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圆柱凸轮柱塞泵动力学研究

陈纪伟  
【摘要】:圆柱凸轮柱塞泵是通过具有特殊轮廓曲线的圆柱凸轮机构改变柱塞的运动规律,使其流量和压力基本无波动,流量不均度理论上为零。与传统的曲柄连杆机构往复泵相比,它零部件数量少、体积小、重量轻;同时,圆柱凸轮柱塞泵采用交流电动机驱动,不需要更换缸套尺寸,直接改变电动机转速就可以得到需要的大排量。此外,与传统往复泵相比,圆柱凸轮柱塞泵更易实现长冲程、低冲次的目的。为了揭示圆柱凸轮柱塞泵的运动和动力学特性,找出其运动状态以及各零部件之间的作用力大小和变化规律,本文以机械系统动力学为基础,展开了以下几个方面的工作: (1)在圆柱凸轮柱塞泵工作机理分析的基础上,对其进行了结构研究,得出了该柱塞泵主要零部件的结构尺寸,并利用pro/E建立了柱塞泵三维模型,为后续的动力学研究奠定了基础; (2)结合系统动力学研究方法,建立了圆柱凸轮柱塞泵动力端的刚性和弹性动力学微分方程,并通过Simulink搭建了其仿真模型。在此基础上,考虑到柱塞泵液力端的影响,提出了基于AMESim和Simulink仿真平台的圆柱凸轮柱塞泵联合仿真方法,并建立了联合仿真模型; (3)结合以上仿真结果,对圆柱凸轮柱塞泵刚性与弹性动力学特性进行了对比分析,并讨论了圆柱凸轮柱塞泵泵阀的工作特性对系统流量及压力的影响,同时分析了相位误差对该柱塞泵排量的影响; (4)圆柱凸轮柱塞泵动力端采用凸轮系统传动,接触应力大、容易失效,本文利用赫兹理论计算了圆柱凸轮副接触应力大小,并对其进行了接触强度校核,结果表明该柱塞泵的圆柱凸轮副满足接触强度要求。 本文的研究结果表明,在考虑零部件弹性变形的情况下,该柱塞泵各零部件受到的动载荷较刚性有所增加,同时柱塞泵的流量和排出压力也在一定程度上受到零部件弹性变形的影响;其次,泵阀的开启和关闭压力滞后对该柱塞泵的流量不均度造成了较大的影响;此外,通过相位误差分析,找出了柱塞泵的流量不均匀度随相位误差角变化的规律。以上分析结果对圆柱凸轮柱塞泵的设计、制造和维护具有重要的指导意义和工程实用价值。


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