（光学工程专业论文）基于虚拟样机技术的三缸内燃式水泵动力学研究.pdf

r a c t k i n do fp u m pw h i c hi n t e g r a t e sp i s t o nt y p ei n t e r n a l t r a n s f o r mh e a te n e r g yp r o d u c e db yf u e li n t of l u i d p r e s s u r ee n e r g y t h em a i np a r to ft h et h r e e - c y l i n d e ri n t e m a lc o m b u s t i o nw a t e rp u m pd y n a m i c p r o t o t y p ei se s t a b l i s h e dw i t hs o f t w a r es o l i d w o r k sa n da d a m s t h ed y n a i i l i cp a r a m e t e r so ft h et h r e e - c y l i n d e ri n t e m a lc o m b u s t i o nw a t e rp u m pi ns e l e c t e dw o r k c o n d i t i o na r eo b t a i n e dt h r o u g hd y n a m i cs i m u l a t i o n ，t h es m o o t h n e s so fo p e r a t i o na n dd y n a m m f e a t u r e si nd i f f e r e n tw o r kc o n d i t i o n sa r es t u d i e d ，t h e o r e t i c a li n s t a n t a n e o u sf l o wa n dp u l s a t i n gf e a t u r e a r ea n a l y z e da n dc a l c u l a t e da c c o r d i n gt os i m u l a t i o nr e s u l t s t h ec y l i n d e rh e a db o l t so ft h et h r e e - c y l i n d e ri n t e m a lc o m b u s t i o nw a t e rp u m pa r eu n d e rd y n a m i c l o a da n df a t i g u ef a i l u r ei se a s yt oh a p p e n i no r d e rt oe n s u r ei t ss a f e t yi ng i v e nt i m ea n dl o a d ， r e l i a b i l i t ys t u d yi np r o b a b i l i t ya n a l y s i si sd i d t h er e l i a b i l i t ym a t h e m a t i cm o d e lo ft h ec y l i n d e rh e a d b o n si se s t a b l i s h e dc o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c eo fo v e r t u r n i n gm o m e n ti nd i f f e r e n tt i m e ，c o m b i n e dw i t h d y n a m i cs i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ef i d u c i a r yl e v e li sc a l c u l a t e do u ta n dt h er e s u l ti s0 9 9 4 8w h i c hs a t i s f y s d e s i g nr e q u i r e m e n t k e yw o r d s ：i n t e r n a lc o m b u s t i o nw a t e rp u m p ；d y n a m i cs i m u l a t i o n ；r e l i a b i l i t y 