等流量凸輪式軸向柱塞泵設計與特性分析

姚 遠, 張 萌, 張振山, 蘭 海

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等流量凸輪式軸向柱塞泵設計與特性分析

姚 遠, 張 萌, 張振山, 蘭 海

(海軍工程大學 兵器工程系, 湖北 武漢, 430033)

針對魚雷斜盤式軸向柱塞泵的振動噪聲問題,設計了凸輪式軸向柱塞泵這一新型結構的魚雷燃料泵。通過分析其瞬態流量建立了等流量變分方程, 求解方程得到凸輪型線。分析其動力學, 得出柱塞與凸輪之間無硬沖擊或軟沖擊, 且柱塞組可以達到慣性力平衡和慣性力矩平衡。凸輪式軸向柱塞泵的以上特性從原理上保證了其具有低振動噪聲水平, 可用作未來的魚雷燃料泵。

魚雷燃料泵; 等流量; 凸輪式; 柱塞泵

0 引言

斜盤式軸向柱塞泵具有輸出壓力高、容積效率高、流量范圍大和結構緊湊等特點[1], 符合魚雷熱動力系統對燃料增壓的總體要求, 被國內外廣泛采用為魚雷燃料泵。然而, 斜盤式軸向柱塞泵在工作過程中會產生較大的振動與噪聲, 影響魚雷的隱蔽攻擊與潛艇的線導導引。

針對斜盤式軸向柱塞泵的振動噪聲問題, 國內外開展了積極研究, 并取得了大量成果。劉利國分析了流量與壓力脈動的關系, 得到大轉速條件下噪聲的主要來源[2]; R. H. Atkinson研究了振動與噪聲的隔離方法, 給出了減振降噪的具體措施[3]; 液壓專家K. A. Edge對泵的流量脈動進行了計算機仿真, 為仿真技術精確預測斜盤式軸向柱塞泵的振動噪聲開辟了道路[4]; D. N. Johnston應用二次源法測量泵的瞬態流量特性, 完善了現有振動噪聲測試的試驗方法[5], 等等。然而, 上述研究并未從根本上解決斜盤泵的振動噪聲問題。

斜盤式軸向柱塞泵的振動噪聲來源于其幾何脈動(由于泵的固有空間幾何結構而產生的流量脈動)、運動不平衡、配流過程中高低壓的轉換、裝配和摩擦等諸多因素[1,7]。其中, 幾何脈動和轉動不平衡是振動噪聲源的主要組成部分, 其根源于斜盤式柱塞泵的斜盤結構[1,3,7]。為了根除幾何脈動與轉動不平衡, 論文提出了一種新型結構的魚雷燃料泵——凸輪式軸向柱塞泵, 并通過分析該泵瞬態流量建立了等流量變分方程, 求解方程得到凸輪型線。針對機械振動噪聲問題, 研究該泵的動力學特性, 分析柱塞與凸輪之間是否存在硬沖擊或軟沖擊; 研究泵的慣性力和慣性力矩, 分析其運動平衡特性。

1 凸輪式軸向柱塞泵結構設計

斜盤式軸向柱塞泵的斜盤結構決定了柱塞的運動規律, 進而導致其產生幾何脈動[1,3,7]。為從根源上消除幾何脈動, 設計了一種新型結構的柱塞泵——凸輪式軸向柱塞泵, 其部分結構如圖1所示。與斜盤式軸向柱塞泵相比, 凸輪式軸向柱塞泵的動力端由斜盤改為凸輪, 并在柱塞的頭部安裝滾輪。由于壓在柱塞上彈簧推力的作用, 滾輪始終抵在凸輪表面。柱塞上有一導向槽, 與缸體上的導向鍵相配合, 可以防止柱塞產生自轉。工作時, 由動力機械驅動凸輪轉動, 使柱塞按一定的規律作往復運動, 從而泵入和排出魚雷燃料, 實現對燃料的增壓。

圖1 凸輪式軸向柱塞泵局部結構示意圖

該凸輪柱塞泵設計為雙峰雙谷結構, 柱塞為8個, 每2個柱塞之間的相位差為45°?？梢宰C明, 該柱塞泵在工作的任意時刻, 每個凸輪峰與谷之間有且僅有2個柱塞。這樣, 只要凸輪曲線選取得當, 使這2個柱塞吸入或泵出的流量無幾何脈動, 就可使整個凸輪泵流量恒定。

