基于一種新型海水液壓泵的動力學分析

謝朝明

（梧州學院，廣西梧州543002）

基于一種新型海水液壓泵的動力學分析

謝朝明

（梧州學院，廣西梧州543002）

通過對海水泵系統(tǒng)等效力學模型的構(gòu)建，描繪出系統(tǒng)從啟動到停止全部三個過程海水泵系統(tǒng)的動力隨時間變化的規(guī)律。建立以回轉(zhuǎn)運動的斜盤為等效構(gòu)件，以斜盤的擺角作為廣義坐標求解所得出的等效轉(zhuǎn)動慣量與等效力矩所構(gòu)成的等效力學模型，進行動力特性分析。并通過等效構(gòu)件有效地將整個系統(tǒng)動力特性折算到等效構(gòu)件上，求解出三個階段海水泵系統(tǒng)的動力特性。

海水柱塞泵；等效轉(zhuǎn)動慣量；等效力矩；動力學分析

筆者已成功開發(fā)設(shè)計一種新結(jié)構(gòu)的斜盤連桿式的軸向柱塞水壓泵，該泵采用油水分離及閥配流結(jié)構(gòu)，它一共有7根連桿、7個柱塞，每根連桿的兩端分別鉸接到斜盤、柱塞，當泵工作時，泵軸帶動斜盤作圓錐擺轉(zhuǎn)，柱塞被連桿帶動，從而達到吸水和壓水。具體結(jié)構(gòu)如下頁圖1所示。

圖1 海水泵總體結(jié)構(gòu)裝配圖

該泵達到技術(shù)目標為：額定工作壓力3.5MPa（最大5MPa），額定流量350L/min，容積效率90%，屬于定量泵。

1 泵的主要運動構(gòu)件

泵體的主要運動構(gòu)件為斜盤和柱塞連桿組件，當泵工作時，缸體不動，主軸帶動斜盤旋轉(zhuǎn)，由于每根連桿的兩端分別與斜盤和相應(yīng)的柱塞鉸接，斜盤作圓錐擺轉(zhuǎn)，通過連桿帶動柱塞，實現(xiàn)吸水和壓水，因此，可將其視為自由度為1的平面搖桿滑塊機構(gòu)進而對其進行動力學分析。

通過NX8.0對上述零件進行建模如下頁圖2及圖3所示。

1.1 活塞連桿：作為組件中的連桿連接斜盤與滑靴

圖2 連桿滑靴

1.2 活塞：作為組件中滑塊做往復(fù)直線運動

圖3 活塞

通過NX8.0建模后，應(yīng)用分析功能測得所需零件的性能參數(shù)：質(zhì)量m，轉(zhuǎn)動慣量J，回轉(zhuǎn)半徑r，質(zhì)心x，及以上設(shè)計所得參數(shù)列出如表1所示。

表1 零件參數(shù)數(shù)據(jù)表

2 柱塞泵的擺動力及擺動力矩

將柱塞泵運動組件等效成平面搖桿滑塊機構(gòu)并對其進行分析。

2.1 建立等效力學模型：

定A為斜盤的質(zhì)心，搖桿長為l1，活塞桿長為l2，鉸鏈點B到連桿的質(zhì)心S2的距離為ls2，活塞的偏心距為e=0.0765，活塞連桿滑靴組件的質(zhì)量為m2，活塞的質(zhì)量為m3，斜盤做角速度為ω的擺動。假定活塞在運動過程中的摩擦阻力忽略不計，且活塞的質(zhì)心與鉸鏈C重合，建立如下圖4所示的運動構(gòu)件受力圖。

圖4 運動構(gòu)件受力圖

2.2 建立動態(tài)靜力分析方程

在對上述構(gòu)件進行受力分析后，應(yīng)用平面機構(gòu)動態(tài)靜力分析法，可推導出搖桿活塞的動態(tài)靜力分析方程：

矩陣BI為8×1列陣，其中包含了3個部件的慣性力和慣性力矩；

矩陣B置零；

矩陣R為8×1列陣，包含了3個部件運動副中的作用反力和作用在搖桿中的力矩，為所求量；

矩陣A為8×8方陣，其中元素與各構(gòu)件的質(zhì)心位置有關(guān)；

求解所得結(jié)果將為柱塞組件的擺動力及對斜盤中心的擺動力矩隨斜盤擺動角度β的變化情況[2]。

為求解單組活塞組件的擺動力及對斜盤中點擺動力矩隨斜盤擺動角度β的變化情況，通過NX8.0建立單組柱塞組件，并將其導入到Abaqus中，對其進行有限元動力分析。得到如下圖5 x方向擺動力、圖6 y方向擺動力和下頁圖7擺動力距所示的活塞組件的動態(tài)特性。Abaqus中采用的是國際單位制，因此力的單位為N，力矩的單位為N/m。

圖5 x方向擺動力

圖6 y方向擺動力

圖7 擺動力距

由圖5和圖6可知x方向的擺動力與擺動弧度為余弦關(guān)系式，而y方向的擺動力與弧度的函數(shù)關(guān)系為正弦函數(shù)。在單個擺動周期內(nèi)，所產(chǎn)生的x方向的擺動力明顯要比y方向的擺動力大得多，因此，海水泵在x方向上的擺動力矩是引起泵體振動的主要激勵。為此，在安裝固定海水泵體時應(yīng)當考慮消除振動對泵體工作所帶來的影響，最主要的是消除沿活塞運動方向的影響[3]。泵體減振可通過以下幾種有效的辦法。

