CN115859857A - 一种轴向柱塞泵串联摩擦副油膜多场耦合特性分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轴向柱塞泵串联摩擦副油膜多场耦合特性分析方法，包括：基于轴向柱塞副三大摩擦副宏观结构和运动状态以及服役工况异构性的油膜独立分析模型，然后针对性引入摩擦副表面微观形貌，通过为宏观信息交互提出摩擦副固‑液‑热多场耦合分析方法，最后通过多尺度多自由度液压‑动力学全局耦合方法，实现系统多摩擦副油膜承载特性耦合求解。本发明考虑轴向柱塞泵时变工况摩擦副油膜摩擦润滑特性，引入摩擦副构建多自由度动力学行为，形成多摩擦副多尺度耦合模型，提出摩擦副油膜承载特性分析方法，实现摩擦副瞬态油膜特性的高精度计算，服务于高压摩擦副设计计算，为高端装备用高压轴向柱塞泵研发做技术支持。
Description
技术领域
本发明属于流体压力技术领域，特别是涉及一种轴向柱塞泵串联摩擦副油膜多场耦合特性分析方法。
背景技术
目前，虚拟样机技术是轴向柱塞泵仿真分析的主要技术手段，如通过对比验证了虚拟样机技术在轴向柱塞泵性能分析方面的仿真精度、建立轴向柱塞泵机液耦合作用的多体力学模型，但是这些研究都没有从摩擦副摩擦学性能的动态演化揭示轴向柱塞泵故障的深层机理；目前有部分研究将虚拟样机技术与摩擦副油膜承载分析方法关联，不过都是针对单一摩擦副，而轴向柱塞副中存在三大关键摩擦副：柱塞副、配流副和滑靴副，它们在轴向柱塞泵中工作过程中相互影响和制约，组成了一个泵的摩擦学系统。摩擦学系统的空间特性要求在分析整泵性能时，必须将其所有元素,即三大摩擦副作为一个整体来研究。因此，要分析轴向柱塞泵油膜承载特性，最重要的是突破多摩擦副串联技术。
同时现有柱塞泵摩擦副油膜承载分析都只考虑了静态加载，但是静态加载反应不出轴向柱塞泵在突变工况下的动态震荡特性，因此，要将液压和机械高度结合起来从而揭示出泵的内部运行机制，以此作为加载条件来分析油膜承载，才能反映出真实工况下摩擦副油膜的瞬态变化。
其次，摩擦学系统还具有时间特性，任何宏观油膜承载力不足造成的磨损失效，都源自于微观的磨损累计损伤，现有技术中没有从微观角度考虑磨损。因此，揭示油膜承载机理的另一个关键是微宏观耦合分析。
发明内容
本发明的目的是提供一种轴向柱塞泵串联摩擦副油膜多场耦合特性分析方法，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种轴向柱塞泵串联摩擦副油膜多场耦合特性分析方法，包括：
构建轴向柱塞泵三维几何模型；通过动力学分析计算获得模型参数；构建液压系统模型；基于所述轴向柱塞泵三维几何模型获得轴向柱塞泵动力学模型；
对所述轴向柱塞泵动力学模型与所述液压系统模型进行耦合分析，计算获得摩擦副的运行工况条件、轴向柱塞泵工作时摩擦副所受的油膜作用力及力矩，基于油膜作用力及力矩分析获得摩擦副同步的受力和力矩；
对摩擦副的结构参数、材料及润滑剂性能进行设置，基于设置构建摩擦学几何分析模型；
基于所述摩擦学几何分析模型获得摩擦副油膜压力、油膜分布及油膜温度的动态演化情况；
对摩擦副的界面结构变形量和摩擦系数随主轴整周旋转过程中的演变规律进行计算，同时通过定义表面微结构特性，基于表面微结构特性分析摩擦副微结构对油膜润滑特性的影响；
基于所述轴向柱塞泵动力学模型、液压系统模型与摩擦学分析模型获得摩擦副耦合作用时整泵泄漏量；
基于所述运行工况条件、所述油膜作用力及力矩、所述动态演化情况对所述轴向柱塞泵三维几何模型进行优化。
可选的，轴向柱塞泵动力学模型的构建过程包括：获取轴向柱塞泵各零件的几何结构参数，建立轴向柱塞泵各零件的三维实体图和机构装配图，进而获得轴向柱塞泵三维几何模型，对轴向柱塞泵三维几何模型进行运动、力学和位置约束，获得轴向柱塞泵动力学模型。
可选的，摩擦副包括滑靴副、柱塞副和配流副，基于摩擦副共用的液压油流体系统构建液压系统模型，所述液压系统模型包括流量模型、运动模型及压力模型。
