针对液压自由活塞发动机和液压约束活塞发动机在关键技术和产业化方面出现的问题,创新性地提出了缸间齿轮联动液压发动机的结构原理,在此基础上对作为影响缸间齿轮联动液压发动机整机性能关键部件的缸间齿轮齿条传动机构和液压配流系统进行了结构设计与研究。缸间齿轮齿条传动机构采用正变位直齿圆柱齿轮和标准齿条无侧隙啮合传动,通过合理选择几何参数和强度校核,其能够支持发动机正常稳定运转;设计了一种往复柱塞泵用转套式配流系统,能够实现单向吸油和泵油,完成动力输出,且容积效率高、结构紧凑,相较于传统阀配流往复柱塞泵配流结构优势明显。缸间齿轮联动液压发动机的结构设计与研究为随后的整机性能研究、仿真优化和样机试制提供了参考依据。

缸间齿轮联动液压发动机(GCHE)是一种较传统内燃机更节能减污的动力装置,曲柄连杆机构作为发动机主要的运动部件,需要进行优化设计以保证轻质高强的特性。构建了GCHE曲柄连杆机构基于响应面的近似模型,建立了连杆、曲轴状态变量的二阶响应面近似模型,并进行准确性校验。同时建立曲轴和连杆协同优化模型,完成连杆和曲轴基于响应面近似模型的协同优化设计。优化后,连杆体积减小21.47%,曲轴体积减小2.68%,曲柄连杆机构总体积减小4.75%。结果表明,优化效果显著,基于响应面近似模型的优化方法可行有效,为后续GCHE的性能设计提供了理论依据和技术支持。

缸间齿轮联动液压发动机是一种综合性能较好的新型液压发动机。曲轴位于发动机一侧,曲轴外形为半拐结构,其具有与传统发动机不同的受力情况与工作状况,因此需要对其进行结构优化设计,以实现最佳的工作状态。针对GCHE曲轴结构优化数学模型,基于Kriging近似模型与最优拉丁超立方试验设计方法,创建面向6σ稳健性优化设计的曲轴结构尺寸优化模型。仿真结果表明,该方法可完成对目标性能的最优寻值,并提高约束条件的可靠性和目标函数的稳健性。通过对比确定性优化,稳健设计可使曲轴体积降低1.61%,质量水平达到99.999%。

入口压力的变化会改变转套式配流系统内部流场的压力分布,影响系统内部空化特性。利用流场分析软件Fluent对转套式配流系统的流体域进行仿真计算,设置不同的入口压力,考察空化相关参数随入口压力变化的规律,提出开发适配转套式配流系统的新空化模型将是未来研究工作的重点,并应用YST380W型液压综合试验台对仿真结果进行试验验证。结果表明,入口压力的提高能有效降低转套式配流系统的空化程度,减小最大气体体积分数和空化占比,提高容积效率。

针对转套式配流系统在高低压转换时存在的冲击、噪声等问题,提出一种三角形截面减振槽结构。根据配流系统的结构特点,建立减振槽数学模型,分析减振槽在不同阶段的通流面积;并对配流系统全流场进行数值分析与可视化研究,分析减振槽对流量脉动、泵腔压力、速度矢量的影响规律。结果表明：三角形截面减振槽结构流场流态为湍流,流场流速较大、流向紊乱,对流量脉动影响较严重,出现流量冲击和回流现象,但很大程度上降低了压力脉动,对压力场具有良好的稳定作用。

以高精密立式和高精密卧式机床为研究对象，利用FEM技术建立高精密立式和卧式机床的进给系统刚性模型，然后利用VP技术对各零部件进行网格划分，替换刚性体，建立起进给系统多柔体模型。通过添加不同方向的切削力分别建立高精密立式和卧式机床多柔体模型。研究立式机床和卧式机床进给系统丝杠振动特性的不同，对比其在一定范围内的精确度，以选择合适的机床。论文中选择高精度的卧式机床。

针对轴向柱塞泵存在的结构复杂、自吸能力差、对油液污染敏感、精密偶件的加工成本高、轴向柱塞摩擦损失大等问题,本文阐述了轴向柱塞泵的工作原理与结构特点,对轴向柱塞泵的工作原理和工作受力情况的特征和运动进行分析。同时,基于AMESim平台,建立关键部件仿真模型,通过改变柱塞泵模型参数,对不同柱塞直径以及不同斜盘倾角下,柱塞泵流量和运动速度的变化进行仿真,得出流量脉动和柱塞运动速度波动特性曲线,最后对轴向柱塞泵进行实验验证。该研究为轴向柱塞泵的进一步实验设计提供了理论依据。

针对阀式配流系统存在噪音大、成本高、结构松散等缺点,本文耦合了Fluent软件和Fortran编程的方法,对往复柱塞泵中转套式配流系统润滑性能进行研究。将该配流副视为特殊的滑动轴承,讨论在不同时刻下,半径间隙对润滑膜最小膜厚的影响和宽径比对润滑膜承载能力的影响。研究结果表明,在3个时刻下,最小膜厚随半径间隙的增大而减小;承载能力随宽径比的增大而增大,当宽径比从0.75增加到1.4时,润滑膜的承载能力显著增加,但当从1.4增加到1.5时,承载能力增加不显著,因此,求得给定工况下半径间隙和宽径比的最佳取值区间为1.25~1.4。该研究为往复柱塞泵转套式配流系统的配流副润滑设计提供了方法。

转套作为配流系统的核心零件之一，其配流口的结构形状对整个配流系统的工作脉动影响较大。以配流系统为研究对象，设计方形配流口、圆形配流口、双配流口3种不同配流口结构转套。首先建立了3种配流口过流面积的数学建模，分析过流面积的变化特点与规律。为了研究不同配流口对配流系统的流量特性与压力特性的影响，利用流体仿真分析软件Fluent，对3种配流口结构的流体模型进行流体动力学仿真。结果表明方形配流口配流面积最大，配流曲线较平稳，圆形配流口对流量脉动和压力脉动影响最小，所以可根据对配流系统的不同要求选用不同结构的转套。

对机械-液压约束活塞发动机多学科协同优化设计框架的原理和要求进行了论述，介绍了框架的实现方法。通过对机械-液压约束活塞发动机曲轴的协同优化，进行了框架测试，使曲轴的质量减少了20％，设计效率明显提高。