一种性能驱动的柱塞泵配流盘多目标优化的方法技术

一种性能驱动的柱塞泵配流盘多目标优化的方法，应用于轴向柱塞泵的减振降噪。通过动力学模型获得流体振动功率和机械激振功率。通过控制容积法搭建柱塞腔的流体动力学模型，计算流体振动功率；基于柱塞泵的结构分析，通过Newmark

【技术实现步骤摘要】
一种性能驱动的柱塞泵配流盘多目标优化的方法


[0001]本专利技术涉及柱塞泵减振降噪领域，尤其涉及一种性能驱动的柱塞泵配流盘多目标优化的方法。

技术介绍

[0002]液力传动相比于电气、机械传动具有更加紧凑、可靠性高且可控性好等优点，被广泛应用于汽车、工业和航空航天等领域。因为轴向柱塞泵在可靠性、功率密度等方面性能优异，且在较高压力等级下工作稳定，常作为动力源被广泛应用于液力传动领域。但由于柱塞泵工作时的高压、大排量等原因，其噪声水平较高，是流体传动系统的主要噪声源。且由于近年来环保理念的加深，对降低机器允许声功率级的要求越来越高，柱塞泵的减振降噪成为重要的研究方向。
[0003]柱塞泵运行中产生的噪声可分为流体噪声和结构噪声。流体噪声源于流体脉动，由有限的活塞数量和流体可压缩性产生。结构噪声来源于活塞腔压力变化产生的内力和力矩。在过去几十年中，为了减小柱塞泵运行时的噪声水平进行了很多相关研究，比如：对壳体进行优化，减小对外辐射噪声；采用大阻尼单向阀来减小轴向柱塞泵的流量脉动；采用可变换向阀来控制阀门开度，阀门开度可以根据实际工况进行调节。这些方法被证实是有效的，但是需要在液力传动系统中加入额外的机制，这样不仅会对液压系统的稳定性带来一定影响，还需要增加额外的成本。相比于增加外来机制降低噪声，改变柱塞泵内部的部件结构会更有前途。在研究中被证实，柱塞泵内部配流盘结构对泵体振动噪声有很大影响。
[0004]目前，针对配流盘结构的研究已经比较成熟。大量研究通过虚拟仿真技术搭建柱塞泵理论模型，分析配流盘结构对流量激荡的影响。研究发现过度区域阻尼槽几何结构会很大程度上影响柱塞泵内部油液的流通稳定性，进而引发严重的油液脉动、产生激振力和力矩，最终造成噪声水平过高。配流盘过渡区域的阻尼槽结构合理性对柱塞泵的减振降噪是非常重要的，因此配流盘过渡区域阻尼槽结构一直以来都是重要优化对象。在过去的研究中，研究者通过优化阻尼槽结构能实现流量脉动和激振力与力矩减小的目标。然而，优化目标是相互影响的，传统的优化方法会出现优化变量过多导致结果收敛性不好和优化目标考虑不充分的情况，且以往的优化都是基于时域下进、出油口压力脉动及产生的力和力矩进行的，没有考虑机构之间振动的传递关系，优化后只能保证激振源脉动的减小，不能直接确保振动速度和噪声水平的降低。在柱塞泵减振降噪领域的研究中，频域下更加关注低阶谐波幅值，虽然时域优化可以减小脉动的波动范围，但无法保证优化后低阶幅值的降低，影响后续优化效果的评定。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供一种性能驱动的柱塞泵配流盘多目标优化的方法，本专利技术以流体振动功率为优化目标1，充分考虑流体脉动对流体振动噪声的影响；以机械振动功率为优化目标2，充分考虑柱塞腔压力变化对结构振动噪声的影
响；本专利技术整个优化过程在频域下进行，能实现优化目标特定谐波幅值的精确优化。
[0006]本专利技术将采用如下方式实现上述优化方法的目标：
[0007]第一方面，为得到优化目标1，本专利技术利用计算机软件仿真技术搭建求解柱塞腔压力和流体振动功率的流体动力学模型，包括：
[0008]1)通过对阻尼槽与缸体孔之间位置关系的分析，利用解析法计算出液体流体面积；
[0009]2)通过对柱塞泵运动时柱塞和缸体运动关系的分析，利用控制容积法计算柱塞腔压力变化。
[0010]进一步地，利用仿真模型，综合分析柱塞
‑
缸体运动时进、出油口的流量与压力变化，得到进、出油口的流量及压力脉动，进而计算出优化目标1。
[0011]进一步地，通过对柱塞泵内部组件力学的综合分析，利用仿真技术得到的柱塞腔压力结果并通过解析法计算出激振力和力矩，为结构动力学模型的搭建做准备。
