二维活塞泵的设计方法研究与试验验证分析

发布时间：2020-08-12 12:10

【摘要】：较高的功率密度是液压技术的一个显著的特点,这使得其在工业中得到了广泛的应用,特别是在作为执行器和动力源的场合。其中,轴向柱塞泵作为液压系统的“心脏”,在需求大功率和高压的工况中得到较为广泛的应用。然而,由于轴向柱塞泵的结构原因,泵中存在着一些只能优化,无法消除的限制。本课题以国家自然科学基金项目“二维(2D)活塞泵及电动液压技术的基础理论研究”和“二维活塞结构的高压海水泵设计方法与机理研究”为背景,针对传统轴向柱塞泵中存在的一些无法避免的结构性限制,提出了高度集成的插装式二维活塞泵的概念以及相关的组合应用。文中通过与传统轴向柱塞泵的对比来说明其优势,并基于插装式二维活塞泵的基本组件—二维活塞泵单元和泵单元组展开研究。在对二维活塞泵单元和泵单元组设计校核后,对二维活塞泵单元中的凸轮曲面基于二维活塞泵的运动规律进行了数学建模,该数学模型可以用于指导二维活塞泵的三维建模和理论分析。随后基于凸轮曲面的数学模型展开了设计方法的程序化研究。同时,基于AMEsim软件建立了插装式二维活塞泵及其组件和传统轴向柱塞泵的仿真模型,通过仿真研究了插装式二维活塞泵及其组件的特性,并就结构性流量脉动这一参数与传统轴向柱塞泵进行了对比。最后通过试验研究二维活塞泵单元组试验样机的运动学特性、空载特性与负载特性,验证了凸轮曲面数学模型的正确性与插装式二维活塞泵能消除结构性流量脉动的特性和具有较高容积效率的特性。论文的主要研究内容和成果如下:(1)针对传统轴向柱塞泵中的限制,采用2D原理,设计了插装式二维活塞泵及其相关的组件—泵单元组来避免上述限制,同时对泵单元组进行了校核。(2)针对插装式二维活塞泵单元中的关键部位即凸轮滚子运动转换机构,分析了其组件间的空间接触关系。以活塞的运动规律为源头,通过空间接触关系的逐步分解,求解建立接触关系的各个参数之间的关联公式,以此建立接触关系的数学模型。基于接触关系的数学模型,利用软件Matlab的编程功能,编制程序,求解凸轮与滚子之间的空间接触坐标,从而对接触曲面进行数学模型化。同时,基于接触曲面的数学模型和二维活塞泵的运动学原理,利用软件Matlab的编程功能,编制设计优化过程的相关程序。(3)利用AMESim软件建立了插装式二维活塞泵及其组件二维活塞泵单元组和传统轴向柱塞泵的液压系统模型和虚拟样机。通过仿真分析了二维活塞泵单元组与传统轴向柱塞泵的流量特性,并通过将两者的流量特性仿真结果进行对比,说明了插装式二维活塞泵能消除结构性流量脉动的可能性。同时通过分析以二进制理论设计的插装式二维活塞泵的流量特性,分析其实现数字变量的可能性。(4)搭建插装式二维活塞泵单元组的试验台,对于活塞泵单元组的运动特性、空载流量特性和压力流量特性进行试验研究。通过高速数据采集系统采集泵芯位移信号与理论值进行对比,分析泵单元中泵芯的运动特性,结合三维扫描曲面,说明曲面数学模型的正确性。空载流量特性曲线中的杂波经过信号频谱分析后,在Matlab软件中通过滤波器过滤了大部分干扰信号,通过过滤后流量特性曲线可以验证二维泵单元组消除结构性流量脉动的特性。最后,通过分析空载流量特性和负载流量特性说明其具有较高的容积效率。综上,本文首次提出并设计了插装式二维活塞泵并对其基本组成部分-二维活塞泵单元组展开了相关的理论、仿真和试验研究。在对泵单元组进行设计校核后,建立了其运动转换机构中接触曲面的数学模型。该数学模型不仅能指导各种型号、各种运动规律的二维活塞泵的设计和优化,还能为二维活塞泵运动学的研究提供理论基础。此外,通过理论分析、仿真研究和试验结果的信号频谱分析,验证了插装式二维活塞泵无结构性流量脉动和容积效率高的特点。
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH137.51
【图文】：