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 - 2 国内外相关研究2 1 2 1 数字式液压控制泵2 1 2 2 螺杆泵3 1 2 3 离心式水泵4 1 2 4 液压自由活塞发动机( h f p e ) 5 1 2 5 内燃机一柱塞泵组合系统6 1 2 6 内燃式水泵7 1 3 课题研究的主要内容8 第二章三缸内燃式水泵动力学仿真及仿真结果分析9 2 1 三缸内燃式水泵工作原理和结构设计9 2 1 1 三缸内燃式水泵工作原理9 2 1 2 三缸内燃式水泵结构设计1 0 2 2 虚拟样机技术及a d a m s 软件介绍1 1 2 2 1 虚拟样机技术简介1 l 2 2 2a d a m s 软件介绍1 2 2 3 三缸内燃式水泵虚拟样机的建立及仿真1 2 2 3 1 模型的导入和材料设置1 4 2 3 2 约束和运动副的施加1 5 2 3 3 载荷和力的计算与施加1 5 2 4 仿真结果及分析1 9 2 4 1 三缸内燃式水泵标定工况性能1 9 2 4 2 柱塞滑块组件在不同质量情况下对水泵性能的影响2 3 2 4 3 不同工况下性能对比2 5 2 4 4 理论瞬时流量和脉动性2 8 第三章缸盖螺栓可靠性分析3 2 3 1 三缸内燃式水泵缸盖螺栓联接可靠性数学模型3 2 3 1 1 确定设计准则3 2 3 1 2 选材、确定螺栓强度分布3 3 3 1 3 螺栓应力分析3 3 3 1 4 数学表达式3 7 3 2 三缸内燃式水泵缸盖螺栓可靠性计算3 8 第四章结论与展望4 0 4 1 结论4 0 4 2 展望4 1 参考文献4 2 攻读学位期间的研究成果4 5 致谢4 6 学位论文独创性声明4 7 学位论文知识产权权属声明4 7 青岛大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 水泵作为我国工业领域最主要的耗能设备之一，用量大，涉及面广，被广泛应 用于国民经济各个领域，其耗电量约占全国总发电量的2 0 左右。与此同时我国的 能源问题日趋紧张，已经成为制约我国经济发展的一个重要因素。因此，研究和探 讨水泵的节能途径与措施，提高水泵的效率，降低能耗，对我国的节能工作具有重 要意义。本课题研究对象属创新型自主技术，相对于传统技术能够明显地节约能源 和降低材料消耗。 传统的柱塞式水泵由活塞式内燃机驱动，能量转换组合系统由活塞式内燃发动 机和柱塞式水泵组成，虽然有时直接将其设计组合为一个整体系统，用一个底盘将 内燃式发动机和柱塞式水泵安装组合在一起，但其本质仍是将动力经过两套曲柄连 杆机构进行传递。活塞式内燃机仅能将热能转换为旋转机械能，柱塞式水泵仅能将 旋转机械能转换为流体液压能，它们分别属于两个不同的技术领域，是两个独立的 单元装置，相应的科学技术研究及其应用已经比较成熟。这种能量组合系统的缺点 是包含了两套曲柄连杆机构，活塞、柱塞与气缸壁之间磨损及额外热负荷比较严重， 活塞柱塞之间侧向力大，曲柄连杆机构受力强度大，系统运转不平稳，不均匀度大。 传统的活塞式内燃发动机柱塞式水泵能量组合系统存在多个相互独立的环节，能量 转换过程中需要先将热能转换为机械能，再将机械能转换输出为流体静压能，运动 方面先是将直线运动转换为旋转运动，再将旋转运动转换为直线运动，存在系统能 量转换效率低下、传递路线长，生产和运行成本高昂，装备复杂笨重，使用不便且 不环保等诸多缺点，使用面受到很大限制。 青岛大学在国家自然科学基金和地方科研基金的资助下，经过比较深入的研 究，首次提出了内燃式水泵的概念。内燃式水泵是一种新概念水泵，它吸收液压自 由活塞发动机h f p e ( h y d r a u l i cf r e ep i s t o ne n g i n e ) 利用活塞直线往复运动直接将 热能转换为流体压力能的工作原理，同时吸收传统活塞式内燃发动机的诸多优点， 从工作机理上将柱塞式水泵与活塞式内燃机集成，克服了传统内燃式发动机柱塞式 水泵能量组合系统的诸多缺点，保留了h f p e 利用活塞往复运动直接进行能量转换 和传统内燃机技术成熟、工作可靠的优点，形成的一种新型动力装置，具有极大的 产业化价值。 内燃式水泵在城市给排水、油田注水、消防给水、农业排灌等领域具有极大的 第一章绪论 应用前景，同时可作为一种液压发动机。青岛大学已研制出单缸内燃式水泵，可提 供高压水力，但单缸内燃式水泵存在流量脉动大、输出功率小等问题，难以满足实 际应用中的要求。在此背景下，青岛大学对三缸内燃式水泵展开了研究，本课题利 用虚拟样机技术对其进行运动学及动力学方面的仿真并进行相关试验研究，为三缸 内燃式水泵的应用和推广提供理论依据。 