可选的，基于所述轴向柱塞泵动力学模型获得运动速度、位移和姿态；基于所述液压系统模型获得液压力，将所述运动速度、位移和姿态与所述液压力进行数据交互，获得摩擦副的运行工况条件、油膜作用力及力矩。
可选的，所述摩擦学几何分析模型的构建过程包括：对雷诺方程和能量方程进行离散化求解压力场和温度场；用数值计算解算出摩擦副表面的弹性变形，求解瞬时压力和弹性变形之间的相互作用；融入粘温方程，将计算域中粘度做场值分布，并与流体实时耦合计算，描述摩擦副表面在流体润滑过程中油液的可压缩性及粘性变化带来的影响，其中，模型利用了泵工作过程中的微运动姿态，微运动姿态包括柱塞偏心，滑靴倾斜和缸体倾覆，计算过程中通过合外力平衡迭代，在每一时步的流场分析计算完成之后，通过力平衡方程调整姿态，计算出考虑柱塞泵的工况影响的油膜特性，油膜特性包括油膜分布、油膜压力、油膜温度的动态演化情况。
可选的，对所述油膜特性所对应时刻的油膜切向力和法向力的求解；结合摩擦副的微运动异常位置姿态以及摩擦副材料性能，计算界面表面结构变形量和油膜厚度分布。
可选的，所述的油膜厚度分布按照膜厚比进行区域划分，将边界润滑与混合润滑中，提取润滑不足的区域，基于分型模型和微结构表征模型对润滑不足的区域进行分区表征，得到新的摩擦副界面形貌，基于新的摩擦副界面形貌产生的微动压润滑效应，分析油膜特性的改变。
可选的，将所述轴向柱塞泵动力学模型与所述液压系统模型进行耦合分析计算得到摩擦副同步的受力和力矩作为动态工况条件，加载到摩擦学几何模型中进行串联耦合，获得轴向柱塞泵泄漏量。
本发明的技术效果为：
1.建立轴向柱塞泵的动力学模型、液压系统模型、摩擦学模型和多体联合仿真模型，利用动力学和液压系统耦合将流体和机械的高度结合，达到揭示泵内部运行机制求解泵动态振荡特性的目的；通过有限元和数值方法联合建立摩擦学模型，与液机模型进行数据交互，实现泵动态突变工况条件下的三大摩擦副摩擦学性能的影响分析。突破了摩擦学与动力学耦合建模技术，提高了突变工况下摩擦学性能仿真结果的真实有效性。
2.提出了三大关键的摩擦副流固热三场的耦合摩擦学模型，考虑表面粗糙度与变形、油液流变特性和传热特性等因素耦合作用，引入摩擦副构建偏心、倾覆等多尺度多自由度动力学行为和油路液压流体动力学特性，进行三维可视化的油膜特性动态演变研究。
3.本发明在现有虚拟样机技术上，把泵作为一个摩擦学系统进行分析。重点突破泵三大摩擦副的空间特性，通过液压动力学耦合将三大摩擦副运动特征和所受力和力矩关联起来，反应出三大摩擦副相互影响相互作用相互制约的摩擦学性能对泵整体特性的影响。基于摩擦学系统空间特性的多体仿真方法，有效提供了摩擦副累计损伤对泵性能及其寿命的分析方法，为进一步提升泵寿命提供了优化设计依据。
4.本发明在现有虚拟样机技术上，把泵作为一个摩擦学系统进行分析。重点突破泵三大摩擦副的时间特性，通过三大摩擦副油膜状态的识别，来辨识流体润滑、混合润滑和边界润滑区域，并提取相应的润滑不足的区域及其所受的压力温度和速度等，建立考虑表面微观粗糙和织构形貌的摩擦学模型。实现微宏观的耦合，利用微观磨损累计损伤计算来预测宏观磨损破坏，提高本分析方法的计算精度。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例中的轴向柱塞泵液压/动力学的耦合模型；
图2为本发明实施例中的轴向柱塞泵三大摩擦副受力分析图；
图3为本发明实施例中的流固热三场耦合流程图；
图4为本发明实施例中的轴向柱塞泵多软件协同仿真方法；
图5为本发明实施例中的轴向柱塞泵三大摩擦副耦合关系图；
图6为本发明实施例中的总体流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
实施例一
如图1-6所示，本实施例中提供一种轴向柱塞泵串联摩擦副油膜多场耦合特性分析方法，包括：
