，传递至油腔-配流子系统，各柱塞-滑靴子系统之间并未进行能量交换与传递。可以认为，在功率键合图模型中，各柱塞-滑靴子系统不仅有同样物理属性的系统变量和参数，还有相同的汇集结点和转换器。结合柱塞设备全局耦合关系，借鉴向量键合图的物理模型表示方法，提出一种适用于柱塞设备等类似系统的数组键合图建模方法。数组键合图中功率键不再具有向量含义，而是具有相同物理属性的系统变量数组，系统参数也是维数相同的参数数组，数组维数为柱塞数。在数组键合图汇集结点和转换器处，实行变量数组的代数运算，在数组键合图与功率键合图的汇集结点处，实行变量数组各元素与变量的代数运算。基于数组键合图建模方法建立柱塞-滑靴子系统数组键合图模型，联合主轴-缸体子系统键合图模型和油腔-配流子系统键合图模型，得到柱塞设备功率键合图模型，其中，Ffn为柱塞副库伦摩擦力，Ffsa和Ffsr分别为滑靴副轴向和径向库伦摩擦力，Tfv为配流副库伦摩擦转矩。可以看出：

   （1）将具有共同物理属性的各柱塞-滑靴子系统表达为数组键合图模型，其模型形式更为简约；

  （2）柱塞设备功率键合图模型较为清晰地描绘了能量传递、转换、存储与耗散过程，油腔-配流子系统与柱塞-滑靴子系统之间实现能量转换，柱塞-滑靴子系统与主轴-缸体子系统之间实现能量分散与汇集；

  （3）柱塞设备工作过程中，油液通过配流盘流入或流出柱塞腔，节流作用影响下，配流盘配流功能体现为液阻Rs和Rd；

   （4）柱塞-滑靴子系统局部耦合关系复杂，并呈现出较为明显的摩擦学与动力学耦合特性，其解耦分析将成为建立柱塞设备全耦合动力学模型的关键科学问题。以上分析表明，以柱塞设备功率键合图模型为依据，建立柱塞设备全耦合动力学模型，不仅需要建立进出口过流面积模型，还需要进行柱塞-滑靴子系统摩擦学与动力学解耦分析。

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