自平衡式高低压配流阀组低速大扭矩乳化液马达的设计与研究

摘要

低速大扭矩液压马达作为液压传动系统的重要执行元件，具有结构紧凑，可直接驱动负载，加速和制动时间短等特点，在工程机械中应用广泛。目前，冶金矿山、煤矿井下因矿物油易燃、泄漏污染严重且工作环境危险，迫切需要以高水基为介质的低速大扭矩马达以替代矿物油马达。现存的乳化液及纯水液压马达工作原理及相关技术难以满足高压、低速、大扭矩运行工况的要求。
　　针对矿用高水基液压马达高压、低速、大扭矩的工况特点和应用需求，提出研究一种自平衡式配流阀组径向柱塞摆缸式乳化液马达及其关键技术。该马达采用径向柱塞摆缸式结构，柱塞不受侧向力作用，马达采用新型结构的自平衡式高低压配流阀组配流，解决一般高水基柱塞马达采用盘式配流所导致的磨损、泄漏、不能双向旋转以及不适用于高压、低速工况等问题。
　　首先，设计了自平衡式高低压配流阀组低速大扭矩摆缸式乳化液马达的整体结构，并阐述了其具体工作原理。采用了径向柱塞摆缸式马达的结构形式，介绍了自平衡式高低压配流阀组对称布置的配流原理及特点。重点对马达进行运动学、力学分析，研究了马达瞬时排量、扭矩、转速、压力及其脉动率。
　　其次，以减小马达的体积和重量为优化目标，运用现代优化设计方法对乳化液马达的结构参数进行优化设计，在减小体积和重量的同时使马达的转速和扭矩脉动尽可能的小，确定优化目标函数和约束条件，通过约束函数保证马达的工作性能，寻求最佳的结构参数值。用现代设计软件MATLAB求得设计变量的优化解，圆整和修正后得到乳化液马达结构参数的实际最优解，有效减少了马达的体积和重量，并使其各个设计参数合理匹配。
　　然后，剖析了自平衡式配流阀组的工作原理，综合考虑配流阀入口的雷诺数和流量系数以及配流阀的体积大小等因素，确定合适的阀口直径，对高低压配流阀组进行了运动学和力学分析，重点分析了阀芯的受力情况。通过Pro/E建立配流阀的参数化模型，采用 Fluent软件对不同阀芯开度时的配流阀内部流场进行了仿真分析，比较了流量和阀芯开度不同时的流场参数数值，验证了配流阀设计结果的可行性。
　　最后，在优化设计的基础上，通过AMESIM建立了乳化液马达的整体模型，仿真分析了马达的运动特性，转速和扭矩及其脉动情况。研究了马达配流阀组不同最大阀芯开度、流量输入、转动惯量以及负载扭矩等参数对乳化液马达性能的影响。
　　本论文提出的自平衡式高低压配流阀组低速大扭矩乳化液马达适用于所有高水基介质，具有通用性。本论文所完成的研究工作与取得的结论，为阀配流低速大扭曲乳化液马达的设计和制造提供了理论基础和参考依据。
　　本论文有图68幅，表6个，参考文献91篇。

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变量注释表

1 绪论

1.1研究背景

1.2高水基液压马达的发展及国内外研究现状

1.3存在的问题和研究意义

1.4主要研究内容和技术路线

1.5本章小结

2乳化液马达总体设计及运动学分析

2.1马达结构设计

2.2马达柱塞数的确定

2.3 自平衡式高低压阀组配流乳化液马达工作原理

2.4 乳化液马达运动学与力学分析

2.5本章小结

3 乳化液马达优化设计

3.1 优化设计及工具软件简介

3.2 优化设计模型、目标函数和设计变量的确定

3.3约束条件

3.4利用MATLAB优化工具箱求解

3.5本章小结

4 配流阀的设计

4.1概述

4.2马达阀配流方案设计

4.3阀座开口直径选取

4.4阀芯运动学分析

4.5阀芯力学分析

4.6本章小结

5 配流阀的CFD分析

5.1概述

5.2 Fluent 软件介绍

5.3 配流阀建模和网格划分

5.4 边界条件和计算条件设置

5.5仿真结果及分析

5.6本章小结

6 乳化液马达的建模与仿真

6.1 AMESIM 软件简介

6.2乳化液马达仿真模型的建立

6.3乳化液柱塞马达的仿真参数设置

6.4仿真分析

6.5 乳化液马达动态特性仿真分析

6.6本章小结

7 总结与展望

7.1本文总结

7.2 工作展望

参考文献

作者简历

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