面向潜器的超静低振动直线电机驱动海水柱塞泵关键技术

In order to meet the urgent requirement of each department of national ecomomy, especially the field of ocean exploitation, the research group presents a super-quiet and low-vibrational water hydraulic piston pump driven by linear-motor. The scheme combines the latest research results of novel linear-motor drive technology、modern control technology and fluid power transmission and control technology, particulally the water hydraulics. On the one hand, it brings into play the characteristics of linear motor drive technology, such as no rotating parts、 high-precision and high-efficiency of transmission and being apt to automatic control; on the other hand, it makes full use of the advantages of fluid power transmission, such as high power density、compact structure. Firstly, the research will take a material screening test on some engineering materials widely used in water hydraulic components, apply the virtual assembly technology to establish the physical model of the water hydraulic piston pump and its key parts, and make use of software such as Adams、Ansys and AMESim to do co-simulation and optimization design. Secondly, we will develop a set of embedded linear motor servo control technology, to achieve constant flow output and stepless virable output of the piston pump, and then to develop a linear-motor water hydraulic piston pump prototype for meeting urgent need of deep-sea task equipments such as deep-sea submersible and deep-sea space station. It will make contribution to the sustainable development of national economy.

为满足我国国民经济各部门尤其是海洋开发领域对超静低振动海水液压技术的迫切需求，课题组提出一种直线电机直接驱动柱塞的海水液压柱塞泵结构。该方案融合了新型直线驱动技术、现代控制技术和流体传动技术（尤其是水液压传动技术）的最新研究成果，既发挥直线电机无旋转部件、传动精度高、效率高、易于自动化控制的特点，又充分利用流体传动功率密度大、结构紧凑等优势。本项研究拟对水液压柱塞泵广泛采用的新型工程材料进行材料性能筛选试验，应用虚拟装配技术对研制的水液压柱塞泵及其关键部件进行物理建模，应用软件Adams、Ansys和AMESim等进行联合仿真和优化设计；其次，开发嵌入式直线电机伺服控制技术，合理规划直线电机运动规律，实现水液压柱塞泵恒流量输出（无脉动）和无级变量输出，从而研制出超静、低振动的直线电机驱动水液压柱塞泵样机，满足我国深海作业装备如深海潜器和深海空间站等急需，为我国国民经济的可持续发展增砖添瓦。

水液压技术是节能环保型传动技术，开发出与水介质相适应的水压元件是国内外的研究热点。水液压泵是水液压系统的动力源和核心元件，而柱塞泵由于功率密度大、容积效率高等优点成为中高压水液压泵的常用结构形式。常用柱塞泵主要包括曲柄连杆柱塞泵和轴向柱塞泵。一方面，旋转电机、主轴、蜗轮蜗杆和斜盘等中间回转机构均存在偏载力和不平衡力矩，将引起较大的机械振动噪声；另一方面，传统水泵的流量脉动大，产生的压力脉动幅值大，脉动力不仅作用于管内流体，流体脉动反射波还会作用于泵体及管系上，引起系统级的振动噪声。因此，开展低振恒流量直驱水压柱塞泵的研制具有十分重要的意义。. 本课题以恒流量直驱水压柱塞泵为研究对象，构建了直驱水压柱塞泵的恒流量模型和压力流量特性模型，开展了柱塞泵的压力流量特性、配流阀动态响应特性和流量脉动特性的数值分析；进行了泵用直线电机的速度规划程序控制方法和控制策略研究，对比分析了多种速度规划，完成了速度规划及程序控制方法、电流环和伺服环控制策略的试验验证；分别进行了恒流量运动规划和多轴协同控制策略的对比分析研究，并完成试验验证；开展了柱塞副配对材料的摩擦学试验研究；最后完成直驱水压柱塞泵样机研制和性能试验。最终试验结果表明，直驱水压柱塞泵在中低压工况运行平稳，输出流量稳定，流量脉动率和振动噪声均较小。本研究不仅为满足我国深海作业装备（如深海潜器和深海空间站等）的急需提供了解决思路，还将为我国国民经济的可持续发展增砖添瓦。