1 2 国内外相关研究 国内外与内燃式水泵在结构原理与功能特点上相关的研究主要有数字式液压 控制泵、螺杆泵、离心泵、液压自由活塞发动机、内燃机柱塞泵组合系统，下面将 分别予以介绍。 1 2 1 数字式液压控制泵 数字式液压控制泵1 1 l 可实现精确的压力控制，主要用于一些需要精确控制压力 或低压力控制的场合，如高精度压力试验机、微动顶升缸、微位移地展仪、土坡微 压试验机等。其主体部件结构原理如图1 1 所示。 li1 图1 1 数字式液压控制泵的主体部件结构原理 主体部件由壳体1 、活塞2 、柱塞3 、支架4 、滚珠丝杆6 、螺母套7 和换向( 或定 位) 用的磁电式行程开关5 和8 组成。该双向液压泵由步进电机9 驱动滚珠丝杆6 实现 正、反转，通过螺母套7 带动壳体7 作往复运动。数字式压力控制泵的工作原理为： 先由单片机控制器根据设定的控制程序驱动步进电机，再由步进电机驱动器( 含步 进电机和高精度滚柱丝杆) 带动数字式电液比例控制泵( 泵体和配油机构的组合件) 往复运动，使液体压力达到设定值并保持恒定( 也可控制输出流量) 。这个被控量 可反馈回单片机的输人端，进行精确的闭坏压力( 或流量) 控制。 2 青岛大学硕士学位论文 数字式压力控制泵具有机械结构通用，微机控制部分编程简单灵活，配上模块 化设计的程序模块可实现多种功能( 流量、压力、溶液计量等) 控制。步进电机经 细分控制后分辨率大大提高，尤其适合于小流量、微压变的高精度控制等优点，加 上较低的开发成本，相信产品一定会有良好的应用前景。 1 2 2 螺杆泵 螺杆泵属容积式转子泵，它是由泵内螺杆齿形与泵套形成的若干密封腔的位移 来吸人和排出液体的。它广泛应用于海上平台工程、石油化工、航运、电力、机械 液压系统、食品、造纸、制糖、军工和污水处理等工业部门【2 羽。 螺杆泵按螺杆数目通常分为单、双、三和五螺杆泵，各有优点。单螺杆泵的结 构如图1 2 所示。 图1 2 单螺杆泵结构图 单螺杆泵是一种内啮合的密封式转子型容积泵，内孔呈螺旋槽状，泵套一般由 非金属弹性材料制成，一条螺旋状的金属螺杆和它之间形成若干个密封腔。单螺杆 泵通过金属螺杆的偏心旋转运动实现密封腔由泵的低压区向高压区的转移，从而形 成压力完成泵入、泵出液体的过程，单螺杆泵通常用于工作压力不高的场合，也可 以用于输送含固体颗粒杂质和高粘度介质的液体。 双螺杆泵属于非严格密封型螺杆泵，工作压力不高，输送介质粘度范围比较宽 广，支持固体液体混合输出、气体液体混合输出，同时可输送粘度范围宽广的非 牛顿液体，因此广泛应用于石油、化工、食品、污水处理等诸多行业，受到业界的 好评。双螺杆泵结构如图1 3 所示。 主 并 图1 3 双螺杆泵结构图 3 第一章绪论 双螺杆泵内有两个相割的圆柱腔，泵套由金属材料制成，泵腔内2 条螺杆相互 啮合，主螺杆由动力机械驱动转动，齿轮带动从动螺杆转动，由于两根螺杆的螺纹 方向相反，螺杆做旋转啮合运动时，会形成泵密封腔，密封腔从低压区移至高压区， 泵出介质。 三螺杆泵和五螺杆泵的结构和工作原理在此不再赘述。下面介绍一种新型的潜 水式单螺杆泵，其结构如图1 4 所示。 图1 4 潜水式螺杆泵结构 潜水式螺杆泵主要由潜水电机、密封室、万向联轴节和泵体四部分组成。潜水 电机驱动螺杆转动，螺杆与衬套之间的容积发生变化，从而形成流量和扬程。潜水式 螺杆泵潜入水中工作，形成入口倒灌流念，故一般没有汽蚀问题。 螺杆泵压力和流量范围宽广，吸入性能好，并且具有自吸能力，振动小、流量 平稳、均匀，泵内螺杆等回转部件惯性力低，可使用很高转速，可输送的液体介质 种类和粘度范围宽广，泵内流体流动时容积不变，不发生瑞流搅动和脉动，可实现 气体、固体、液体多相混输，也可输送腐蚀性介质，并可用于药剂填充和计量，且 安装保养容易，缺点是对螺杆的加工和装配要求较高。 1 2 3 离心式水泵 离心式水泵是依靠叶轮旋转时产生的离心力来输送液体的泵。它使用范围广， 运行安全可靠，结构简单，维修方便 6 - 7 1 。离心式水泵的基本构造为叶轮、泵体、泵 轴、轴承、密封环、填料函。叶轮是离心式水泵的核心部分，它转速高、出力大， 叶轮上的叶片又起到主要作用，叶轮在装配f i 要通过静平衡实验。叶轮表面要求光 滑，以减少水流的摩擦损失。泵体是离心式水泵的主体，起着支撑固定作用，并与 安装轴承的托架相连接。泵轴是借联轴器和电动机相连接，将电动机的转矩传给叶 轮。密封环是安装在泵壳内缘和叶轮外缘结合处的构件，它安装的质量直接影响到 泵的出水量。填料函是为了封闭泵壳与泵轴之间的空隙，不让泵内的水流到外面去， 也不让外面的空气进入泵内。 