基于數字底座技術的分布式軸向柱塞泵聯合仿真*

譚順輝,洪昊岑,許順海,沈文杰,張 斌

(1.中鐵工程裝備集團有限公司,河南 鄭州 450016;2.浙江大學 高端裝備研究院,浙江 杭州 310014;3.浙江大學 流體動力基礎件與機電系統全國重點實驗室,浙江 杭州 310027;4.無錫雪浪數制科技有限公司,江蘇 無錫 214135)

0 引 言

軸向柱塞泵具有功率密度大、容積效率高、工作壓力高等優點,被廣泛應用于大型工程機械、船舶機械、海工平臺等重型裝備中,其作為系統的核心動力源,為液壓操控系統提供驅動力。

隨著計算機仿真技術的發展,研究人員采用運動學、動力學聯合仿真的方法,分析泵內組件的受力、運動、變形等內容,為柱塞泵的優化設計提供依據。采用聯合仿真的方法能夠有效地將柱塞泵的流體傳動特性與機構的動力學特性相結合,可以取得更加準確的仿真結果;將其應用于產品設計環節,能夠顯著加快新產品的研發,同時也可以降低樣機的試驗成本。

國外學者最先于21世紀初開始采用聯合仿真技術,進行柱塞泵的研究。德國亞琛工業大學的流體動力驅動與控制研究所[1]采用多體動力學與液壓系統聯合仿真的方法,開發了柱塞泵計算工具,完成了對柱塞泵的流量脈動、摩擦副等關鍵部分的計算任務;但其未討論阻尼槽結構對柱塞泵性能的影響。意大利都靈理工大學的ROCCATELLO A[2]搭建了軸向柱塞泵的虛擬樣機,通過試驗驗證了模型的準確性;但其并未將模型應用于柱塞泵關鍵結構的優化設計。國內,浙江大學徐兵[3]開展了關于柱塞泵聯合仿真技術的研究,基于ADAMS和AMEsim構建了聯合仿真模型,采用柔性組件單元完成了組件的彈性變形分析工作,該研究重點關注泵內組件的動力學特性;但其無法對柱塞泵內流道結構進行優化。浙江大學張斌[4-5]、李春光[6]開發了柱塞泵壓力-流量特性計算工具,采用剛柔耦合的建模方法,研制了ViSPA計算軟件,討論了不同阻尼槽結構對輸出壓力-流量特性的影響;但上述研究在對關鍵結構進行優化設計時,計算過程過于離散,效率不高。蔡金典等人[7]采用聯合仿真方法研究了電靜液作動器(electro-hydrostatic actuator,EHA)的壓力流量特性,對柱塞泵正反轉切換過程中的脈動特性進行了分析;但其未對柱塞泵元件結構進行優化設計。童水光等人[8]采用Kant-Huston方法建立了柱塞泵多體力模型,分析了機液耦合作用下柱塞泵的運動特性,仿真結果具有較高的準確性;但上述研究的建模難度大,對技術人員專業性有著極高的要求。

目前,聯合仿真技術已成為全球柱塞泵制造企業的主要設計方法,德國Rexroth、美國Eaton、Parker,中國的林德液壓、恒立液壓等均將其應用于新產品研發環節,極大地縮短了產品的研發周期,提升了產品的性能;但現階段的聯合仿真方法具有較高的建模離散性,優化環節需要不斷地重復建模,導致其優化效率偏低,對計算資源有著過高的要求。

針對軸向柱塞泵的優化設計環節,筆者提出基于數字底座技術的分布式聯合仿真優化方法,以實現關鍵結構的自動優化目的,提升優化設計的效率。

首先,建立柱塞泵運動學動力學聯合仿真模型;然后,分析研究柱塞泵內組件的運動、受力和組件變形特性;最后,開發基于數據底座的聯合仿真協同組件,完成聯合仿真計算結果與優化組件的協同及阻尼槽關鍵參數的自動優化工作。

1 柱塞泵主軸系動力學分析

此處,筆者以掘進機用某型號大排量重載軸向柱塞泵為研究對象。該大排量重載軸向柱塞泵的缸體柱塞孔采用錐型分布,具有較好的對中、對心能力。然而,錐型缸體在重載工況下會產生較大的離心作用力,導致柱塞滑靴組件受到較大的徑向力作用,柱塞泵內各部件的運動高度耦合,在高速重載工況下,易發生滑靴脫靴與球頭結構斷裂問題。