2 無幾何脈動凸輪型線的求解

2.1 無幾何脈動數學分析

如圖1所示, 以任意1個凸輪峰與谷之間的2個柱塞為研究對象, 其運動產生的瞬時流量為

將式(2)代入式(3), 整理得

式(4)為變分方程, 滿足方程的解有等加速曲線、高次正弦曲線、高次余弦曲線等曲線和線性方程的組合, 詳細求解方法和步驟可參考文獻[8]和文獻[9]。從速度和加速度特性考慮, 可采用線性方程和4次正弦曲線的組合, 即

其中,為凸輪峰谷之間的軸向距離, 即柱塞行程。

對其求導可得各柱塞的速度方程為

整理可得

2.2 凸輪型線

凸輪的加工需要知道凸輪的型線, 下面對此加以求解。

凸輪與柱塞上滾輪相互配合工作的結果是柱塞的位移按照式(6)的規律變化, 因此, 凸輪的型線可以借助滾輪與凸輪的接觸點來求解。求解方法與柱塞式魚雷凸輪發動機凸輪型線求解方法相同, 具體求解過程可參考文獻[10]。限于篇幅, 論文直接給出結果, 即凸輪型線的柱面坐標為

其中,

圖2 柱塞行程曲線和凸輪型線

3 機械振動噪聲特性分析

3.1 硬沖擊與軟沖擊特性分析

泵應避免其運動部件之間產生硬沖擊與軟沖擊, 這是對泵的基本要求。該要求可以提高泵的使用壽命, 同時降低振動噪聲。斜盤式軸向柱塞泵滿足這一要求, 凸輪式軸向柱塞泵也應滿足, 下面對此進行分析。

根據式(7)和式(14), 對速度和加速度歸一化處理并仿真, 分別得到如圖3和圖4所示曲線。

由圖2和圖3可以看出, 凸輪型線光滑連續, 柱塞在工作過程中無速度突變, 因而柱塞不會對凸輪產生硬沖擊。由圖4可以看出, 柱塞加速度曲線連續無突變, 因而也不會對凸輪產生軟沖擊?？梢? 凸輪式軸向柱塞泵滿足低振動噪聲泵的基本要求。

圖3 柱塞在1個周期內的速度曲線

圖4 柱塞在1個周期內的加速度曲線

3.2 平衡特性分析

運動平衡可使燃料泵的振動噪聲處于較低水平。在斜盤式軸向柱塞泵中, 柱塞組的往復慣性力與往復慣性力矩之和均為變量, 未達到平衡, 是振動與噪聲的主要來源之一[1]。下面分析凸輪式軸向柱塞泵的平衡特性。

對于凸輪式軸向柱塞泵, 其主要運動部件為凸輪和柱塞, 其中凸輪作旋轉運動, 柱塞作往復運動。由于凸輪關于軸線對稱, 故在運動過程中其內力是平衡的。下面對柱塞組的往復慣性力和往復慣性力矩加以分析。

1) 柱塞組的往復慣性力

利用三角函數的特性, 對式(15)進行整理和簡化, 可得

即在任意時刻, 柱塞組的往復慣性力之和為0, 達到了平衡, 根除了因往復慣性力不平衡產生的振動噪聲。而斜盤式軸向柱塞泵的往復慣性力之和為一變量, 與斜盤傾角及轉速等參量有關, 是機械振動與噪聲的主要來源之一。

2) 柱塞組的慣性力矩

(20)

利用三角函數的特性, 對以上兩式進行整理和簡化可得

即在任意時刻, 柱塞組的往復慣性力矩之和為0, 達到了平衡, 根除了因往復慣性力矩不平衡產生的振動噪聲。而斜盤式軸向柱塞泵的往復慣性力矩之和為一變量, 與斜盤傾角及轉速等參量有關, 是機械振動噪聲的又一主要來源。

