【摘要】：較高的功率密度是液壓技術(shù)的一個顯著的特點,這使得其在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用,特別是在作為執(zhí)行器和動力源的場合。其中,軸向柱塞泵作為液壓系統(tǒng)的“心臟”,在需求大功率和高壓的工況中得到較為廣泛的應(yīng)用。然而,由于軸向柱塞泵的結(jié)構(gòu)原因,泵中存在著一些只能優(yōu)化,無法消除的限制。本課題以國家自然科學基金項目“二維(2D)活塞泵及電動液壓技術(shù)的基礎(chǔ)理論研究”和“二維活塞結(jié)構(gòu)的高壓海水泵設(shè)計方法與機理研究”為背景,針對傳統(tǒng)軸向柱塞泵中存在的一些無法避免的結(jié)構(gòu)性限制,提出了高度集成的插裝式二維活塞泵的概念以及相關(guān)的組合應(yīng)用。文中通過與傳統(tǒng)軸向柱塞泵的對比來說明其優(yōu)勢,并基于插裝式二維活塞泵的基本組件—二維活塞泵單元和泵單元組展開研究。在對二維活塞泵單元和泵單元組設(shè)計校核后,對二維活塞泵單元中的凸輪曲面基于二維活塞泵的運動規(guī)律進行了數(shù)學建模,該數(shù)學模型可以用于指導二維活塞泵的三維建模和理論分析。隨后基于凸輪曲面的數(shù)學模型展開了設(shè)計方法的程序化研究。同時,基于AMEsim軟件建立了插裝式二維活塞泵及其組件和傳統(tǒng)軸向柱塞泵的仿真模型,通過仿真研究了插裝式二維活塞泵及其組件的特性,并就結(jié)構(gòu)性流量脈動這一參數(shù)與傳統(tǒng)軸向柱塞泵進行了對比。最后通過試驗研究二維活塞泵單元組試驗樣機的運動學特性、空載特性與負載特性,驗證了凸輪曲面數(shù)學模型的正確性與插裝式二維活塞泵能消除結(jié)構(gòu)性流量脈動的特性和具有較高容積效率的特性。論文的主要研究內(nèi)容和成果如下:(1)針對傳統(tǒng)軸向柱塞泵中的限制,采用2D原理,設(shè)計了插裝式二維活塞泵及其相關(guān)的組件—泵單元組來避免上述限制,同時對泵單元組進行了校核。(2)針對插裝式二維活塞泵單元中的關(guān)鍵部位即凸輪滾子運動轉(zhuǎn)換機構(gòu),分析了其組件間的空間接觸關(guān)系。以活塞的運動規(guī)律為源頭,通過空間接觸關(guān)系的逐步分解,求解建立接觸關(guān)系的各個參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)公式,以此建立接觸關(guān)系的數(shù)學模型�；诮佑|關(guān)系的數(shù)學模型,利用軟件Matlab的編程功能,編制程序,求解凸輪與滾子之間的空間接觸坐標,從而對接觸曲面進行數(shù)學模型化。同時,基于接觸曲面的數(shù)學模型和二維活塞泵的運動學原理,利用軟件Matlab的編程功能,編制設(shè)計優(yōu)化過程的相關(guān)程序。(3)利用AMESim軟件建立了插裝式二維活塞泵及其組件二維活塞泵單元組和傳統(tǒng)軸向柱塞泵的液壓系統(tǒng)模型和虛擬樣機。通過仿真分析了二維活塞泵單元組與傳統(tǒng)軸向柱塞泵的流量特性,并通過將兩者的流量特性仿真結(jié)果進行對比,說明了插裝式二維活塞泵能消除結(jié)構(gòu)性流量脈動的可能性。同時通過分析以二進制理論設(shè)計的插裝式二維活塞泵的流量特性,分析其實現(xiàn)數(shù)字變量的可能性。(4)搭建插裝式二維活塞泵單元組的試驗臺,對于活塞泵單元組的運動特性、空載流量特性和壓力流量特性進行試驗研究。通過高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集泵芯位移信號與理論值進行對比,分析泵單元中泵芯的運動特性,結(jié)合三維掃描曲面,說明曲面數(shù)學模型的正確性�？蛰d流量特性曲線中的雜波經(jīng)過信號頻譜分析后,在Matlab軟件中通過濾波器過濾了大部分干擾信號,通過過濾后流量特性曲線可以驗證二維泵單元組消除結(jié)構(gòu)性流量脈動的特性。最后,通過分析空載流量特性和負載流量特性說明其具有較高的容積效率。綜上,本文首次提出并設(shè)計了插裝式二維活塞泵并對其基本組成部分-二維活塞泵單元組展開了相關(guān)的理論、仿真和試驗研究。在對泵單元組進行設(shè)計校核后,建立了其運動轉(zhuǎn)換機構(gòu)中接觸曲面的數(shù)學模型。該數(shù)學模型不僅能指導各種型號、各種運動規(guī)律的二維活塞泵的設(shè)計和優(yōu)化,還能為二維活塞泵運動學的研究提供理論基礎(chǔ)。此外,通過理論分析、仿真研究和試驗結(jié)果的信號頻譜分析,驗證了插裝式二維活塞泵無結(jié)構(gòu)性流量脈動和容積效率高的特點。
【學位授予單位】：浙江工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TH137.51
【圖文】：