离心式水泵的工作原理为叶轮内的液体受到叶片的推动而与叶片共同旋转。由 4 青岛大学硕士学位论文 旋转而产生的离心力，使液体由中心向外运动，并获得动量增量。在叶轮外周，液 体被甩出至蜗卷形成流道中。由于液体速度的减低，部分动能被转换成压力能，从 而克服排出管道的阻力不断外流。叶轮吸入口处的液体因向外甩出而使吸入口处形 成低压( 或真空) ，因而吸入池中的液体在液面压力( 通常为大气压力) 作用下源 源不断地压入叶轮的吸入口，形成连续的抽送作用。由此可知，一般离心式水泵不 能自吸，起动前必须在泵和吸入管道内灌满液体。 1 2 4 液压自由活塞发动机( h f p e ) 液压自由活塞发动机h f p e ( h y d r a u l i cf r e ep i s t o ne n g i n e ) 继承和发展了自由活 塞发动机和静液复合驱动技术，综合微电子技术、控制技术、现代液压技术及内燃 机技术，将内燃机和液压泵集成为一体，利用液压油作为传输介质形成的一种新型 复合发动机【& l l l 。在液压自由活塞发动机的研究方面，美国、欧洲、日本等国均有 课题组从事本课题的研究，中国的哈尔滨工业大学、青岛大学、浙江大学和同济 大学也开展了液压自由活塞发动机方面的研究工作，并取得了阶段性成果。 液压自由活塞发动机的基本工作原理是：相对于传统的活塞式内燃机变量液压 泵组合系统，将泵柱塞和发动机活塞直接集成到活塞式内燃机的动力活塞上，省去 将活塞直线往复运动转换为旋转运动的曲柄连杆机构和液压泵中将旋转运动转换 为直线运动的斜盘机构。这样既保留了液压复合驱动系统的主要优点和特性，又缩 短了传动链，省去了不同运动之间的反复转换，优化了能量传输形式，提高了能量 传输效率，并可实现动力传动装置的柔性调节。 液压自由活塞发动机直接利用活塞的直线往复运动，实现燃料燃烧产生的热能 和液体静压能之间的转换，其基本工作原理如图1 5 所示。 ( a ) 单活塞式；( b ) 对置活塞式；( c ) 双活塞式；1 - 动力腔；2 - | 口i 程腔；3 - 采腔 图1 5h e p e 工作原理及分类 液压自由活塞发动机按照活塞数目和放置的不同可分为单活塞式、对置活塞 式和双活塞式三种。h f p e 的能量转换在三个工作室中实现，工作室中含有活塞 5 第一章绪论 柱塞杆。第一工作室将燃料燃烧产生的热能转换为活塞柱塞杆的直线机械能， 称之为动力腔或者燃烧室，与传统的二冲程内燃机有着相同的能量转换原理；第 二工作室通过与之相连的液压储能器实现活塞柱塞杆的回程动作，称之为回程 腔；第三工作室为泵腔，与柱塞泵工作机理相同，将活塞柱塞杆机械能转换为 流体液压能，也称之为有效动力输出室。 液压自由活塞发动机具有以下优点：( 1 ) 省去了曲柄连杆机构，运动自由；( 2 ) 一个工作循环只包含两个冲程，效率高；( 3 ) 零件数量少，无飞轮，体积较小重量较 轻：( 4 ) 传动链短，能量的传输和转换效率高；( 5 ) 活塞与缸体之间没有侧向力；( 6 ) 保留了液压复合驱动系统的优点；( 7 ) 可使用范围宽广的燃料，利用效率高，低排放 低污染。 液压自由活塞发动机虽有其优越性，但是存在以下关键问题没有解决：( 1 ) h f p e 机理。由于h f p e 的特殊性，对其机理研究尚处于探索阶段。包括喷油系统、 混合气的形成、燃烧室形状、燃烧过程及多相流的传热传导过程等机理。( 2 ) 高性 能辅助阀系的研究和开发。( 3 ) 控制问题。主要包括流量控制、压缩比控制、最大 活塞频率控制、燃料注入量控制和喷射定时控制等。( 4 ) 振动问题和同步问题。 另外，液压自由活塞发动机还存在着以下缺点：( 1 ) 无固定止点和行程，回程 困难，难以控制。( 2 ) 一个工作循环只能在两个冲程内完成，输出动力仅为流体动 力。( 3 ) 启动系统难以解决。( 4 ) 附属系统驱动困难，难以实现定时、协调工作， 多缸工作更是如此。由于关键问题难以解决，技术实现难度太大，液压自由活塞发 动机难以实现实用化。 1 2 5 内燃机柱塞泵组合系统 目前广泛使用的传统的内燃机柱塞泵组合系统工作原理如图1 6 所示。 1 活寨；2 - 活塞连杆：3 活塞l 卅柄；4 中问环节；5 动力分配箱：6 柱察曲柄；7 柱塞连杆；8 - 柱塞；9 配 流阀 图1 6 活塞式内燃机柱塞式水泵组合系统工作原理 6 青岛人学硕士学位论文 活塞式内燃机经过进气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程一个工作循环， 将燃料燃烧产生的热能转换为活塞往复运动的机械能，通过曲柄连杆机构将活塞往 复直线运动的机械能转换为旋转机械能输出，然后通过中间环节实现机械动力参数 的改变并将旋转机械能传输到柱塞式水泵，通过柱塞式水泵的曲柄连杆机构和斜盘 机构将旋转机械能转变为柱塞往复直线运动的机械能，最后通过柱塞式水泵柱塞和 配流阀等附属机构将往复直线运动机械能转变为水压能输出，从而改变泵腔内压 力，实现吸水和泵水功能。 