由前面的分析可知, 凸輪柱塞泵在工作過程中既無硬沖擊, 也無軟沖擊, 且柱塞組慣性力之和與慣性力矩之和均為0。因此, 只要再控制好凸輪柱塞泵的加工精度和運動副的摩擦等工藝和材料方面的問題, 就可以將凸輪式柱塞泵的機械振動噪聲控制在一個較低的水平。

4 結束語

本文提出并設計了一種新型結構柱塞泵——凸輪式軸向柱塞泵。通過分析其瞬態流量建立了等流量變分方程, 求解方程得到凸輪型線。設計的凸輪式軸向柱塞泵從根本上消除了流量的幾何脈動。通過動力學分析, 得出凸輪式軸向柱塞泵在工作過程中既無硬沖擊, 也無軟沖擊, 且柱塞組的慣性力之和與慣性力矩之和均為0, 具有良好的低機械振動噪聲特性。

總之, 凸輪式軸向柱塞泵具有無幾何脈動、無硬沖擊、無軟沖擊和運動平衡等優點, 從原理上保證其低振動噪聲特性, 較斜盤式軸向柱塞泵具有一定的優越性, 可用作未來的魚雷燃料泵。

本文只是對凸輪式軸向柱塞泵進行了初步研究, 為了將其投入實際應用和獲取更好的低振動噪聲特性, 還有許多方面的工作需要開展, 如配流盤的設計, 配流過程中高低壓轉換時的壓力脈動、運動副之間的摩擦等產生的振動噪聲, 這將是下一步的研究重點和主要研究方向。

[1] 翟培祥. 斜盤式軸向柱塞泵設計[M]. 北京: 煤炭工業出版社, 1978.

[2] 劉利國. 軸向柱塞泵流量-壓力脈動研究[D]. 淮南礦業學院, 1995.

[3] Atkinson R H. Noise Reduction in Vane and Piston Pumps[C]//International Conference on Fluid Power Pro- ceedings, Huntsville Alabama, 1983.

[4] Edge K A. Cylinder Pressure Transients in Oil Hydraulic Pumps with Sliding Plate Valves[C]//Proceeding of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture February, 1986, 200(1): 45-54.

[5] Johnston D N. The ‘Secondary Source’ Method for the Measurement of Pump Pressure Ripple Characteristics. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineer[J]. Journal of Power and Energy, 1990, 204(1): 33-40.

[6] 張長英. 斜盤式軸向柱塞泵的減摩降噪措施[J]. 液壓與氣動, 2013(12): 118-120.Zhang Chang-ying. Measures to Reduce Wear and Lower Noise for Swash-Plate Axial Piston Pump[J]. Chinese Hydraulics & Pneumatics, 2013(12):118-120.

[7] Pettersson M, Weddfelt K, Palmberg J. Methods of Reducing Flow Ripple from Fluid Power piston Pumps: A Theoretical Approach[J]. SAE Transactions, 1991, 100(2): 158-167.

[8] 梁立孚. 變分原理及其應用[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學出版社, 2005.

[9] 黎克英. 葉片式液壓泵和馬達[M].北京: 機械工業出版社, 1992.

[10] 馬世杰. 魚雷熱動力裝置設計原理[M]. 北京: 兵器工業出版社, 1992.

(責任編輯: 陳 曦)

Design and Analysis on Cam Axial Piston Pump with Constant Flow

YAO YuanZHANG MengZHANG Zhen-shanLAN Hai

(Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

To reduce vibration noise of the swashplate axial piston pump of a torpedo, a novel curved cam axial piston pump is designed. Constant flow variation equation is derived through analysis of transient flow. The cam profile lines are obtained by solving the equation. Kinetic analysis of the cam axial piston pump indicates that there is no hard shock or soft shock between the piston and the cam, and the piston group can gain both balances of inertia force and inertia moment. These characteristics of the proposed curvedcam axial piston pump can ensure its low vibration noise level. This curved cam axial piston pump may be applied to future torpedo as a fuel pump.

torpedo fuel pump; constant flow; cam; piston pump

2014-03-18;

2014-04-13.

姚 遠(1992-), 男, 本科, 主要研究魚雷及其保障技術.

TJ630.32; TB535

A

1673-1948(2014)04-0288-05