因此,還需要在動力學模型中構建柱塞結構的柔性體模型,分析球鉸連接處的應力應變特性。

1.1 缸體結構及受力分析

柱塞泵缸體結構如圖1所示。

圖1 柱塞泵缸體結構Fig.1 Piston pump cylinder structure

筆者對柱塞泵運行過程中柱塞泵內組件的受力分析如下:配流盤與缸體以及滑靴與斜盤之間存在靜壓支撐油膜,其受力方向豎直于摩擦副平面,在正常工況下,受力保持平衡。

柱塞組件受力較為復雜,其受到包括油液的壓力、斜盤的推力、柱塞腔的摩擦力、柱塞繞主軸轉動產生的離心力以及自身的重力等作用,在柱塞繞主軸高速轉動時,易破壞柱塞的運動平衡,這使得柱塞組件是泵內最易出現失效的結構之一。

1.2 組件約束關系分析

在進行柱塞泵組件運動學建模之前,筆者需要對組件的約束關系進行分析,泵內運動副約束關系為:主軸相對于軸承端蓋做旋轉運動;軸承端蓋相對于殼體為固定副,因此將軸承端蓋視為殼體一部分,對主軸添加旋轉驅動副。

將斜盤安裝在斜盤座上,在變量機構的驅動下,其繞轉軸轉動,設定斜盤與斜盤座為旋轉副;滑靴貼緊在斜盤上做平面運動,不考慮滑靴在斜盤面上的跳動,施加平面運動副;柱塞球頭與滑靴球窩通過球鉸副相連;柱塞相對于缸體而言,在柱塞孔中以滑動副形式做直線往復運動,由于該缸體是錐型缸體,柱塞的運動方向與主軸成固定錐角。

2 聯合仿真模型搭建

2.1 參數及假設

柱塞泵模型的主要結構參數如表1所示。

表1 柱塞泵模型的主要結構參數

為計算變量過程中泵內運動組件的運動學、動力學特征,筆者對模型提出如下簡化假設:

1)軸向柱塞泵運動組件模型包括主軸、斜盤、滑靴、柱塞、殼體,忽略輔助部件;

2)柱塞泵為正常工況,不考慮故障;

3)主軸旋轉驅動穩定,不考慮主軸的跳動問題;

4)斜盤在正常工況下穩定擺動,且始終處于有效工作范圍。

2.2 仿真模型

筆者將上述結構參數導入ADAMS,得到了缸體轉子組件模型,如圖2所示。

圖2 缸體轉子組件模型Fig.2 Cylinder block rotor assembly model

筆者在ADAMS中施加柱塞泵各組件的運動約束。將地面作為固定參考系,傳動軸相對于主軸線方向做旋轉運動;柱塞在滑靴牽引力的作用下,在缸體孔內作往復直線運動;滑靴在回程盤作用下緊貼斜盤;進一步對柱塞結構做柔性化處理,導入柔性體模型車[9-10]。最后,搭建聯合仿真數據接口,實現軟件間的數據交互目的。

進一步,筆者在AMEsim中搭建了柱塞泵的液壓系統模型,采用液壓元件設計庫(hydraulic component design,HCD)對柱塞泵的液壓子系統進行了建模[11-12],包括柱塞模型、配流模型、斜盤模型、摩擦副泄漏模型、開式節流負載模型。

根據刀盤掘進系統的多泵協同工作特點,搭建了負載模型,模擬實際刀盤掘進工況下柱塞泵的負載情況。

柱塞泵系統仿真模型如圖3所示。

圖3中,筆者搭建了單柱塞模型,并定義不同柱塞間的相位差,完成了9柱塞構型柱塞泵的建模工作。其中,摩擦副泄漏模型采用參數化方程進行定義[13-14]

3 聯合仿真結果分析

筆者對仿真工況參數設置如下:

主軸轉速為1 500 r/min,負載壓力為35 MPa,入口壓力為2 MPa,初始的斜盤傾角為18°。

圖3 柱塞泵聯合仿真模型Fig.3 Co-simulation model of the piston pump

柱塞質心速度曲線如圖4所示。

圖4 柱塞質心速度曲線Fig.4 Velocity curve of piston center of mass

柱塞在腔體內做往復運動,柱塞的接觸長度為80 mm,死區容積為10 mL。柱塞往復運動的速度與位移同周期,速度的極大值為4 m/s。當柱塞運動至上下死點時,柱塞的速度為0。

