【正文】 件計(jì)算。零件的形狀,零件的柔性體,等等在這個(gè)原型的基礎(chǔ)上有所提高。所以，在計(jì)算機(jī)上，虛擬樣機(jī)柱塞泵可以工作就像一個(gè)真正的柱塞泵,流量紋波、壓力脈動(dòng)、運(yùn)動(dòng)原理、應(yīng)力等的部分,可以調(diào)查。起初， VPT的發(fā)展被引進(jìn)和虛擬樣機(jī)的建模過(guò)程被解釋。然后一個(gè)特別的強(qiáng)調(diào)是放在動(dòng)力學(xué)模型和水力模型,模擬的流量脈動(dòng)、壓力脈動(dòng)、運(yùn)動(dòng)原理、應(yīng)力和應(yīng)變分布的中間軸與柱塞的操作。最后，討論了VPT的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。這個(gè)柱塞泵的改進(jìn)的虛擬樣機(jī)更符合實(shí)際情況和VPT在模擬液壓組件上有很大的潛力。關(guān)鍵詞:虛擬樣機(jī),軸向柱塞泵,動(dòng)力1．介紹? 軸向柱塞液壓油泵是一種重要的液壓組件,它被廣泛應(yīng)用在工業(yè)和兩個(gè)移動(dòng)機(jī)器。由于柱塞泵有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和復(fù)合高速運(yùn)動(dòng),所以做到確切的研究泵是困難的。這個(gè)泵模型總是在很大程度上簡(jiǎn)化。和簡(jiǎn)化帶來(lái)相當(dāng)大的偏差。隨著計(jì)算機(jī)和多體動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，虛擬樣機(jī)技術(shù)(VPT)用于研究液壓系統(tǒng)和組件。 虛擬樣機(jī)技術(shù)是一種新的工程技術(shù)。隨著VPT復(fù)雜機(jī)制系統(tǒng)模型的使用及其動(dòng)力學(xué)特性能以一個(gè)非?，F(xiàn)實(shí)的條件通過(guò)集成建模工具從幾個(gè)不同的領(lǐng)域和模擬方法被模擬。VPT的核心是動(dòng)力學(xué)模型, 它有幾個(gè)接口來(lái)連接其他模式,如液壓模型和適當(dāng)元素法模型。所以以VPT為基礎(chǔ)建立的虛擬樣機(jī)可以模擬大多數(shù)泵性能,虛擬樣機(jī)的仿真結(jié)果是非常接近物理原型的試驗(yàn)結(jié)果。有時(shí)甚至可以取代物理模擬試驗(yàn)并且節(jié)省開(kāi)發(fā)成本。液壓虛擬樣機(jī)技術(shù)整合先進(jìn)的三維CAD建模方法和液壓仿真技術(shù)來(lái)預(yù)測(cè)機(jī)器的性能和研究其特點(diǎn)。由于有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和液壓固體耦合的非線性的特點(diǎn)，它是耗時(shí)和昂貴的，具有嘗試和錯(cuò)誤的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,傳統(tǒng)方法的分析結(jié)果都不夠準(zhǔn)確。液壓機(jī)器的虛擬樣機(jī)，如軸向柱塞泵,是一種更好的方法來(lái)預(yù)測(cè)液壓元件的性能。一個(gè)柱塞泵的虛擬樣機(jī)在2002年由德國(guó)的亞琛技術(shù)大學(xué)用商業(yè)液壓和動(dòng)態(tài)軟件制造。對(duì)關(guān)鍵摩擦副之間的液壓特性和摩擦力的分析。為了優(yōu)化斜盤(pán)的傾角，一個(gè)斜軸式柱塞泵的虛擬樣機(jī)在2003年被制造。柱塞泵虛擬樣機(jī)的概念是在2004年提出, 關(guān)鍵零件的輸出壓力和流量脈動(dòng),應(yīng)變和應(yīng)力已經(jīng)被分析。它對(duì)于泵的優(yōu)化是非常有用的。斜盤(pán)式柱塞泵的流量脈動(dòng)是在2006年使用VPT研究了。所有這些研究證明該技術(shù)的有效性,但這些模型仍然是簡(jiǎn)單的，需要進(jìn)一步改善。