1 2 6 内燃式水泵 针对内燃机柱塞式水泵组合系统和液压自由活塞发动机( h f p e ) 存在的诸多 问题，青岛大学在国家和地方基金资助下，经过比较深入的研究，首次提出了内燃 式水泵1 1 2 - 2 1 j 的概念，并成功研制了单缸内燃式水泵样机，通过仿真分析和样机试验， 效果比较理想。内燃式水泵直接将燃料燃烧产生的热能转换成水压能，省去了传统 内燃机柱塞式水泵组合系统中的中间传递环节，解决了传统的由内燃机驱动的柱塞 泵系统存在的系统能量转换、传递路线长，效率低，能源浪费严重的问题。内燃式 水泵的工作原理如图1 7 所示。 第一1 ：住摩 确力浦菇 联接牟f 梓震 第二工捧帑 镣向潦块 第三工作毒 图1 7 内燃式水泵结构原理图 内燃式水泵由缸体、动力活塞、柱塞、导向滑块、联接杆、曲柄连杆机构等主 要部件组成。另外，配气、冷却、润滑、启动、点火、燃料供给、稳压及控制系统 等构成内燃式水泵的辅助系统，用以协调保证主机正常工作，并对外提供有效、适 用的流体压力功率流。内燃式水泵包含三个工作室，燃料燃烧产生的热能转换为水 压力能即是在包含活塞柱塞组件的这三个工作室中完成。燃料燃烧产生的热能通过 第一工作室转换为活塞往复直线运动的机械能，第一工作室即为燃烧室，也称之为 7 第一章绪论 动力腔，与活塞式内燃机工作原理相同；在第二工作室中实现往复运动机械能向水 压能的转换，工作原理与柱塞式水泵相同，故第二工作室称之为有效动力输出室， 即泵腔；第三工作室用以实现活塞柱塞杆组件的回程运动，故称之为回复腔。内燃 式水泵缩短了传动链，提高了传动效率，极大的减少了能量在传递和转换过程中的 损失，直接将燃料燃烧产生的热能转换为柱塞式水泵的水压能。 与活塞式内燃机柱塞泵组合系统及液压活塞发动机相比，内燃式水泵主要 具有以下特点： ( 1 ) 取消了传统的内燃机柱塞泵组合系统的中间传递环节，缩短了传动链， 实现了燃料燃烧产生的热能向水压力能的直接转换，提高了能量转换效率。 ( 2 ) 将内燃机与柱塞泵直接集成在一起，减少了零件数量、体积以及重量， 易于生产和维护。 ( 3 ) 相对于传统的内燃机柱塞泵组合系统，取消了直线往复运动与旋转运 动的反复转换，故而消除了此过程中对活塞和柱塞引起的侧向力，减少了活塞、 活塞环、柱塞与缸套之间的摩擦和能量损耗，提高了系统的整体能量转化效率。 ( 4 ) 第二工作室内的水压力可抵消部分燃气压力，从而减少曲柄连杆机构 的受力和曲轴与滑动轴承之间的摩擦损耗。 ( 5 ) 相对于自由活塞式内燃发动机，内燃式水动力系统的定时、协调控制及附 属系统驱动更易于实现。 1 3 课题研究的主要内容 本课题在借鉴传统水泵和液压自由活塞发动机研究的基础上，着重进行三缸内 燃式水泵主体部分样机模型的建立和运动学、动力学仿真分析及工作平稳性方面 的研究。主要研究内容和解决的主要问题如下： ( 1 ) 应用s o l i d w o r k s 三维设计软件建立三缸内燃式水泵样机主体部分样机 模型； ( 2 ) 将s o l i d w o r k s _ 三维模型以p a r a s o l i d 格式导入虚拟样机分析软件a d a m s ， 构建三缸内燃式水泵样机在a d a m s 中的初始模型； ( 3 ) 研究不同转速下三缸内燃式水泵运动学及动力学性能，为关键零部件的 有限元分析及可靠性研究奠定必要的基础； ( 4 ) 在a d a m s 中完成三缸内燃式水泵运动学及动力学模拟和仿真分析； ( 5 )对三缸内燃式水泵缸盖螺栓进行可靠性计算； ( 6 ) 对三缸内燃式水泵理论瞬时流量和脉动性进行分析和计算。 8 青岛人学硕士学位论文 第二章三缸内燃式水泵动力学仿真及仿真结果分析 2 1 三缸内燃式水泵工作原理和结构设计 在传统的内燃机柱塞泵组合系统中，内燃机仅能将热能转换为机械能，柱塞泵 仅能将机械能转换为流体压力能，通过离合器、联轴器及其他连接方式将内燃机与 柱塞泵连接在一起，实现将燃料燃烧产生的热能转换为柱塞泵的流体压力能的过程 需要经过三个环节的能量转换与传递，先将燃料燃烧产生的热能转换为内燃机活塞 的往复直线运动机械能，再将直线往复运动机械能转换为旋转机械能，最后通过柱 塞泵的曲柄连杆机构将旋转机械能转换为流体压力能，传递路线长，效率低下，造 成了能源的严重浪费和损耗。