本实施例所采用的技术方案是基于串联摩擦副多维动力学耦合的轴向柱塞泵油膜承载特性分析方法，首先通过明晰高压工况下摩擦副固-液-热多场耦合特性和多尺度多自由度动力学特性的影响因素，探明摩擦副之间的动力学关系，建立多摩擦副耦合仿真模型，得到多场作用下摩擦副油膜基本特征的参数影响规律，掌握典型工况突变特征下油膜承载变化特性，揭示轴向柱塞泵/马达突变工况摩擦副油膜承载机理。包括以下步骤：
步骤1：构建轴向柱塞泵的整泵模型，设置整泵参数，包括整泵的压力、转速、斜盘倾角以及缸体几何尺寸等基本属性参数。这些基本参数是通过动力学分析计算得到，然而动力学分析过程如下：通过获取轴向柱塞泵和个零部件的几何结构参数，在CAD软件中建立轴向柱塞泵的各零部件的三维零部件图和装配图，将各零部件导入动力学软件中，建立轴向柱塞泵三维几何模型。
轴向柱塞泵的主要关键摩擦副结构包括柱塞副、配流副和滑靴副，几何结构包括所涉及的配流盘，缸体，柱塞，滑靴、斜盘和主轴。根据已有柱塞泵产品的CAD图纸或实际测量值中获取结构参数以及轴向柱塞泵的工作负载、转速和液压油特性。
步骤2：构建液压系统模型和机械动力学模型。动力学模型通过对泵三维实体几何模型进行运动、力学和位置约束，如缸体和配流盘的球铰副、柱塞和缸体的圆柱副、滑靴和斜盘的平面副等，实现三大摩擦副机械能传动部分建模；液压系统模型是通过提取泵三大摩擦副共用的液压油流体系统进行建模，包括了流量模型、运动模型和压力模型，主要用于描述三大摩擦副流量和力的输送和传递。
步骤3：根据已知柱塞泵产品结构和特性参数，通过液压和机械动力学耦合分析，计算轴向柱塞泵工作时三大摩擦副所受的油膜作用力以及力矩，并将计算得到的三大摩擦副受力加载到三大摩擦副，通过三大摩擦副同步的受力和力矩情况分析，实现多摩擦副串联耦合；
将动力学模型计算得到的运动速度、位移和姿态等参数与液压模型计算得到的液压力进行数据交互，实现液压和机械的耦合。
步骤4：设置柱塞副、滑靴副和配流副的结构参数和材料以及润滑剂性能，针对三大摩擦副异构特征建立的其摩擦学分析几何模型。
对三大摩擦副的结构尺寸参数和材料属性以及润滑剂性能进行设置，实现三大摩擦副独立的摩擦学分析模型的建立。
步骤5：通过雷诺方程、能量方程、弹性变形方程和粘温-粘压方程联合求解，实现摩擦副的固热液多场耦合模型的建立。利用可视化三维图片显示出三大摩擦副的油膜分布、油膜压力及温度等的动态演化情况；
考虑三大摩擦副摩擦学模型由四个主要模块组成，第一个模型用有限体积法，对雷诺方程和能量方程进行离散化求解压力场和温度场，用来描述摩擦副间隙中润滑油的流体流动。该模型能够精准预测油膜特性，包括油膜分布、压力、温度和粘度。基于油膜平均值处于与表面弹性变形同样的微米级量纲范畴，摩擦副表面的弹性变形直接影响压力场，此时引入第二个模型用数值计算解算出摩擦副表面的弹性变形，求解瞬时压力和弹性变形之间的相互作用实现固液耦合。摩擦过程中不可避免的产生摩擦热，第三个模型融入粘温方程，将计算域中粘度做场值分布，并与流体实时耦合计算，描述摩擦副表面在流体润滑过程中油液的可压缩性及粘性变化带来的影响，实现摩擦副的热流耦合。自此，本步骤对油膜的分析中涵盖了热固液三场相互耦合作用。固热液多场耦合模型中考虑了三大摩擦副在泵工作过程中的微运动姿态，包括柱塞偏心，滑靴倾斜和缸体倾覆等，在计算过程中通过合外力平衡迭代，每一时步的流场分析计算完成之后，都会通过力平衡方程调整姿态，最终计算出考虑柱塞泵的工况影响的油膜特性。通过实现热固液三场耦合，计算得到配流副表面的弹性变形，热变形以及总变形量。
步骤6：对摩擦副界面结构变形量和摩擦系数随主轴整周旋转过程中的演变规律计算，同时通过定义表面微结构特性，分析摩擦副微结构对油膜润滑特性产生的影响；
针对步骤5所得出油膜特性所对应时刻的油膜切向力和法向力的求解，实现摩擦系数的在主轴整周旋转过程中的演变规律计算。同时根据油膜厚度分布形态辨识润滑区域，将边界润滑和混合润滑中，润滑不足的区域提取出来借助分型模型和微织构表征模型进行分区表征，实现基于微观形貌的多场耦合分析，可以揭示微观磨损累计损伤对宏观磨损破坏所产生的影响。