在這個(gè)研究中,一個(gè)軸向柱塞泵的虛擬樣機(jī)是先進(jìn)的,它結(jié)合了有限元三維模型,靈活FEM模型和水力模型結(jié)合在一起。該泵性能已被分析，斜盤(pán)傾角指標(biāo)的優(yōu)化通過(guò)VPT顯示了改善產(chǎn)品的可能性。2．柱塞泵的建模模型的合理性是依靠仿真結(jié)果的有效性,所以住塞泵的建模是至關(guān)重要的。柱塞泵虛擬樣機(jī)連接幾個(gè)不同的模型,包括液壓系統(tǒng), 3D結(jié)構(gòu)模型和有限元模型的部分,即在模擬中分別建立并且將彼此連接在一起。在構(gòu)建動(dòng)態(tài)模型和制造接口連接其他模型之前, 必要部分的真正的動(dòng)力關(guān)系和運(yùn)動(dòng)參數(shù)應(yīng)該分析。有幾種假說(shuō)如下。(1)為了簡(jiǎn)化仿真,僅僅考慮必要的部分。一些配件的模型,如變量機(jī)構(gòu)和滑靴壓緊,被忽略。(2)旋轉(zhuǎn)軸有足夠的強(qiáng)度，并將其速度定義為常數(shù)。 (3)斜盤(pán)傾角的變化由旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)在一個(gè)定義的工作范圍內(nèi)。(4)柱塞與缸筒,斜盤(pán)與滑靴，缸體和配流盤(pán)間的油膜是穩(wěn)定的,并且它們之間的摩擦系數(shù)是常數(shù)。見(jiàn)圖1,斜盤(pán)式柱塞泵的中間軸圍繞它的軸線旋轉(zhuǎn)并且驅(qū)動(dòng)缸體，柱塞和對(duì)應(yīng)的滑靴以相同的速度旋轉(zhuǎn)。柱塞的中線和斜盤(pán)表面的交點(diǎn)即B′的坐標(biāo)是：. (1)由（1）式可得:結(jié)果表明柱塞沿著z軸移動(dòng)并且繞中間軸旋轉(zhuǎn)。B點(diǎn)的軌跡可以描述活塞的運(yùn)動(dòng)。在（1）式的基礎(chǔ)上，可得B′點(diǎn)的速度和加速度： （2）這個(gè)滑靴與柱塞是由球鉸副連接的。滑靴球鉸中心的運(yùn)動(dòng)可以由B點(diǎn)的軌跡來(lái)描述。點(diǎn)B的坐標(biāo)是： （3）滑靴的運(yùn)動(dòng)軌跡是橢圓，其矢量直徑ρ是： （4）ρ和橢圓長(zhǎng)軸之間的夾角θ是： （5）B點(diǎn)繞O點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)速度是： （6）B點(diǎn)的線速度是： （7）基于上面的方程,運(yùn)動(dòng)的基本部分可以被定義。至于斜盤(pán)式柱塞泵顯示在圖 2(a), 三維結(jié)構(gòu)模型(圖2(b))在erical CAD軟件中建立。為了簡(jiǎn)化分析,只有必要零件的模型被建立。運(yùn)動(dòng)副和連接零件之間的約束被添加。根據(jù)不同的部分之間的真正的動(dòng)態(tài)關(guān)系,適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)副和運(yùn)動(dòng)參數(shù)顯示在表1和表2。在動(dòng)態(tài)軟件,所有這些運(yùn)動(dòng)副和運(yùn)動(dòng)參數(shù)被添加到相應(yīng)的部分。然后基本的動(dòng)態(tài)模型用3D結(jié)構(gòu)模型通過(guò)添加動(dòng)態(tài)關(guān)系來(lái)完成。 泵零件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 質(zhì)量 體積 中間軸 0 斜盤(pán) 0 柱塞 5 滑靴 8 缸體 0 泵零件 泵殼軸缸體柱塞滑靴斜盤(pán)軸剛性連接缸體剛性連接圓柱副柱塞圓柱副球面副滑靴球鉸副平面副斜盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)副平面副配流盤(pán)剛性連接軸承剛性連接轉(zhuǎn)動(dòng)副此外,給中軸增加一定量的速度，然后活柱泵基本模型的可以驅(qū)動(dòng)所有部件運(yùn)動(dòng)，就像一個(gè)真正的沒(méi)加油的泵。