并且柱塞泵存在系统笨重，结构复杂，生产及维护成 本高等问题。针对这些问题，青岛大学在国家和地方资金的资助下，研制出了一种 内燃式水泵，实现了内燃机与柱塞式水泵结构的一体化，极大的提高了能量转换效 率，降低了生产和运行成本。 2 1 1 三缸内燃式水泵工作原理 内燃式水泵的功能是直接将燃料燃烧产生的热能转换为流体压力能，并即时输 出。内燃机动力活塞通过联接杆与柱塞连接为一个整体，内燃机发火做工推动动力 活塞实现往复运动，并带动柱塞组件在阀式配流系统的协调下实现吸水和泵水功 能。热能转换为流体压力能的过程在三个工作室中完成。实现燃料热能向机械能转 换的是动力腔，即第一工作室，也称之为燃烧室，工作机理与内燃机相同；实现机 械能向流体压力能转变的是泵腔，即第二工作室，工作机理与柱塞泵相同；实现活 塞联接杆柱塞组件回程动作的是回复腔，即第三工作室。 1 一山水阀组件 2 _ 进水阀组1 i ，| ： 图2 1 第二工作室结构原理图 9 第二章三缸内燃式水泵动力学仿真及仿真结果分析 三缸内燃式水泵具有三套活塞柱塞组件，活塞之间的发火间隔为2 4 0 度曲轴转 角，活塞的发火次序为1 3 2 。活塞柱塞组件向上运动时第二工作室内产生真空度 水通过进水单向阀被吸入；向下运动时第二工作室内的水经出水单向阀被压出，系 统输出水动力。如此周而复始，不断实现热能向水压力能的转换。 此外，辅助系统包括配气、燃料供给、润滑、冷却、启动、点火、稳压及控制 等系统，用于辅助、保证主机系统的工作，对外提供有效、适用的流体压力功率流。 2 1 2 三缸内燃式水泵结构设计 在内燃式水泵样机的设计过程中，首先依据现有参考样机( k m 3 8 5 b 型直喷式风 冷柴油机) 及用户需求，确定内燃式水泵的额定压力、有效功率，对系统初步设计。 再利用实测数据和设计参数对系统工作过程模拟仿真，确定系统性能结构参数，然 后对系统进行结构工艺设计。 内燃式水泵吸收传统内燃机利用曲柄连杆机构作为回程动力装置的优点，增加 了一个导向滑块，在原内燃机缸盖和缸体之间增加了一个输出室作为泵腔，即第二 工作室，第一工作室即为动力腔，即原先内燃机的燃烧室。动力活塞、柱塞和导向 滑块通过联接杆相连，动力腔发火做功，带动活塞柱塞组件下行时实现压水动作， 上行时带动压气活塞实现吸水动作，同时，曲柄连杆机构带动曲轴转动，通过飞轮 组件蓄能为回程提供能量。 三缸内燃式水泵各缸的工作机理和单缸内燃式水泵是相同的，不同之处在于三 缸内燃式水泵有三个工作缸，每一工作缸均单独配有一套配流阀系统，有单独的进 水管和出水管，各缸的进( 出) 水管通过一个进( 出) 水总管同外部联系。 三缸内燃式水泵的核心组成部分是主运动系统和配流阀系统，其工作性能直接 决定着三缸内燃式水泵整机的工作性能的优劣。主运动系统是指动力活塞柱塞固定 盘柱塞连接杆导向滑块连杆曲轴组成的直线型装置，承担着燃料热能_ 机械能 _ 液压能转换的工作。活塞柱塞组件主要由动力活塞、活塞销、联接杆、柱塞固定 盘、柱塞、柱塞座销等组成，其主要功能是将内燃机的活塞和柱塞式水泵的柱塞刚 性联接，实现热能向水压力能的转化。滑块连杆组件主要由滑块接盘、滑块、连杆、 连杆盖、连杆轴套、连杆轴瓦组成。导向滑块在设计上增加了一道油环和两道活塞 环，以减少导向滑块与气缸壁的摩擦磨损。采用圆螺母和止动挚圈以增强联接杆和 导向滑块连接的可靠性。润滑方面，机油泵提供润滑油经油孔、油管输送到各个摩 擦面对各相对运动的部件实现润滑。密封方面，柱塞与泵体之间采用密封效果良好 的特殊结构的密封装置，对用于高层建筑供水的内燃式水泵系统，增加一个专门设 计的接油装置，将润滑油与柱塞最大限度地隔丌，必要时系统将增加油污染检测及 报警装置。进水阀组件和出水阀组件组成配流阀系统，它和第二工作室一起实现活 1 0 i 青岛大学硕士学位论文 塞柱塞组件往复直线机械能向流体压力能的转换工作。本课题利用三维建模软件 s o l i d w o r k s 建立了三缸内燃式水泵的三维模型，装配完成后的三维模型如图2 2 所 7 j - o 图2 2 三缸内燃式水泵三维模型 2 2 虚拟样机技术及a d a m s 软件介绍 2 2 1 虚拟样机技术简介 虚拟样机技术( v i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y ) 又称之为机械系统动态仿真技术，是 一种当前设计制造领域的一门新的计算机辅助工程技术。