單柱塞的柔性化仿真結果如圖5所示。

圖5 單柱塞的柔性元件仿真結果Fig.5 Simulation results of the flexible components of a piston

由圖5可以看出:在柱塞泵變量的過程中,當柱塞運動至上下死點位置時,柱塞球頭的應力集中最為明顯。由于離心作用,柱塞球頭的側向應力最大,導致球頭受到徑向力作用,這破壞了球頭內支撐油膜并造成柱塞球頭與滑靴的磨損。

筆者進一步對柱塞的受力特性進行分析。在油液壓緊力、彈簧力以及回程盤結構的共同作用下,斜盤與滑靴-柱塞結構被緊壓在斜盤上,斜盤的動力學特性會反饋給滑靴-柱塞機構。

柱塞受力曲線的周期為0.04 s,當柱塞運動至高壓區時,柱塞最大受力為40 kN;當柱塞略過上死點位置時,由于阻尼槽的作用,柱塞的受力開始下降,隨著柱塞腔與配流盤形成封閉容腔,柱塞的受力維持在高位;當與低壓區接觸時,柱塞受力驟降至5 kN。

柱塞受力隨時間變化關系圖如圖6所示。

在該案例中,筆者設置斜盤擺角由水平位置擺動至最大擺角位置。在柱塞泵由小排量工況向大排量工況變量時,柱塞的受力由最初零擺角時的受力平衡狀態變成顯著的高低壓周期性受力。

由圖6可以看出:在變量過程的初期(0～7°),柱塞在高低壓區的受力差值的梯度較大,當斜盤擺動超過7°后,柱塞在高低壓區的受力差基本維持恒定。

上述現象發生的原因在于:在變量的初期,柱塞泵在小排量工況下,滑靴副的支撐油膜尚未建壓,柱塞腔在高低壓區的受力差值較小;隨著斜盤擺角擺動至7°時,此時由于柱塞泵已經完成建壓,柱塞腔的受力保持恒定。

在變量初期,柱塞受力快速增大的過程中,柱塞受到的沖擊較大,是最易出現損傷結構的階段。

變量過程中,柱塞的受力與時間的關系如圖7所示。

圖7 變量過程中柱塞的受力與時間的關系Fig.7 The relationship between the force on the plunger and time during the variable process

由圖7可知:斜盤的受力主要包括柱塞滑靴機構對斜盤的壓緊力和變量機構的驅動力。當斜盤由最小擺角擺動至最大擺角的過程中,斜盤的受力增加至200 kN,隨著擺角繼續增大,斜盤的受力波動劇烈。

其原因在于:配流過程中,各個柱塞腔內的壓力實時變化,由于柱塞的合力作用在斜盤上體現出周期性波動。斜盤的力矩在0～7°變量過程中程線性增加,隨后趨于平緩,這與柱塞腔內受力的趨勢一致,主要是由于小排量變量過程中存在容腔建壓環節,導致斜盤由0擺角變量初期的力矩變化梯度較大,并在斜盤擺角大于8°后趨于平穩。

斜盤受力、斜盤力矩和斜盤擺角曲線如圖8所示。

圖8 斜盤受力、斜盤力矩和斜盤擺角曲線Fig.8 Curves of swash plate force, swash plate moment and swash plate angle

4 基于數字底座的聯合仿真平臺

為了更好地完成聯合仿真模型與優化設計模塊的耦合工作,基于數字底座的聯合仿真平臺,筆者分別搭建了聯合仿真模板和優化設計模板,并采用云端接口對模塊進行了連接,實現仿真計算與優化算法的聯動目的。

4.1 數字底座技術

數字底座是一種基于現代化技術架構的數字基礎設施。它包括了一個或多個組件,如數據平臺、云平臺、物聯網平臺、人工智能平臺和安全性、監控和管控工具等,這些組件都是相互關聯和融合的,為企業數字化提供了支持和基礎設施。數字底座為企業提供了可靠、安全、連續性的技術基礎環境,幫助企業實現數據的統一存儲、分析、管理和應用,同時提高企業中的協同能力和經營決策效率。數字底座可以有效加速企業數字化轉型,使其更加敏捷、有彈性、可擴展、可管理,從而提高業務價值。

數字底座技術能夠為產品的設計與優化環節提供可模塊化的功能平臺,通過分析數據的互聯與分析,實現仿真計算與優化計算的流程化管理。基于數字底座技術可開發功能性模板組件,并對其進行關聯與融合,為企業數字化提供了支撐,同時提高企業設計環節的設計效率。

4.2 聯合仿真分析

筆者采用功能模型接口(functional mock-up interface,FMI)將聯合仿真的時序交互控制權從仿真軟件轉移到平臺上,并搭建網頁端的用戶分析界面。