由于在基本的動(dòng)態(tài)模型沒(méi)有流動(dòng)的力量和運(yùn)動(dòng),動(dòng)態(tài)模型只能模擬柱塞泵的運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有吸油的功能來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載。為了構(gòu)建液壓模型,有一些假設(shè)如下：（1）柱塞泵運(yùn)行穩(wěn)定和中間軸的旋轉(zhuǎn)速度定義常數(shù)。（2）柱塞與缸筒、,滑靴和斜盤(pán),缸體和配流盤(pán)之間的油膜厚度是穩(wěn)定的，并只有泄漏層流。（3）的差距缸體和配流盤(pán)、滑靴和斜盤(pán)之間有流體靜力平衡,且壓力比λ是常數(shù)(λ= )。(4)油液的粘度是不變的?；诒貌考g的運(yùn)動(dòng)關(guān)系和流體對(duì)泵的影響，柱塞泵的液壓模型從基本的流量模型開(kāi)始。見(jiàn)圖3, 當(dāng)活塞右移時(shí)低壓力油吸到缸孔內(nèi)。而當(dāng)活塞向左移動(dòng),柱塞推動(dòng)液體驅(qū)動(dòng)負(fù)載。在圖3顯示的該模型是一個(gè)活塞的基本單位。這個(gè)單元包括三個(gè)重要的泄漏，柱塞和缸體間, 滑靴和斜盤(pán)之間板和缸體和配流盤(pán)之間,這是在方程式（8）（10）中描述。 （8） （9） （10） ——柱塞直徑； ——柱塞與缸體之間的縫隙高度； ——柱塞與缸體之間的接觸長(zhǎng)度； ——流體的動(dòng)力粘度； ——柱塞的離心率； ——柱塞腔中的壓力； ——泵內(nèi)部的壓力； λ——壓力比； ——滑靴和斜盤(pán)之間的間隙； ——滑靴的結(jié)構(gòu)參數(shù)； ——配流盤(pán)和缸體之間的間隙； ——配流盤(pán)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。缸體柱塞孔中油的輸入和輸出是通過(guò)配流盤(pán)來(lái)提供的,所以配流盤(pán)腰形孔的開(kāi)放區(qū)域是用來(lái)控制油的吸入和排出。圖4(a)展示了開(kāi)放區(qū)域系數(shù)曲線與旋轉(zhuǎn)角度改變。因?yàn)閮煞N不同的孔的不同角度是180176。(圖4(b)), 所以它可以由節(jié)流閥閥口面積大小控制來(lái)建模。 分布式流控制缸孔開(kāi)放面積大小,這是顯示在圖4(b)中。為了簡(jiǎn)化建模，流模型和閥門(mén)板模型被結(jié)合在一起集成單元(圖5)。由于一個(gè)泵有九個(gè)柱塞,所以整個(gè)泵模型包括9個(gè)綜合活塞模型,如圖6所示。在泵工作過(guò)程中，一些關(guān)鍵部件的壓力和變形應(yīng)進(jìn)行靈活的受力分析。中間軸和柱塞是兩個(gè)典型的需要考慮撓性的部分。用有限元法并將剛性部件轉(zhuǎn)換為柔性部件的方法來(lái)分析模型是必要的。在有限元軟件環(huán)境中柱塞的撓性能被動(dòng)態(tài)模型讀到并且被集結(jié)在整個(gè)泵模型上。圖7顯示了柱塞的有限元模型與撓性特點(diǎn)。中間軸的模型用相同的方式來(lái)做。圖8顯示了組裝泵中的兩個(gè)撓性部件。另外，求解器可以模擬泵和得到柱塞和軸的受力結(jié)果和變形結(jié)果。對(duì)應(yīng)部分的強(qiáng)度以這樣的方式進(jìn)行了分析。根據(jù)上述分析，,柱塞泵的虛擬模型包括幾個(gè)不同的模型。所以接口是需要將這些模型連接為一個(gè)單位。因此,液壓接口,動(dòng)態(tài)界面和柔性體界面是根據(jù)工作環(huán)境建立的。圖9顯示了這些模型的關(guān)系。柱塞泵的虛擬樣機(jī)是通過(guò)將所有這些模型組裝在一起而建造的。3．結(jié)果與討論柱塞泵的許多方面可以基于泵的虛擬樣機(jī)來(lái)調(diào)查，如輸出特性,柱塞的受力,應(yīng)力和柱塞的變形以及中間軸等。