步骤7：通过摩擦副摩擦学性能累计损伤分析，计算出三大摩擦副耦合作用时整泵的泄漏量；
将前面的动力学模型、液压系统模型和摩擦学模型进行耦合，也就是将液机耦合计算得到的三大摩擦副同步的受力和力矩作为动态工况条件，加载到三大摩擦副摩擦学模型进行串联耦合，实现了基于三大摩擦副摩擦学性能累计损伤耦合作用下的整泵性能计算。
步骤8：通过对三大摩擦副结构尺寸、材料选型和表面微织构三个方面的设计改善摩擦副的油膜支撑减阻性能，提高轴向柱塞泵的使用性能及寿命。
对轴向柱塞泵的使用性能进行分析，可以得出影响轴向柱塞泵摩擦副油膜摩擦润滑特性的因素。通过对三大摩擦副结构尺寸、材料选型和表面微织构三个方面的设计改善摩擦副的油膜支撑减阻性能，提高轴向柱塞泵的使用性能和寿命。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种轴向柱塞泵串联摩擦副油膜多场耦合特性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
构建轴向柱塞泵三维几何模型；通过动力学分析计算获得模型参数；构建液压系统模型；基于所述轴向柱塞泵三维几何模型获得轴向柱塞泵动力学模型；
对所述轴向柱塞泵动力学模型与所述液压系统模型进行耦合分析，计算获得摩擦副的运行工况条件、轴向柱塞泵工作时摩擦副所受的油膜作用力及力矩，基于油膜作用力及力矩分析获得摩擦副同步的受力和力矩；
对摩擦副的结构参数、材料及润滑剂性能进行设置，基于设置构建摩擦学几何分析模型；
基于所述摩擦学几何分析模型获得摩擦副油膜压力、油膜分布及油膜温度的动态演化情况；
对摩擦副的界面结构变形量和摩擦系数随主轴整周旋转过程中的演变规律进行计算，同时通过定义表面微结构特性，基于表面微结构特性分析摩擦副微结构对油膜润滑特性的影响；
基于所述轴向柱塞泵动力学模型、液压系统模型与摩擦学分析模型获得摩擦副耦合作用时整泵泄漏量；
基于所述运行工况条件、所述油膜作用力及力矩、所述动态演化情况对所述轴向柱塞泵三维几何模型进行优化。
2.根据权利要求1所述的轴向柱塞泵串联摩擦副油膜多场耦合特性分析方法，其特征在于，
轴向柱塞泵动力学模型的构建过程包括：获取轴向柱塞泵各零件的几何结构参数，建立轴向柱塞泵各零件的三维实体图和机构装配图，进而获得轴向柱塞泵三维几何模型，对轴向柱塞泵三维几何模型进行运动、力学和位置约束，获得轴向柱塞泵动力学模型。
3.根据权利要求1所述的轴向柱塞泵串联摩擦副油膜多场耦合特性分析方法，其特征在于，
摩擦副包括滑靴副、柱塞副和配流副，基于摩擦副共用的液压油流体系统构建液压系统模型，所述液压系统模型包括流量模型、运动模型及压力模型。
4.根据权利要求1所述的轴向柱塞泵串联摩擦副油膜多场耦合特性分析方法，其特征在于，
基于所述轴向柱塞泵动力学模型获得运动速度、位移和姿态；基于所述液压系统模型获得液压力，将所述运动速度、位移和姿态与所述液压力进行数据交互，获得摩擦副的运行工况条件、油膜作用力及力矩。
5.根据权利要求1所述的轴向柱塞泵串联摩擦副油膜多场耦合特性分析方法，其特征在于，
所述摩擦学几何分析模型的构建过程包括：对雷诺方程和能量方程进行离散化求解压力场和温度场；用数值计算解算出摩擦副表面的弹性变形，求解瞬时压力和弹性变形之间的相互作用；融入粘温方程，将计算域中粘度做场值分布，并与流体实时耦合计算，描述摩擦副表面在流体润滑过程中油液的可压缩性及粘性变化带来的影响，其中，模型利用了泵工作过程中的微运动姿态，微运动姿态包括柱塞偏心，滑靴倾斜和缸体倾覆，计算过程中通过合外力平衡迭代，在每一时步的流场分析计算完成之后，通过力平衡方程调整姿态，计算出考虑柱塞泵的工况影响的油膜特性，油膜特性包括油膜分布、油膜压力、油膜温度的动态演化情况。
6.根据权利要求5所述的轴向柱塞泵串联摩擦副油膜多场耦合特性分析方法，其特征在于，
