摘 要

现代液压系统中，斜盘式轴向柱塞泵作为非常关键的动力元件，广泛应用于多个领域中。柱塞副是柱塞泵中非常重要的摩擦副，直接影响到柱塞泵的密封性、效率和使用寿命等。基于此，研究柱塞副的摩擦力具有十分重要的意义。本文对轴向柱塞泵柱塞副摩擦力测量装置进行了设计，主要包括以下几个方面的内容：

测力装置的总体设计。首先是柱塞泵的设计，主要包括缸体、传动轴、柱塞、滑靴、配油盘、回程盘等结构的设计。然后对传感器的弹性元件进行选型和设计，同时根据传感器的安装情况，对缸体、传动轴等结构进行优化。

测力装置测试方案的设计。对比传统的传感器，本装置选择了一种优势非常突出的新型传感器：光纤光栅( FBG)传感器。根据传感器原理，针对传感器的复用和解调技术，对传感器的布置进行最优化的设计。

测力装置的数字化建模及有限元分析。首先利用SOLIDWORKS建立关键零件的三维模型，然后利用ANSYS对传感器的弹性元件进行模态分析，对传动轴进行Adams分析。最后根据分析的情况，对结构进行优化。

本装置的主要特点是选择了光纤光栅传感器作为测试元件，相比传统的传感器，它的优势明显，能更加精确地完成柱塞副摩擦力的测量。

关键词：轴向柱塞泵；测力装置；光纤光栅

Abstract

Swash plate axial piston pump as a very important power elements, which widely used in many fields in the modern hydraulic system. The Piston/Cylinder Interface is a very important friction interfaces in the piston pump, which directly affects the seal ability, efficiency and service life of the piston pump. So it is of great significance to study the friction of the pump based on this conclusion. In this thesis, the design of the device which can measure the friction of the swash plate axial piston pumps includes the following aspects.

The overall design of the force-measuring device. Firstly, the design of the plunger pump mainly includes the cylinder, transmission shaft, the piston, the sliding shoes, the port plate and the return plate. And then select and design the sensor's elastic element. Finally, optimize the cylinder, transmission shaft and other structures according to the installation of the sensor.

The design of proposal of the force-measuring device. Compared to the traditional sensor, the device choses an advanced new sensor: fiber grating sensor (FBG). Optimize the arrangement of the sensor for the technology of multiplexing and demodulation according to the sensor principle.

The digital modeling and finite element analysis of the force-measuring device. Firstly, a 3-D model of mechanism, which is consisted of important parts, is created by using software SOLIDWORKS. And then the elastic elements of the sensor is analyzed by using software ANSYS, the drive shaft is analyzed by using software Adams. Finally, the structure is optimized according to the deformation conditions.

This device will have its special research value. The fiber grating sensor can be more accurate to measure the friction, because it has many advantages compared to the traditional sensor.

Key Words：axial piston pump; force-measuring device; fiber grating sensor

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 本课题的目的与意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 课题研究内容 4

