基于多场耦合理论的高性能液压变压器工作机理研究

Hydraulic transformer is the core component of CPR system, which truly embodies the flexible and efficient combination of hydraulic system, and has wide application prospect in engineering machinery, automobile and test equipment. The improvement of energy saving and environmental protection requirements makes the demand for high-performance hydraulic transformer increasingly urgent. In this project, the unified mathematical model of multi - field coupling will be established by studying the coupling area, coupling strength, coupling path, coupling equation and coupling mechanism of each physical field of hydraulic transformer. Through the accurate, fast and adaptable numerical solution, the distribution of the physical field will be obtained, which reveals the mechanism of friction and wear of the hydraulic transformer, the mechanism of variable regulation and the mechanism of vibration and noise. The project will propose a performance - oriented full working condition and multi - objective parallel optimization design theory. The multi - field coupling test bench of hydraulic transformer will be set up to provide the initial and boundary conditions for the model solving, and also provides the basis for the verification of numerical results. The completion of this project is not only a performance breakthrough of high performance hydraulic transformer, but also provides an opportunity for our country in the hydraulic energy saving field to catch up and lead the international advanced level.

液压变压器是CPR系统的核心元件，其真正地体现了液压系统的柔性与高效的结合，在工程机械、汽车和试验设备等领域具有广阔的应用前景。随着液压驱动技术向节能环保方向发展，对高性能液压变压器的需求越来越迫切。本项目通过对液压变压器多物理场之间的耦合区域、耦合强度、耦合途径、耦合方程、耦合机理的研究，建立多场耦合作用下的统一数学模型。通过精确、快速、适应性强的数值求解方法，得到各物理场变量分布，揭示液压变压器的摩擦磨损机理、变量调节机理与振动噪声机理。提出由性能为主导的全工况、多目标并行的液压变压器优化设计理论。搭建液压变压器多场耦合试验台，为模型求解提供初始与边界条件，为数值求解结果验证提供依据。本项目的完成不仅是突破限制液压变压器性能提升瓶颈的关键，更为我国在液压节能领域赶上并引领国际先进水平提供了一个机遇。

项目对液压变压器的工作机理进行研究，建立液压变压器的物理场耦合模型，确定液压变压器的边界条件，通过仿真、分析等方法和手段获得液压变压器工作过程中各参数的变化规律。搭建液压变压器内各关键部件的综合试验台，获得实验结果并与理论分析结果进行对比，为液压变压器在生产实际中的应用奠定理论基础。.在项目研究过程中建立了非固定包角的液压变压器压力转速耦合模型，通过转子动力学模型计算了柱塞所产生的转矩、阻力矩及转子角速度，通过流体模型求解排油压力及柱塞腔内的压力，得到了液压变压器工作过程中关键参数的变化规律，揭示了液压变压器在工作过程中的变压调节机理。建立了基于动网格的液压变压器瞬态CFD模型，在各离散时间与迭代周期内对流体域网格形状与位置变化进行控制，完成了基于各场量的数值计算。模型考虑了湍流与空穴的影响，由此获得了柱塞经过压力过渡区时不同离散时间上各场量的分布状态与耦合关系，揭示了振动噪声的产生机理，对液压变压器性能的能提升和参数的优化设计有指导意义。.对液压变压器的结构原理进行了一系列创新研究，采用所提出的优化设计方法完成了多种构型的液压变压器的设计和实验工作。液压变压器的新构型能够提高液压变压器的工作稳定性、缓解压力波动以及扩大压力调节范围。在对液压变压器优化设计研究的同时，对关键摩擦副材料进行了大量的实验研究，揭示了PEEK基/38CrMoAlA摩擦副边界和混合润滑下的抗载耐磨规律，分析了对偶件表面摩擦膜对摩擦副力学性能的影响，为高性能液压变压器中摩擦副材料的选取提供参考。.项目历时四年，已完成规划目标。在基金的资助下，先后培养6名博士研究生，3名硕士研究生，在国内外学术期刊和国际会议上发表相关学术论文16篇，申请发明专利4项。本项目的完成将填补我国在高性能液压变压器机理研究领域空白，为我国成功研制具有自主知识产权的高性能液压变压器提供理论依据。