基于MATLAB/GUI雙作用橢圓軌道滾柱泵人機界面設計*

陳 艦

（江西機電職業技術學院機械工程學院，江西 南昌 330013）

雙作用橢圓軌道滾柱泵是一種能輕易實現大排量的新型容積泵，其構造簡單、技術含量高、加工工藝要求嚴格[1-3]。此泵結合了柱塞泵以及葉片泵的工作原理，充分利用了泵內可周期性變化的容積，是一種功率密度強大的容積泵[4]。由于該滾柱泵的整體性能是通過各種特性綜合起來體現的，所以要設計出一個合適的結構必須把各種參數對泵特性改變的影響考慮進去，這就增加了設計優化的復雜性[5-7]。因此，本文基于MATLAB/GUI設計出一款該泵的特性計算軟件，其采用人機界面的方式處理參數與特性之間的關系，大大減少了參數優化設計的工作量。

1 程序界面結構設計

主程序界面模塊化設計的核心結構包括原始數據輸入模塊、計算功能選擇模塊、計算結果處理模塊。如圖1所示，其中計算功能選擇模塊包含輸出特性的計算和運動動力特性的計算。

圖1 雙作用橢圓軌道滾柱泵特性計算軟件模塊結構圖

如圖2所示，在主程序界面中分別設置了兩種計算模塊的下拉菜單。其中，輸出特性又包括了容積、流量、脈動的計算；運動動力特性包括了定子內壁及軌道、壓力角、運動特性、接觸力、接觸應力、定子內壁應力應變和U型槽應力應變的計算。

圖2 主程序功能選擇模塊

2 主程序功能模塊界面分區

2.1 主程序初始化界面

如圖3所示，在整個主程序初始化界面上，左上方為功能選擇區，該區為用戶選擇對應特性計算以及用戶對數據或者圖形進行保存的選擇區。圖3左邊為參數輸入區域，軟件剛打開會有默認參數；右邊為該泵特性計算后的圖形顯示區域，選擇不同功能后，該功能的計算結果都會在圖中右側顯示。

圖3 主程序界面模塊分區

2.2 參數輸入模塊

軟件初始化界面中參數輸入模塊并沒有開啟，各個參數輸入口是默認禁止輸入的。只有在選定需要計算何種特性后，才可以激活對應的參數輸入模塊；不同特性功能選擇，對參數的選擇有不同的要求。如圖4所示，選擇計算定子內壁曲線時，相應的三個參數（短軸、長軸、滾柱半徑）就會轉變為可輸入或選擇狀態。

2.3 特性計算功能選擇及執行

軟件初始化后，需要對特性計算功能進行選定，才能夠進行特性計算及曲線圖的繪制。如圖4所示，在選定“接觸應力”后，就可以在參數設定后點擊計算按鈕進行定子內壁的計算以及曲線繪制。如圖5所示，在界面的右邊會繪制出定子內壁的曲線。然后可以通過“文件”菜單，將曲線以圖片的形式、數據以Excel表格的形式保存到電腦上。

圖4 定子內壁計算功能時的參數輸入界面

圖5 接觸應力計算結果以及曲線繪制

3 計算功能模塊的編程

每個特性的計算和特性曲線的繪制都是通過主界面調用函數實現的，所以對特性計算函數的編譯是該軟件的核心。下面以運動動力特性計算中的定子內壁的計算為實例，進行調用函數的編譯。

滾柱泵的滾柱是在橢圓軌道上運動的，故其參數方程[4]為：

式中，a為橢圓軌道長軸半徑；b為橢圓軌道短軸半徑；λ為滾柱的轉角。

由于滾柱中心點和滾柱與定子內壁上接觸點的距離正好為滾柱半徑r，且該兩點所在直線與橢圓軌道上滾柱中心的切線垂直。故設定子內壁上的點坐標為（m，n），可以得到：

聯立方程（1）（2）（3）得：

如此便得到了定子內壁的參數方程表達式，所以可以通過MATLAB編譯出定子內壁曲線的繪制函數。編程原理主要是使用function函數調用不同特性的子程序來實現不同特性的計算[8-10]。

程序代碼如下：

4 特性計算應用實例分析

通過人機界面輸入不同的參數，可以幫助設計人員驗證出雙作用橢圓軌道滾柱泵的各種特性是否滿足設計要求。下面以脈動特性為實例展示該GUI軟件的具體應用。

設計參數如下：a為橢圓軌道長軸半徑（單位mm），b為橢圓軌道短軸半徑（單位mm），h為滾柱泵泵厚（單位mm），r為滾柱半徑（單位mm），n為滾柱個數。

設計案例1：a=65 mm，b=54 mm，h=12 mm，r=12 mm，n=6。

設計案例2：a=65 mm，b=54 mm，h=12 mm，r=12 mm，n=7。

通過GUI軟件判斷其他參數相同的情況下，滾柱個數對脈動特性的影響。從圖6和圖7的脈動特性圖的對比可以很直觀地發現，滾柱個數為7時的脈動率只有4%不到，明顯小于滾柱個數為6時的24%。因此，7個滾柱的設計方案要優于6個滾柱的設計方案。

圖6 設計案例1的脈動特性

圖7 設計案例2的脈動特性

5 小結

采用MATLAB/GUI開發的雙作用橢圓軌道滾柱泵的結構設計及特性計算軟件，能夠很好地反映各種參數變化對泵輸出特性以及動力特性的影響。通過人機界面的方式調整參數變化和特性曲線的變化，能夠使設計人員便捷地尋找到最優的參數結構。通過程序編譯代替煩瑣的公式推演，極大地減少了設計的工作量，降低了研究的復雜性，對滾柱泵進一步的研究、推廣和開發有一定的現實意義。