它利用计算机建立机械系 统的虚拟样机模型，通过设置材料属性、施加约束、力与运动，在计算机虚拟环境 下对系统的运动学及动力学特性等进行模拟与仿真，用计算机中的虚拟模型代替以 往的实物样机试验，大大减少了昂贵的物理样机制造及试验次数，可根据虚拟样机 仿真结果优化和改进系统的设计方案，从而极大程度的提高了设计效率，降低了开 发成本，缩短了产品的研发周期【2 2 j 。 传统的机械产品研发和设计过程中，新产品的研发需要经过初期设计、物理样 机制作、试验、改进、再试验、再改进直至样机定型，最后实现产品的批量生产， 设计周期长、效率低、成本高。虚拟样机技术可利用软件建立机械产品的三维实体 模型和力学模型，在设计的初级阶段就可以对机械产品进行系统完整的分析，可利 用系统仿真软件模拟系统在各种虚拟环境下的运动和受力情况，便于及时发现设计 缺陷并对系统进行优化和改进，并可以对不同的方案进行仿真试验，以获得最优化 的设计方案，利用虚拟样机技术可以在设计早期就获得产品的关键设计参数、大大 第二章三缸内燃式水泵动力学仿真及仿真结果分析 缩短设计周期、降低研发成本、提高产品质量。 虚拟样机技术的理论基础是系统动力学，古典的刚体力学、分析力学和计算机 技术的结合产生了多体系统动力学。多体系统动力学分为多刚体系统动力学和多柔 体系统动力学。多刚体系统动力学已形成了比较系统的研究方法，主要的研究方法 有：牛顿欧拉方法；拉格朗r 方程法；图论方法；凯恩方法；变分法等。多柔体系 统动力学研究的方法有：牛顿欧拉向量力学法；拉格朗日方程分析力学法等。 2 2 2a d a m s 软件介绍 a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a ls y s t e m ) 软件是美国m d i 公司( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c ) 开发的集建模、求解、可视化于一体的虚拟样 机分析软件。目前，a d a m s 已经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用， 是世界上目前使用范围最广、最负盛名的机械系统仿真分析软件。 a d a m s 使用交互式的图形环境，具有强大的大位移和非线性求解功能，具有 零件库、约束库、力库，可创建参数化的系统模型，基于多刚体系统动力学中的拉 格朗日方程求解，可确定系统及构件在任意时刻的位移、速度和加速度，并可确定 引起系统及构件运动的作用力和反作用力，可非常方便的对虚拟样机系统进行静力 学、运动学、动力学方面的研究分析。另外，a d a m s 具有开放性的程序结构，可 对特殊类型的虚拟样机进行更具有针对性的二次开发。 a d a m s 软件由五类模块组成。分别是基本模块、接口模块、扩展模块、 专业领域模块和工具箱。基本模块属于通用型模块，可对一般的机械系统进行 仿真分析，专业领域模块主要针对特定的工业领域，例如汽车整车、发动机、 悬架、轮胎、动力传动系统、柔性体生成器、配气机构等，可对这些专业领域 进行快速的建模和仿真分析。用户界面模块、求解器和专用后处理模块是 a d a m s 软件的核心模块，其他模块都是以核心模块为基础开发的专业化建模 和仿真工具。接口模块可利用i g e s 、d x f 、s t e p 、s t l 、p a r a s o l i d 等格式文 件实现与u g 、p r o e 、s o l i d w o r k s 和a n s y s 等三维建模软件和有限元软件的 数据双向传输，在极大程度上扩展了其功能，使得a d a m s 在建模方面的弱点 得以弥补。 2 3 三缸内燃式水泵虚拟样机的建立及仿真 利用a d a m s 进行产品设计的过程大致可以分为几何建模、仿真模型建立、样 机模型检验和仿真结果后处理等几个阶段，具体过程如图2 3 所示。 机械系统三维实体模型的建立是实现虚拟样机的基础，任何仿真都必须从三维 1 2 i _ _ _ _ 青岛大学硕士学位论文 模型的建立开始。a d a m s 提供了丰富的几何模型工具库，通过简单的鼠标操作， 即可生成诸如长方体、圆柱体等简单的几何体，通过对几何实体的加减乘除以及布 尔操作可以生成比较复杂的几何实体。但总的来说a d a m s 的三维建模功能并不强 大，难以对复杂的机械系统实现精确的三维建模。此时可以借助专业三维建模软件 s o l i d w o r k s 、p r o e 、u g 、c a t i a 等实现对复杂三维模型的建立，本课题采用三维 建模软件s o l i d w o r k s 实现了三缸内燃式水泵样机主体部分的三维建模并将其导入到 a d a m s 中，按照实际的运动学关系，对其主要部件施加约束和载荷，建立了三缸 内燃式水泵的虚拟样机模型。 