泵的輸出流量和壓力被直接使用于液壓系統(tǒng)來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載。所以輸出特性是泵最重要的性能。用柱塞泵虛擬樣機(jī),很容易得到輸出特性。圖10顯示了輸出流量隨著斜盤(pán)傾角的變化。流量脈動(dòng)清晰的顯示在曲線中。流量脈動(dòng)的循環(huán)時(shí)間同樣是以旋轉(zhuǎn)速度為基礎(chǔ)的。流量脈動(dòng)振幅隨著斜盤(pán)傾角的增加而越來(lái)越大。此外,每個(gè)柱塞腔的流動(dòng)狀況也可以通過(guò)仿真來(lái)表現(xiàn)出。因?yàn)榕淞鞅P(pán)上兩個(gè)腰形孔之間有一定的距離所以輸出流量是不連續(xù)的。配流盤(pán)的兩個(gè)腰形孔之間有不同角度(指引角)。在該結(jié)構(gòu)中, 泵的壓力脈動(dòng)可以明顯降低,見(jiàn)圖11。圖11呈現(xiàn)了配流盤(pán)上有不同角度與沒(méi)有不同角度時(shí)，柱塞腔內(nèi)壓力狀況的比較。在柱塞泵中,柱塞用于吸油和排油，所以流體作用于活塞力是可變的和復(fù)雜的。用柱塞泵虛擬樣機(jī),柱塞受的力可以調(diào)查。斜盤(pán)的不同角度(包括0176。,176。,5176。,176。,10176。,176。,15176。)在相同載荷的條件下, 九個(gè)柱塞彼此之間受的力是不同的，并且呈現(xiàn)出了隨時(shí)間而變化一種周期變化,顯示在圖12。這個(gè)力的振動(dòng)振幅隨著斜盤(pán)角增加而上升。為了分析斜盤(pán)傾角對(duì)柱塞受力的影響,流體的力可以通過(guò)不斷地改變傾角來(lái)模擬。曲線在圖13顯示力的趨勢(shì)，它開(kāi)始于一個(gè)非常小的值,當(dāng)斜盤(pán)的角到達(dá)5176。時(shí)力的數(shù)值迅速上升。利用有限元分析技術(shù),中間的軸和柱塞從剛性體改進(jìn)為柔性體，哪個(gè)更符合實(shí)際情況。在動(dòng)態(tài)環(huán)境中, 當(dāng)虛擬樣機(jī)運(yùn)行時(shí)，柔性體的應(yīng)力、應(yīng)變能被模擬并且柔性部位的強(qiáng)度可以調(diào)查。應(yīng)力和應(yīng)變能描述強(qiáng)度和變形程度。在這個(gè)情形下，最大應(yīng)力大約有196 。最嚴(yán)重的變形區(qū)域出現(xiàn)在花鍵附近。圖15給出了柱塞的仿真結(jié)果。在柱塞上的這個(gè)最大應(yīng)力大約是222 。所以結(jié)果是在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶?。此?壓力也可以用于分析在柱塞外面的摩擦力。4．結(jié)論(1)根據(jù)不同的模型和接口,使用柱塞泵虛擬樣機(jī)是可行的。根據(jù)模型的類型(如動(dòng)態(tài)模型和液壓模型),相應(yīng)的仿真結(jié)果顯示柱塞泵的預(yù)測(cè)性能,所以更多的特征可以通過(guò)VPT研究。(2)當(dāng)配流盤(pán)被安裝在后蓋上時(shí)，一個(gè)不同角度(指引角)被設(shè)置。這個(gè)角度有助于減少壓力脈動(dòng)。虛擬樣機(jī)的效果也在仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上被證明。(3)柱塞泵是最復(fù)雜的液壓元件,因此建模和仿真也需要一些假設(shè)來(lái)簡(jiǎn)化建模。(4)與柱塞泵傳統(tǒng)模擬相比較，VPT集中在更多的因素,例如零件的形狀,零件的柔性,等等。所以仿真模型更符合實(shí)際情況,結(jié)果對(duì)于優(yōu)化結(jié)構(gòu)是更有效和有用的。(5)由于很多模型的連接, 使有效的接口是困難和復(fù)雜。但隨著建模的開(kāi)發(fā)和計(jì)算,這個(gè)VPT有可能有助于開(kāi)發(fā)新一代有更高性能的柱塞泵樣機(jī)