（來源編號：51775500），起止時間：2018.01.01~2021.12.31。1.1.2 研究背景和意義圖1-1 早期柱塞泵[2]Figure 1-1 Early piston pump高功率密度一直是液壓技術(shù)的一個顯著的特點，液壓技術(shù)正是基于此得到了不斷的發(fā)展，同時該特性使得液壓技術(shù)得到了廣泛的推廣，特別是在農(nóng)業(yè)應(yīng)用、礦業(yè)應(yīng)用、建筑業(yè)應(yīng)用和航空業(yè)應(yīng)用等行業(yè)應(yīng)用中得到了廣泛的使用。其中，柱塞泵作為液壓系統(tǒng)的“心臟”，在需求大功率和高壓的工況中、在多種工作介質(zhì)條件下得到較為廣泛的應(yīng)用[1]。如圖 1-1 所示，柱塞式液壓泵的歷史可以回溯到十六世紀后期，1588年 Ramelli 發(fā)明的礦井用汲水泵，可以看作是液壓柱塞泵的鼻祖[2]。直到 1905 年，Harvey William 與 Reynold Janny 發(fā)明了用于軍艦炮塔轉(zhuǎn)向的液壓裝置

柱塞泵 Janny 泵和 Thoma 泵都屬于端面配流泵，又因其工作結(jié)構(gòu)特征分別屬于斜盤式軸向柱塞泵與斜軸式軸向柱塞泵，兩者的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1-4 所示。圖1-4 （a）斜盤式軸向柱塞泵的結(jié)構(gòu)示意圖及（b）斜軸式軸向柱塞泵兩種泵的結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1-4 (a) Schematic diagram of swash-plate type axial piston pump and (b) schematic diagramof bent-axis type axial piston pump由于斜軸式軸向柱塞泵除了輸出力矩大之外，相較于斜盤式軸向柱塞泵并無較大優(yōu)勢，而其還有結(jié)構(gòu)復雜，工藝性差的缺點，故本文基于斜盤式軸向柱塞泵討論，以下簡稱軸向柱塞泵。軸向柱塞泵的應(yīng)用場合非常廣泛，包括用于海水淡化的水介質(zhì)海水淡化泵、用于礦業(yè)和建筑業(yè)中重型機械的液壓油介質(zhì)動力泵和用于飛機起落裝置、發(fā)動機尾噴裝置的航空燃油介質(zhì)動力泵等[4-11]。軸向柱塞泵中存在著一些無可替代的滑動摩擦副，正是因為這些滑動摩擦副間產(chǎn)生的液壓支撐力，使泵能通過由缸體旋轉(zhuǎn)帶動的柱塞往復運動來實現(xiàn)高速高壓的泵吸油功能。理想狀態(tài)下滑動摩擦副之間的間隙由于靜壓支撐效應(yīng)是充滿液體的。然而由類型 排量 (ml/r) 轉(zhuǎn)速 (r/min) 壓力 (MPa)min max min max 工作壓力 最大壓力斜盤式軸向柱塞泵 0.1 500 5-20 300-18000 10-45 60斜軸式軸向柱塞泵 1.5 1000 5-20 500-8000 12-45 50外支承徑向柱塞泵 10 2000-65000 1-5 50-800 18-40 45內(nèi)支承徑向柱塞泵 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

[22-24]。圖1-5 二維閥控電液激振閥[29]Figure 1-5 Electro-hydraulic vibration exciter controlled by 2D valve我們團隊已經(jīng)對采用閥芯的復合運動來控制液壓系統(tǒng)的流量這一技術(shù)做了許多研究[25-28]。在那些研究中有一項為電液激振閥，其對于二維原理的應(yīng)用使其通過閥芯的復合運動實現(xiàn)了高速配流[29-31]，這為二維原理在新型液壓泵中的進一步應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。通過這一原理的應(yīng)用，這種新型泵不僅能吸收上述研究中閥口通過二維運動高速

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本文編號：2790516