柱塞泵

（来源编号：51775500），起止时间：2018.01.01~2021.12.31。1.1.2 研究背景和意义图1-1 早期柱塞泵[2]Figure 1-1 Early piston pump高功率密度一直是液压技术的一个显著的特点，液压技术正是基于此得到了不断的发展，同时该特性使得液压技术得到了广泛的推广，特别是在农业应用、矿业应用、建筑业应用和航空业应用等行业应用中得到了广泛的使用。其中，柱塞泵作为液压系统的“心脏”，在需求大功率和高压的工况中、在多种工作介质条件下得到较为广泛的应用[1]。如图 1-1 所示，柱塞式液压泵的历史可以回溯到十六世纪后期，1588年 Ramelli 发明的矿井用汲水泵，可以看作是液压柱塞泵的鼻祖[2]。直到 1905 年，Harvey William 与 Reynold Janny 发明了用于军舰炮塔转向的液压装置

轴向柱塞泵,斜轴,结构示意图

柱塞泵 Janny 泵和 Thoma 泵都属于端面配流泵，又因其工作结构特征分别属于斜盘式轴向柱塞泵与斜轴式轴向柱塞泵，两者的结构示意图如图 1-4 所示。图1-4 （a）斜盘式轴向柱塞泵的结构示意图及（b）斜轴式轴向柱塞泵两种泵的结构示意图Figure 1-4 (a) Schematic diagram of swash-plate type axial piston pump and (b) schematic diagramof bent-axis type axial piston pump由于斜轴式轴向柱塞泵除了输出力矩大之外，相较于斜盘式轴向柱塞泵并无较大优势，而其还有结构复杂，工艺性差的缺点，故本文基于斜盘式轴向柱塞泵讨论，以下简称轴向柱塞泵。轴向柱塞泵的应用场合非常广泛，包括用于海水淡化的水介质海水淡化泵、用于矿业和建筑业中重型机械的液压油介质动力泵和用于飞机起落装置、发动机尾喷装置的航空燃油介质动力泵等[4-11]。轴向柱塞泵中存在着一些无可替代的滑动摩擦副，正是因为这些滑动摩擦副间产生的液压支撑力，使泵能通过由缸体旋转带动的柱塞往复运动来实现高速高压的泵吸油功能。理想状态下滑动摩擦副之间的间隙由于静压支撑效应是充满液体的。然而由类型排量 (ml/r) 转速 (r/min) 压力 (MPa)min max min max 工作压力最大压力斜盘式轴向柱塞泵 0.1 500 5-20 300-18000 10-45 60斜轴式轴向柱塞泵 1.5 1000 5-20 500-8000 12-45 50外支承径向柱塞泵 10 2000-65000 1-5 50-800 18-40 45内支承径向柱塞泵 2-10 1000-8000 2-10 300-12000 12-40 25-70直列式柱塞泵 5-10 50-100 2-5 1500-3000 20-50 75-120

阀控,电液,激振,二维

[22-24]。图1-5 二维阀控电液激振阀[29]Figure 1-5 Electro-hydraulic vibration exciter controlled by 2D valve我们团队已经对采用阀芯的复合运动来控制液压系统的流量这一技术做了许多研究[25-28]。在那些研究中有一项为电液激振阀，其对于二维原理的应用使其通过阀芯的复合运动实现了高速配流[29-31]，这为二维原理在新型液压泵中的进一步应用提供了基础。通过这一原理的应用，这种新型泵不仅能吸收上述研究中阀口通过二维运动高速

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