[0012]第二方面，为了得到优化目标2，本专利技术计算机仿真技术搭建一个多自由度的结构动力学模型，包括：
[0013]1)对轴向柱塞泵主要部件参数化，得到结构动力学模型关键参数；
[0014]2)将主要部件进行合理简化，建立柱塞泵简化后部件的运动坐标系，简化后模型包括5个部分：壳体运动坐标系O
H
‑
X
H
Y
H
Z
H
、斜盘运动坐标系O
S
‑
X
S
Y
S
Z
S
；柱塞、滑靴、回程盘组件固定连接简化为一个组件运动坐标系为O
P
‑
X
P
Y
P
Z
P
；缸体和主轴固定连接简化为一个组件，运动坐标系为O
C
‑
X
C
Y
C
Z
C
；端盖和配流盘固定连接简化为一个组件，运动坐标系为O
EC
‑
X
EC
Y
EC
Z
EC
；
[0015]3)对主要部件进行轴向柱塞泵组件的动力学分析，进行组件之间的耦合动力学分析，得到轴向柱塞泵系统微分方程；
[0016]4)基于建立的结构动力学微分方程，通过系统微分方程、流体动力学模型得到的主要激振力定义系统的刚度
‑
阻尼矩阵；
[0017]5)激振力和力矩是周期性变化作用在轴向柱塞泵内的，用Newmark
‑
β方法求解出系统响应，得到轴向柱塞泵的动力学特性。
[0018]进一步地，通过动力学模型计算轴向柱塞泵部件之间的振动速度，进而结合主要激振力和力矩计算机械振动功率。
[0019]第三方面，本专利技术提供一种计算机集成仿真软件，可以实现第一方面的模型搭建方法；一种非遗失计算机可执行的程序代码，可以执行第二方面的所述的模型搭建方法。
[0020]第四方面，本专利技术还提供一种数据交互工具，可以将第一方面和第二方面建立的动力学模型中优化变量、约束、优化目标等信息综合分析，并通过优化算法对目标自动寻优，找到最优方案。
[0021]相对于现有技术，本专利技术技术方案取得的有益效果是：
[0022]1、本专利技术充分考虑流体振动和结构振动的影响，且优化目标的数量没有增加，在算法寻优时有较好的收敛性，避免传统方法中优化目标考虑不充分和目标过多而产生的收敛不佳的现象。
[0023]2、本专利技术针对优化目标频域下低阶谐波幅值进行优化，能够精确地降低振动噪声领域更加关注的低阶谐波幅值，相比于传统优化针对时域下脉动幅值进行优化的结果更合
理。
[0024]3、本专利技术在模型搭建过程中涉及柱塞泵部件之间的连接耦合关系，以振动功率作为优化目标，更直观说明配流盘结构变化对柱塞泵整体振动噪声的影响。
附图说明
[0025]图1为本专利技术优化方法流程图。
[0026]图2为配流盘结构示意图。
[0027]图3为流体动力学模型示意图。
[0028]图4为结构动力学本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种性能驱动的柱塞泵配流盘多目标优化的方法，其特征在于包括以下步骤：1)利用控制容积法搭建柱塞腔流体动力学模型，求解进油口和出油口的振动功率，以两者的数值和得到流体振动功率，并将所述流体振动功率作为优化目标之一；2)利用Newmark
‑
β方法求解出系统响应，进而搭建结构动力学模型，计算柱塞、滑靴和回程盘组件集中质量中心(P
LMP
)的辐射功率、以及缸体和主轴组件集中质量中心(C
LMP
)的辐射功率，并以两者数值和作为机械振动功率，并将所述机械振动功率作为优化目标之一；3)通过快速傅里叶变换将流体振动功率和机械振动功率转换到频域，取前3阶幅值的均方根作为本次的优化目标；4)利用多目标遗传算法对优化目标进行寻优得到最优配流盘结构。2.如权利要求1所述的一种性能驱动的柱塞泵配流盘多目标优化的方法，其特征在于：步骤1)中，柱塞腔压力的求解方程如下：其中，p为活塞腔内的压力，βe为液压油的体积模量，Vp为活塞腔的体积，Q
L
与Q
H
分别为活塞腔与吸、排气口之间的流量，Q
X
为泄漏，t为瞬态时间；流体振动功率P
q
计算公式为：P
q
＝p
H
Q
H
+p
L
Q
L
其中，p
H

【专利技术属性】
技术研发人员：叶绍干，汪钰涛，徐兵，张军辉，赵守军，刘会祥，苗克非，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：