權(quán)凌霄 劉嵩 焦宗夏 劉建偉 張琦瑋

摘要： 軸向柱塞泵振動(dòng)產(chǎn)生后，會(huì)按照某種規(guī)律沿著一定路徑向外傳遞。以斜盤(pán)式軸向柱塞泵為研究對(duì)象，分析其機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理及傳遞規(guī)律，建立振動(dòng)傳遞路徑模型；以泵后殼體作為振動(dòng)傳遞的最終受體，建立了泵機(jī)械振動(dòng)向后殼體傳遞的路徑模型；通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)確定模型參數(shù)，利用MATLAB對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，得到了機(jī)械振動(dòng)向后殼體傳遞的規(guī)律；基于路徑傳遞率的概念，對(duì)振動(dòng)傳遞路徑系統(tǒng)進(jìn)行了路徑貢獻(xiàn)度分析，并辨識(shí)出主要傳遞路徑；搭建了軸向柱塞泵振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：所建立的軸向柱塞泵振動(dòng)傳遞路徑模型和求解方法較為準(zhǔn)確，分析誤差小于5%。該研究方法為軸向柱塞泵振動(dòng)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(chǔ)。關(guān)鍵詞： 機(jī)械振動(dòng)；軸向柱塞泵；傳遞路徑；路徑傳遞率；后殼體

中圖分類號(hào)： TH113.1；TH137.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)： 10044523（2017）04058709

DOI：10.16385/j.cnki.issn.10044523.2017.04.009

引言

軸向柱塞泵振動(dòng)對(duì)自身及液壓系統(tǒng)壽命有很大影響，機(jī)械振動(dòng)和流體脈動(dòng)是其振動(dòng)產(chǎn)生的根源。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)是軸向柱塞泵的核心部件之一，受外載荷和結(jié)構(gòu)限制，必然存在偏心和不平衡，導(dǎo)致軸向柱塞泵在工作過(guò)程中發(fā)生不可避免的機(jī)械振動(dòng)。因此，軸向柱塞泵機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理及傳遞規(guī)律極為重要，對(duì)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(jī)械結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的液壓元件。以力士樂(lè)公司RexrothA11V（L）O系列軸向柱塞變量泵為例，其由21個(gè)主要機(jī)械零件組成（不包括螺栓等連接件），工作過(guò)程中，會(huì)有14個(gè)零件隨之運(yùn)動(dòng)[2]。這些運(yùn)動(dòng)部件的相互作用將會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的機(jī)械振動(dòng)，而且在其帶載工作時(shí)，以主軸、缸體及柱塞滑靴組件組成的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)需要完成機(jī)械能向液壓能的轉(zhuǎn)換，振動(dòng)更加劇烈。由于軸向柱塞泵結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，因此，機(jī)械振動(dòng)會(huì)沿著多條路徑傳遞，且每條路徑的貢獻(xiàn)度不同，其主要與該路徑中各零部件的質(zhì)量、剛度以及相互之間的約束參數(shù)直接相關(guān)。