对所述油膜特性所对应时刻的油膜切向力和法向力的求解；结合摩擦副的微运动异常位置姿态以及摩擦副材料性能，计算界面表面结构变形量和油膜厚度分布。
7.根据权利要求6所述的轴向柱塞泵串联摩擦副油膜多场耦合特性分析方法，其特征在于，
所述的油膜厚度分布按照膜厚比进行区域划分，将边界润滑与混合润滑中，提取润滑不足的区域，基于分型模型和微结构表征模型对润滑不足的区域进行分区表征，得到新的摩擦副界面形貌，基于新的摩擦副界面形貌产生的微动压润滑效应，分析油膜特性的改变。
8.根据权利要求1所述的轴向柱塞泵串联摩擦副油膜多场耦合特性分析方法，其特征在于，
将所述轴向柱塞泵动力学模型与所述液压系统模型进行耦合分析计算得到摩擦副同步的受力和力矩作为动态工况条件，加载到摩擦学几何模型中进行串联耦合，获得轴向柱塞泵泄漏量。
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| DE102007032915A1 (de) * | 2007-07-14 | 2009-01-15 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | Verfahren zum Herstellen einer Brennkraftmaschine und nach diesem Verfahren hergestellte Brennkraftmaschine |
| US20200376565A1 (en) * | 2019-05-31 | 2020-12-03 | Qingdao university of technology | Electrocaloric assisted internal cooling texture turning tool and nanofluid minimal quantity lubrication intelligent working system |
| CN112380649A (zh) * | 2020-11-11 | 2021-02-19 | 中国海洋大学 | 一种内燃机活塞-缸套摩擦副动力学与摩擦学耦合的建模方法 |
| CN113987714A (zh) * | 2021-11-09 | 2022-01-28 | 北京航空航天大学 | 一种柱塞泵球面配流副油膜动态多场求解方法及系统 |
| CN114357661A (zh) * | 2022-01-19 | 2022-04-15 | 厦门大学 | 柱塞-滑靴组件耦合动力学模型建立方法 |
| CN115013296A (zh) * | 2022-05-24 | 2022-09-06 | 北京航空航天大学 | 一种轴向柱塞泵滑靴副油膜厚度确定方法及系统 |
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2022
- 2022-12-05 CN CN202211547242.3A patent/CN115859857B/zh active Active
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2023
- 2023-11-21 US US18/515,984 patent/US12014124B1/en active Active
Patent Citations (6)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20240184942A1 (en) | 2024-06-06 |
| CN115859857B (zh) | 2023-08-11 |
| US12014124B1 (en) | 2024-06-18 |
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