（1）增設(shè)適當?shù)臏p振墊和減震器；

（2）架設(shè)彈簧減振支架；

（3）振動較弱的方位還可采用橡膠墊來消除振動；

3 柱塞泵的等效轉(zhuǎn)動慣量和等效力矩

單自由度系統(tǒng)動力是通過給定系統(tǒng)的運動規(guī)律，來求解機械系統(tǒng)隨時間變化的規(guī)律。通過柱塞滑靴的運動學分析和靜力學分析已經(jīng)求解各個部件的角速度，角加速度以及各部件質(zhì)心的速度和加速度等表達式。通過lagrange機械系統(tǒng)動能定理可求解得出系統(tǒng)等效構(gòu)件的等效轉(zhuǎn)動慣量，進而通過單自由度機械系統(tǒng)的動力學方程求解得出機械系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動慣量及等效力矩隨擺動弧度周期變化的規(guī)律。

3.1 柱塞滑靴的等效轉(zhuǎn)動慣量

建立斜盤、連桿、活塞滑靴組件的單自由度系統(tǒng)，視斜盤為等效構(gòu)件，將系統(tǒng)各構(gòu)件的轉(zhuǎn)動慣量折算到等效構(gòu)件上即可求解系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動慣量。

由等效慣量計算式：

可得

式中：ω1為斜盤轉(zhuǎn)動角速度；

β為斜盤傾角；

θ為斜盤轉(zhuǎn)動角；

D為斜盤直徑；

3.2 柱塞滑靴的等效力矩

斜盤作為等效構(gòu)件做定點擺動運用動力學方程的能量形式：

則由上述可得等效力矩的表達式：

以等效構(gòu)件運動學模型表示系統(tǒng)的動力形態(tài)，是求解單自由度系統(tǒng)動力學問題的重要原理。因此，對于海水泵的運動系統(tǒng)而言，建立以回轉(zhuǎn)運動的斜盤為等效構(gòu)件，以斜盤的擺角作為廣義坐標求解所得出的等效轉(zhuǎn)動慣量與等效力矩所構(gòu)成的等效力學模型，進行動力特性分析。通過已構(gòu)建的力學模型便可求解出泵總體的運動參量在不同情況的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，下頁圖8為等效構(gòu)件斜盤在運動和穩(wěn)態(tài)時刻鉸鏈處和質(zhì)心處的速度與擺角關(guān)系圖，該圖說明了當系統(tǒng)進入穩(wěn)定狀態(tài)后，等效力學模型的速度和周期性變化[4]。

圖8 等效構(gòu)件的穩(wěn)態(tài)速度變化

總而言之，機械系統(tǒng)的動力形態(tài)全過程包括三個階段：啟動階段、穩(wěn)定階段和停車階段的響應(yīng)。通過對海水泵系統(tǒng)等效力學模型的構(gòu)建，便可描繪出系統(tǒng)從啟動到停止全部三個過程海水泵系統(tǒng)的動力隨時間變化的規(guī)律。其中，對于海水泵的穩(wěn)定運行階段，擺動力作為主要激振力呈周期性變化。因此系統(tǒng)的擺動力及擺動力矩是研究系統(tǒng)穩(wěn)定階段振動、提高工作精度和可靠性的重要因素。而在啟動階段和停車階段的過渡歷程中，會產(chǎn)生較大的動載荷，載荷非穩(wěn)定，因此構(gòu)建等效力學模型，通過等效構(gòu)件有效地將整個系統(tǒng)動力特性折算到等效構(gòu)件上，由此便能夠求解出三個階段海水泵系統(tǒng)的動力特性。

[1]李壯云.液壓氣動與液力工程手冊[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.

[2]雷天覺.液壓工程手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,1997

[3]席平原.應(yīng)用MATLAB工具箱實現(xiàn)機械優(yōu)化設(shè)計[J].機械設(shè)計與研究,2003(3):59-63.

[4]徐繩武.液壓柱塞泵[M].北京:機械工業(yè)出版社,1984.

A Dynam ic Analysis Based on a New Type of Seawater Hydraulic Pum p

Xie Zhaom ing
(W uzhou University,W uzhou 543002,China)

By structuring an equivalentmodel system of seawater pump,this paper illustrates the law of dynamic changes over time during all the three stages from starting to stopping of the system of seawater pump.Then,an analysis of dynamic characteristics ismade on the basis of structuring an equivalent components of rotary swash plate,where an equivalent dynamic model is obtained, consisting of equivalent rotary inertia and equivalentmomentwhich is solved by taking the tilt angle of the swash plate as a general coordinate.Finally,by converting all the effective characteristics of the whole system into the equivalent components,the dynamic characteristics of the seawater pump system are solved.

seawater plunger pump;equivalent rotary inertia;equivalentmoment;dynamic analysis

O59

A

1673-8535(2013)03-0029-08

謝朝明（1970-），男，江西吉安人，梧州學院電子信息工程系工程師，研究方向：動力應(yīng)用。

（責任編輯：高堅）

2013-04-16