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者針對(duì)軸向柱塞泵振動(dòng)機(jī)理展開(kāi)了深入研究。德國(guó)亞琛工大的Andre Palmen對(duì)泵殼進(jìn)行了研究和優(yōu)化[34]。美國(guó)哥倫比亞大學(xué)Manring N D等[5]在研究串聯(lián)式軸向柱塞泵傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩波動(dòng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)位角為10°時(shí)，串聯(lián)式九柱塞軸向柱塞泵傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩波動(dòng)明顯減小。普渡大學(xué)的Monika教授對(duì)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(jī)械振動(dòng)引起的油膜熱傳遞和熱變形的變化規(guī)律[6]。浙江大學(xué)楊華勇院士和徐兵教授進(jìn)行了軸向柱塞泵振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，證明柱塞泵的主要激振源是“斜盤(pán)變量機(jī)構(gòu)”，以及配油盤(pán)困油區(qū)流量倒灌與壓力沖擊[79]。燕山大學(xué)的權(quán)凌霄等對(duì)軸向柱塞泵振動(dòng)進(jìn)行分析，指出其振動(dòng)的最終受體是泵殼[10]。這些研究工作對(duì)揭示軸向柱塞泵振動(dòng)機(jī)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(dòng)傳遞路徑方法分析復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)件振動(dòng)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(xiàn)度，因此，在很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。比利時(shí)的Janssens K[11]等提出了參數(shù)化傳遞路徑模型，采用數(shù)學(xué)方法消除測(cè)試時(shí)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(lái)對(duì)模型進(jìn)行補(bǔ)充，通過(guò)分析子系統(tǒng)激勵(lì)源振動(dòng)傳遞計(jì)算系統(tǒng)總響應(yīng)，并在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了模型驗(yàn)證。東北大學(xué)張義民教授對(duì)振動(dòng)傳遞路徑基礎(chǔ)理論研究較為深入，他通過(guò)時(shí)域內(nèi)振動(dòng)傳遞路徑系統(tǒng)隨機(jī)響應(yīng)分析，更好地解決了不確定振動(dòng)傳遞路徑的問(wèn)題[13]；提出了路徑傳遞度的新概念，解決了時(shí)/頻域內(nèi)振動(dòng)與噪聲傳遞路徑傳遞概率的度量問(wèn)題[1415]；此外，在動(dòng)態(tài)靈敏度分析技術(shù)基礎(chǔ)上，張教授提出一種有效的方法來(lái)評(píng)估各傳遞路徑上參數(shù)和非線性剛度的變化對(duì)振動(dòng)受體動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響[16]。液壓傳動(dòng)領(lǐng)域，悉尼科技大學(xué)的Zhang Tianxiao和Zhang Nong建立了液壓泵兩自由度振動(dòng)模型，得到了液壓泵振型和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，并通過(guò)數(shù)值模擬得到泵的動(dòng)態(tài)響應(yīng)[17]。

第4期權(quán)凌霄，等： 斜盤(pán)式軸向柱塞泵后殼體機(jī)械振動(dòng)傳遞路徑研究振 動(dòng) 工 程 學(xué) 報(bào)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(gè)振動(dòng)最終受體，本文以后殼體為振動(dòng)最終受體，采用振動(dòng)傳遞路徑方法建立泵機(jī)械振動(dòng)向后殼體傳遞的路徑模型；分別用數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)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(xiàn)度，辨識(shí)出主要傳遞路徑；最后，對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。研究工作對(duì)揭示軸向柱塞泵振動(dòng)傳遞規(guī)律提供了一個(gè)新思路，研究成果為軸向柱塞泵振動(dòng)控制提供一定的理論依據(jù)。

1斜盤(pán)式軸向柱塞泵機(jī)械振動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程1.1斜盤(pán)式軸向柱塞泵機(jī)械振動(dòng)傳遞路徑物理模型斜盤(pán)式軸向柱塞泵是一類常見(jiàn)的柱塞泵，本文以PCY25型斜盤(pán)式軸向柱塞泵為研究對(duì)象，研究泵內(nèi)機(jī)械振動(dòng)的傳遞問(wèn)題。由于該泵傳動(dòng)軸與缸體之間為過(guò)盈配合，且柱塞滑靴組件位于缸體的柱塞腔內(nèi)，因此，將傳動(dòng)軸、缸體和柱塞滑靴組件視為一個(gè)剛性體，該旋轉(zhuǎn)體即為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。圖1所示為該泵的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖，其振動(dòng)產(chǎn)生及傳遞過(guò)程具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

圖1軸向柱塞泵機(jī)械振動(dòng)傳遞路徑示意圖

Fig.1Axial piston pump mechanical vibration transfer path1.轉(zhuǎn)子系統(tǒng)是機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的主振源。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，傳動(dòng)軸、缸體和柱塞滑靴組件的自激振動(dòng)，以及這些零部件與相接觸部件之間的相互作用，都是機(jī)械振動(dòng)的激勵(lì)源。

2.泵殼是機(jī)械振動(dòng)最終受體。該泵采用高強(qiáng)螺栓將前殼體與鐘形罩緊固連接，如認(rèn)為泵的安裝為完全固支，泵殼則是最終振動(dòng)受體，但是三個(gè)殼體受到的振動(dòng)會(huì)相互疊加作用。

3.后殼體振動(dòng)最為復(fù)雜且劇烈。由安裝方式可以看出，整泵振動(dòng)結(jié)構(gòu)為懸臂梁結(jié)構(gòu)，其主振型為垂直于軸向的上下左右擺動(dòng)，此外，其他兩個(gè)殼體承受的振動(dòng)也會(huì)疊加作用到后殼體上。