题目：液压能源管路系统流体脉动控制技术研究

随着液压能源系统向高压、大功率方向发展，液压管路中的流体脉动对整个液压系统所造成的危害日趋严重，已经成为制约液压系统向高压、低噪声方向发展的瓶颈。因此，研究液压能源管路系统中的流体脉动，并其进行有效地抑制，对于改善和提高整个液压系统的综合性能具有很重要的现实意义。目前国内外对液压能源管路系统流体脉动控制技术的研究，主要从以下三个方面开展：柱塞泵流体脉动产生机理、液压能源管路系统流体脉动被动控制方法和主动控制方法。本文针对上述三个方面研究中存在的一些问题，以液压能源管路系统流体脉动为研究对象，分析其产生机理及特性，探索新的被动与主动控制方法，并进行了理论研究和实验验证。主要研究内容及工作成果如下：（1）针对配流盘带减振孔的轴向柱塞泵流量脉动机理的研究还不够深入和全面的研究现状，本文对配流盘带减振孔的某型航空柱塞泵的流量脉动进行了深入的理论研究。通过对某型航空柱塞泵配流盘上预升压通路进行结构分析和数学建模，得到了某型航空柱塞泵的单柱塞流量模型；所提出的单柱塞流量模型考虑了油液的可压缩性、节流效应、阻尼孔的压力损失、过流面积的详细计算以及缸体的泄漏流量；以单柱塞流量模型为基础并考虑基本的液压回路，建立了多柱塞流量模型，即柱塞泵的流量脉动模型；通过将理论模型的仿真结果与计算流体动力学（CFD，computational fluid dynamic）的有限元分析结果进行比较，验证了该模型的正确性；最后讨论了预升压回路的不同组成部分对某型航空柱塞泵流量脉动和柱塞腔压力的影响。（2）抗性流体脉动衰减器的理论建模是流体脉动衰减器领域的重要研究方向，但是目前的理论研究大都直接借助于液压管路的传递矩阵模型（TMM, transfer matrix model）来推导抗性流体脉动衰减器的衰减特性表达式，这使得整个建模过程物理意义不明显，无法从模型中直观理解抗性流体脉动衰减器的衰减机理。本文通过考虑液压系统中三级Helmholtz共振器颈部流体的粘性摩擦损失，将共振器等效成一个三自由的质量-弹簧-阻尼系统，建立了液压系统中三级Helmholtz共振器的全新集中参数模型（LPM, lumped parameter model）；基于建立的LPM，给出了传递损失和谐振频率的闭式表达式；基于谐振频率的闭式表达式，提出了一种液压系统中三级Helmholtz共振器的优化设计方法，该优化设计方法采用旋转矢量法（RVOM，rotate vector optimization method）作为优化算法；仿真结果表明，本文提出的LPM具有很高的精度。（3）提出了一种适用于闭式液压系统的自激振荡式流体脉动衰减器，它可以实现闭式液压系统吸排油压力脉动的同时抑制。首先，对闭式轴向柱塞泵的排油流量脉动和吸油流量脉动进行了理论建模，并分析了两者的相位关系；然后，基于吸排油流量脉动模型，对闭式液压系统的吸排油压力脉动进行了仿真分析，仿真结果得到了试验结果的验证；最后，结合闭式液压系统吸排油脉动的分析结果，描述了所提出的自激振荡式流体脉动衰减器的设计思路，并对其进行了理论建模和衰减特性分析；仿真结果证明了该流体脉动衰减器的有效性。（4）针对目前基于旁路溢流原理的流体脉动主动控制方法中采用的压电陶瓷主动消振阀（PACV, piezoelectric active control valve）的线性度不好、不易控制的问题，本文提出了一种新型分体式阀芯驱动PACV，它采用由单个叠堆型压电陶瓷作动器和驱动碟簧组成的分体式阀芯驱动机构实现阀芯往复运动。首先，对该PACV的设计过程进行了详细地说明，并对其性能进行了理论估计；然后，基于分体式阀芯驱动机构的等效电路模型，建立了其非线性动态方程，并对压电陶瓷迟滞因子进行了辨识；基于阀芯驱动机构的非线性动态方程和功率放大器的近似二阶模型，建立了该PACV的动态仿真模型；最后，对该PACV的静动态性能进行了试验研究，试验结果与仿真结果能够很好的吻合，同时试验结果表明了该PACV的动特性满足流体脉动主动控制的要求。（5）针对目前基于旁路溢流原理的流体脉动主动控制方法无法满足高速液压系统发展要求的问题，本文提出一种基于双边溢流的流体脉动主动控制方法。采用本文设计的PACV作为主动消振元件，利用PACV阀芯轴肩两侧产生的双边溢流流量，来抵消液压管路系统的原始流量脉动。该方法最大优点是PACV只需要工作在压力脉动频率的一半，即可实现液压管路系统中该压力脉动的消除。一种基于RVOM的自寻最优控制方法被用来调节控制参数，控制目标是使压力脉动均方值最小。基于液压管路系统模型、PACV的线性动态模型和自寻最优控制方法，建立了基于双边溢流的液压管路流体脉动主动控制系统的仿真模型，并分别对压力脉动的单频分量和双频分量进行主动抑制，仿真结果说明了该方法的有效性；最后，该流体脉动主动控制方法在一个实际的液压管路系统中得到了验证，并分别实现了对压力脉动单频和双频分量的有效抑制。