静液压传动装置壳体模态分析

　　0　引言

　　静液压传动装置是由液压泵和液压马达为主构成的液压传动系统,它具有无极调速、换向方便、布局灵活等特点。根据泵和马达的连接方式不同,可将其分为集成式和分离式两种。集成式静液压传动装置中泵和马达被包裹在同一个壳体里,其振动环境更加恶劣。为了减小噪声,有必要对壳体进行优化设计。

　　1　壳体模型的建立

　　图1为一集成式静液压传动装置的壳体模型。柱塞泵额定转速为3 000 r/min、柱塞马达额定转速为2 800 r/min;泵壳的材料为球墨铸铁QT500-7,弹性模量E=1.5×10¹¹Pa,泊松比μ=0.25,密度ρ=7 200 kg/m³。

　　2　壳体模态分析及优化

　　在UG中建立壳体的三维模型,导入ANSYS中。利用ANSYS对该壳体进行网格划分,选择模态分析,分析中采用默认的兰索斯(Block Lanczos)法提取模态。

　　2.1　对模型进行简化及模态分析

　　(1)忽略对整体特性影响较小的小孔、倒角及键槽等。忽略对动态特性影响较小但占内存较大的螺纹特征,如将螺钉的螺纹模型简化为圆柱模型。

　　(2)本文分析的对象为装配体,壳体和端盖通过螺钉连接,该螺钉主要受拉力作用,根据泵和马达的实际工况,壳体的这两部分是永远接触,而且不会发生相对滑动,所以设置壳体和端盖间的接触类型为Rough类型,它表示两个面是完全的摩擦接触,即没有相对滑动。螺钉和壳体接触类型为Bonded类型,它表示不允许两个面之间有相对滑动或分离,可以将接触区域看作被连接在一起。

　　(3)对该壳体而言,阻尼的作用相对于刚度和质量而言很小,可以忽略不计。

　　(4)一般而言,高阶频率对壳体的振动影响有限,对于柱塞泵而言, 3 000 Hz以上的振动频率对噪声的贡献很小,所以为了减小计算量,本文只提取模型的前五阶固有频率,见表1。一阶振型如图2所示,一阶振型y轴方向应变如图3所示。

　　2.2　振动分析

　　对变量柱塞泵的研究表明,斜盘及变量机构的振动是变量柱塞泵产生噪声的主要因素之一。斜盘及变机构在工作时受到周期变化的液压力矩的作用,产生周期性的振动,从而激发机械振动噪声,其振动频率f与泵的转速n及柱塞数Z的关系为:

　　将n=3 000 r/min,Z=9代入式(1),得f=450 Hz,该频率的整数倍为450 Hz、900 Hz、1 350 Hz、1 800 Hz、2 250 Hz、2 700 Hz……。模型的第一阶固有频率1 864 Hz和激振频率的4倍1 800比较接近。当壳体的固有频率和激振频率以及激振频率的整数倍接近或相同时,壳体容易发生共振现象,这会加大装置的噪声,甚至会影响装置的正常工作,因此需要对壳体进行优化,避免共振的发生。由一阶振型可以看出,壳体上半部分y轴方向振幅较大,可以在壳体两边增设加强筋以提高刚度。改进后的壳体模型如图4所示。