多场耦合下海淡水液压马达振动噪声产生机理及其抑制研究

This proposal takes low speed direct-driven high torque sea and fresh water hydraulic motor as object. As to the problems of operating noises and vibrations of water hydraulic motor in multiple coupled fields, this project prepare to investigate the major scientific problems as multi-field coupling mechanism of fluid-liquid-sound-thermal interaction, lubricating mechanism and the drag and noise reduction of bionic non-smooth surface texture. Include (1) establishing fluid lubrication and thermo-mechanical coupling model of the stator plunger pair and exploring the influence of structure parameters of stator and plunger on water hydraulic motor; (2) establishing dynamic model of rotor-bearing system with torque mutation and revealing the coupling transfer rule of torque variation in rotor-bearing system; (3) Investigating friction-induced noise of the friction pairs with different bionic surface texture form in sea and fresh water and seeking the synergie effect of flowing characteristics of fluids, adhesion characteristics of the surface of tribopairs and bionic surface microstructure on friction-induced noise reduction; (4) establishing multi-field coupling vibration model of structural vibration, pressure flow vibration and cavitation shock vibration and revealing coupling superposition mechanism of these vibration signals in compound vibration field. The research work may improve the converting efficiency and prolong the no-failure lifetime of key parts and reveal failure mechanism and establish new design theories and methods of water hydraulic motor. Therefore, studies this project, not only has important theory significance, and has a vast application prospect.

本项目以低速直驱大扭矩海淡水液压马达为研究对象，针对多场耦合作用下水液压马达的振动、噪声问题，开展其固、液、声、热等多场耦合叠加机制的研究，仿生非光滑表面织构的减阻降噪及润滑理论的研究等主要科学问题。主要包括：①建立定子柱塞的流体润滑热机耦合模型，探究定子柱塞结构各参数对其敲击噪声的影响规律②建立扭矩突变下的转子轴承系统动力学模型，揭示扭矩变化在转子轴承系统中的耦合传递规律。③研究不同表面形态的仿生织构样品在海淡水中的摩擦噪声，寻找流体的流动特性、摩擦副表面的粘附特性与仿生表面微结构间的协同对降低摩擦噪声的可能性及作用机理。④建立包含结构振动、压力流量振动、气蚀冲击振动在内的多场耦合振动模型，揭示各振动信号在复合振动场中的耦合叠加机制。本项目的研究对于提高水液压马达的转换效率，延长关键零部件的工作寿命，揭示其失效机理，建立新的设计方法及设计理论，具有重要的理论意义和广阔的工程应用前景。

应用流体力学、间隙流动理论及优化设计方法建立了水液马达配流副泄漏模型及柱塞副泄漏模型，并通过数值计算来探索其中的流场分布规律，提出优化的措施和方案，找出了摩擦副最佳间隙，水膜厚度与压力、转速、流量之间的相互影响规律。基于摩擦磨损润滑学、材料学等理论和方法，根据水（海水和淡水）的物理化学特性选择各运动摩擦副的配对材料，并通过MoS2、石墨和纳米SiO2粒子填充PTFE复合材料的实验研究，找到了最佳配比参数。运用有限元方法及实验研究对不同形貌、不同直径、不同深度及不同分布下的仿生摩擦副上下端面应力分布状态进行了计算与分析，得到了仿生非光滑表面最佳配对模式及不同形态下的摩擦润滑与振动特性。同时通过水液压马达配流副表面不同织构深径比及织构密度的研究，发现凹坑密度s为8.72%，深径比δ为0.15时，对减轻摩擦副的磨损，增加配流副的寿命会比较明显。运用ANSYS 、声学分析ACTRAN联合，仿真出了配流副在预紧压力100N,马达正常工作转速50r/min工况下的振动和表面的的辐射噪声情况，发现与光滑端面相比织构化端面配流副均起到了减振降噪的作用。最后，经过不同上下端面共50种组合的实验，以及不同形貌的模型有限元分析，得到了减磨减振效果较优的单织构（上端面圆柱坑织构下端面光面）以及双织构（上端面圆柱坑下端面圆锥坑织构），并将其应用于水液压马达配流副之上。基于上述研究设计加工出水压马达物理样机，并对样机的性能进行了空载及加载实验测试，得到了相应的数据参数，表明所研制的低速直驱大扭矩水液压马达原理正确可行，也证明上述研究结果的正确性，达到了项目的预期研究目标。本项目的研究对于提高水液压马达的转换效率，延长关键零部件的工作寿命，揭示其失效机理，建立新的设计方法及设计理论，具有重要的理论意义和广阔的工程应用前景。