聯合仿真分析界面如圖9所示。

圖9 聯合仿真分析平臺界面Fig.9 Interface of co-simulation analysis platform

聯合仿真數據核心組件處通過發布/訂閱通信模式接收功能模擬單元(functional mock-up unit, FMU)注冊信息并進行展示,然后根據FMU信息建立聯合仿真數據傳遞關系。在設置完仿真運行配置參數(包括仿真啟/停時間、通訊步長等)后,各FMU組件采用網絡接口交互控制仿真步,進行聯合仿真計算的推進。同時,通信節點根據聯合仿真控制模塊交換數據,直至仿真達到終點,而后下發仿真終止指令,釋放仿真資源。

仿真結束后,筆者將AMEsim的結果文件與ADAMS的結果文件以流計算的形式下發解析。完成解析后,將所有結果文件下發至結果分配組件,進行輸出端口配置;最后,將不同變量的結果分配至前面板,展示組件。在軸向柱塞泵數字底座聯合仿真平臺上,用戶能夠實現多個仿真模板的模塊化互聯,并根據需求搭建優化解算方案。

配流盤自動優化設計模板如圖10所示。

圖10 配流盤自動優化設計模板Fig.10 Automatic optimization template of valve plate

根據軸向柱塞泵配流盤的配流機理可知[15-16]:柱塞泵的輸出壓力-流量脈動特性與阻尼槽的過流面積曲線直接相關,針對阻尼槽的結構優化的本質即為優化過流面積的變化規律[17-18]。

為此,基于模板組件,筆者在聯合仿真平臺上搭建自動優化迭代的流程,以實現配流盤阻尼槽的自動優化目的。

優化問題定義模板如圖11所示。

圖11 優化問題定義模板Fig.11 Optimization problem definition

筆者通過開發二次組件,完成配流盤模型的自動結構更新、流場提取和過流面積計算工作,將歸一化處理后的過流面積數據采用流計算方式,下發至聯合仿真控制組件,將阻尼槽過流面積的計算結果導入AMEsim配流模型,并采用聯合仿真模型,以當前的控制曲線進行初始化并計算求解,將AMEsim的出口流量脈動率及ADAMS的斜盤合力脈動率作為當前個體的適應度,交由算法評估,利用優化算法綜合當前迭代的種群個體的適應度后,進行精英選取,并進入下一代繼續迭代。

經迭代優化計算后,筆者得到Pareto前沿面[19-20],使用最小距離法在最優解集中提取最終解。通過對導出的Pareto前沿面的優化結果分析,可以得到阻尼槽的最優結構參數[21-22]。

采用基于數字底座的聯合仿真平臺進行聯合仿真,可以高效地對多個軟件進行聯動和數據交互,同時通過定義自動優化模板,可以將聯合仿真結果與優化模板鏈接,實現對阻尼槽結構的自動優化目的[23-24]。

相比于傳統的仿真優化方法,該方法能夠在平臺端對優化的流程進行定義,只需要設定優化目標即可完成阻尼槽結構的優化求解和建模工作,避免了大量的重復建模工作,顯著提升了優化設計效率。

5 結束語

針對現階段聯合仿真技術離散化程度高、優化迭代過程需要大量重復工作的問題,筆者提出了一種基于數字底座技術的分布式軸向柱塞泵聯合仿真方法,該方法能夠在云端完成對聯合仿真模型的調度和數據交互工作。

研究結果表明:

1)通過搭建軸向柱塞泵運動學、動力學聯合仿真模型,完成了泵內部核心組件運動與受力的分析工作。進一步對變量過程中柱塞泵內柱塞-滑靴組件受力、斜盤的受力進行了分析。仿真結果表明:在由小排量變量至大排量過程中,在斜盤擺動初期,柱塞的受力變化較大,造成的沖擊較大,是最易導致柱塞滑靴損傷的階段;

2)基于數字底座技術搭建了柱塞泵聯合仿真云端分析平臺,提出了一種可模塊化的阻尼槽自動優化方法,對聯合仿真與優化設計進行了組件模塊化,以方便設計人員進行模板調用;

3)基于分析平臺,進行了聯合仿真數據的實時調用與聯動,開發了阻尼槽自動優化模板,完成了阻尼槽關鍵參數的多目標優化的流程自動化工作,無需重復性建模工作,即可實時更新優化模型,提升了優化設計效率。

后續的研究計劃中,筆者將開發柱塞泵的油膜特性結算模板,通過數據接口聯合計算流體力學仿真分析軟件,對柱塞泵摩擦副油膜的動態特性進行求解。