第2章 柱塞副摩擦力测试装置结构设计 5

2.1 概述 5

2.2 柱塞泵工作原理 5

2.2.1 柱塞副运动学分析 6

2.2.2 柱塞副受力分析 7

2.3 柱塞泵关键零件结构设计 9

2.3.1 柱塞设计 9

2.3.2 滑靴设计 13

2.3.3 配油盘结构设计 15

2.3.4 斜盘机构设计 20

2.3.5 缸体结构设计 21

2.3.6 传动轴结构设计 26

2.4 传感器的设计 27

2.4.1 传感器选型 27

2.4.2 传感器弹性元件的设计 27

2.5 装配设计 28

2.6 本章小结 29

第3章 柱塞副摩擦力测试方案 30

3.1 概述 30

3.1.1 八角环测力的原理 30

3.2 测试方案 31

3.2.1 电阻应变式测力传感器 31

3.2.2 光纤光栅式测力传感器 33

3.2.3 方案选择 35

3.3 光纤光栅测力传感器设计 36

3.3.1 光纤光栅传感器的原理 36

3.3.2 光纤光栅的制作 36

3.3.3 传感器复用技术 37

3.3.4 传感器解调技术 38

3.4 传感器线路布置 39

3.5 本章小结 39

第4章 测力装置的三维建模和仿真分析 40

4.1 关键零件三维建模 40

4.1.1 数字化建模简介 40

4.1.2 基于SolidWorks的三维建模 40

4.2 ANSYS模态分析 43

4.2.1 有限元模型的建立 43

4.2.2 模型的加载求解 43

4.2.3 结构分析和结构优化 45

4.3 ADAMS动力学仿真 46

4.3.1 虚拟样机的建立 46

4.3.2 运动学仿真分析 47

4.3.3 动力学仿真分析 48

4.4 本章小结 49

第5章 总结与展望 50

5.1 本文总结 50

5.2 环境影响分析 50

5.3 经济性分析 50

5.4 展望 51

参考文献 52

致 谢 53

第1章 绪论

1.1 本课题的目的与意义

柱塞泵是一种典型的液压元件，能够把机械能转换为液压能。在现代液压传动中，柱塞泵被广泛地用在各个领域，它是液压系统中比较关键的动力元件和执行元件，同时也是现代液压元件中使用范围最广的元件之一。其中，轴向柱塞泵的优势比较明显，它的性能良好，能够适应各种环境，因此在很多领域中的使用都是最频繁的。

轴向柱塞泵主要有两类，如图1.1所示，分别是斜盘式轴向柱塞泵和斜轴式轴向柱塞泵。两种柱塞泵对比，斜轴式轴向柱塞泵制作成本比较高，工艺性差，结构比较复杂；斜盘式轴向柱塞泵相较而言成本比较低，整体采用静压支撑的方式，工艺性好，结构比较简单。基于此，本文重点把斜盘式轴向柱塞泵作为研究对象，根据其柱塞副的结构，设计摩擦力的测量装置。

图1.1 斜盘式（左）和斜轴式（右）轴向柱塞泵

在斜盘式轴向柱塞泵的柱塞副中，柱塞与柱塞孔、缸体与配油盘、滑靴与斜盘构成三对摩擦副，分别被称为柱塞副、配油副和滑靴副。在这三对摩擦副在柱塞泵的工作过程中，起着非常重要的作用。包括：①密封作用，摩擦副的配对元件能出现密封面，可以有效防止油液泄露；②润滑作用，摩擦副之间能形成可靠的润滑条件，防止磨损和破坏；③承载作用，摩擦副承受载荷，能传递运动过程中的力和力矩。因此，摩擦副的工作状态会对泵的密封性、效率和使用寿命等有着直接的影响，而通过调查发现，柱塞副对柱塞泵的影响相关性最大，直接影响到柱塞泵的性能。基于此，本文拟设计一个测量装置，精确测量斜盘式轴向柱塞泵柱塞副的摩擦力，提供比较可靠的数据和结论，为以后研究如何有效提高泵的性能提供参考。

1.2 国内外研究现状

中南大学的申儒林，把柱塞套筒的影响考虑在内，并且将柱塞副的摩擦状态当作边界摩擦，然后根据测量数据的曲线图，得到了摩擦力的变化规律。同时用数学模型分析了柱塞的受力状态。采用Matlab软件，将摩擦力的变化趋势仿真出来，从而分析出了柱塞副的磨损情况^[1]。

浙江大学张军辉，搭建了试验平台，通过构建虚拟样机，在基于MSC.ADAMS模型、AMESim模型，及Matlab的柱塞副油膜特性模型的基础上，对轴向柱塞泵的柱塞副进行了仿真分析。结论表明：该实验平台能可靠地分析出柱塞泵柱塞副的基本特性^[2]。