图2 3 利用a d a m s 进行产品设计的过程 1 3 第二章三缸内燃式水泵动力学仿真及仿真结果分析 2 3 1 模型的导入和材料设置 在s o l i d w o r k s 中将三缸内燃式水泵样机主体部分的装配体以p a r a s o l i d 格式保 存，利用a d a m s 中的接口模块( e x c h a n g e 模块) 将模型导入到a d a m s v i e w 环 境下【2 3 2 4 l ，导入后各个零件问的装配关系是保持不变的，导入后的样机模型如图2 4 所示，从飞轮端对活塞柱塞组件依次编号为1 、2 、3 。 图2 4 三缸内燃式水泵虚拟样机模型 导入到a d a m s 后需对各个零件重命名以便于区分并且赋予材料属性。由于导 入到a d a m s 中装配体的零件众多，为在以后的工作中易于辨别，需依次对零件进 行重命名。重命名完成后需对各个零件赋予材料属性。其中，飞轮、曲轴、连杆、 连杆下盖的材质为铸铁，活塞和导向滑块的材质为铝合金，其它零件的材质为钢。 a d a m s 中材料的设置方式有三种，分别为用户输入( u s e ri n p u t ) 、几何和密度 ( g e o m e t r ya n dd e n s i t y ) 和几何与材料种类( g e o m e t r ya n dm a t e r i a lt y p e ) 。材料设 置时，应尽量使各部件的质量与设计质量保持一致，因为这些部件在高速运动时产 生的惯性力将对内燃式水泵性能产生很大影响。当材料库中没有所需要的材料种类 时，可利用第二种方法直接输入此材料的密度以确保材料设置的准确性。 1 4 青岛大学硕士学位论文 2 3 2 约束和运动副的施加 材料设置完成后，必须根据实际运动学关系，对其主要部件之间施加约束和运 动副，定义构件运动的初始条件和部件间的相互运动关系。a d a m s 提供的约束有 三种类型：运动副约束( 如转动副和移动副) 、基本约束( 如点面约束和平行约束) 、运 动约束( 如移动和转动约束) 。运动副约束和基本约束用来约束2 个或多个几何体间 的相互作用情况，从而将建立的几何实体连结成一个系统。运动约束可以对运动副 和点指定运动方式，根据设计的要求决定是否对建立的系统施加载荷及载荷类型( 如 力、力矩等) 。 在三缸内燃式水泵的动力学模型中，有7 个转动副，3 个移动副和若干固定副。 3 个连杆大头和曲柄之间、3 个连杆小头和导向滑块销之间、曲轴和大地之间以转 动副相连接，三个活塞与大地之间以移动副相连接，其它相互之间无相对运动的零 件以固定副相连。约束和运动副施加完成后的样机模型如图2 5 所示。 图2 5 约束和运动副施加完成后的虚拟样机模型 2 3 3 载荷和力的计算与施加 2 3 3 1 载荷和力的计算 三缸内燃式水泵在工作过程中受到的力主要有活塞受到的燃气压力、柱塞吸水 1 5 第二章三缸内燃式水泵动力学仿真及仿真结果分析 和泵水过程中受到的柱塞力、摩擦力。燃气压力通过a v l b o o s t 软件对三缸内燃式 水泵燃烧室内热力学过程进行模拟仿真而获得，柱塞吸水力和压水力的计算公式 为： f t - - - s , n o g h l2 - ( 1 ) f 2 - - s w p g h 22 ( 2 ) 式中，f l 表示吸水力，而表示扬水力，表示吸水和压水柱塞面积，风表示水泵 吸程，飓表示水泵扬程，p 表示水的密度，g 表示重力加速度。 三缸内燃式水泵在工作过程中，很多传动零件都是在很小的间隙下作高速相对 运动的，如曲轴主轴承颈与主轴承，曲柄销与连杆轴承，凸轮轴颈与凸轮轴轴承， 活塞、活塞环与气缸壁面，活塞柱塞组件与导套等，这些部件之间均存在摩擦力。 三缸内燃式水泵在工作过程中，活塞环缸套摩擦副引起的摩擦功耗占整个水泵 摩擦功耗的大部分。三缸内燃式水泵活塞环缸套间的摩擦力产生于摩擦界面粘性流 体的剪应力和相互接触峰元的剪切作用这两个方面。在混合润滑状态下，活塞环 缸套间的摩擦力f g 由流体摩擦力f q 和峰元摩擦力f f 组成1 2 5 1 。 活塞环- 缸套间的流体剪应力由流体间的剪应力f 。和流体作用在峰元上的水平 力 r q 2 两项组成，其表达式为： 一- l z u h 阱卟菇h d p 2 郫， 叱附一h r 芸) 一竽叫 2 。仰 式中，j c l 为润滑剂粘度；u 为活塞速度；h 为名义油膜厚度；h r 为实际油膜厚度， 即粗糙环与粗糙缸套间的平均间隙，瓦是其期望值；吼和为剪应力因子。 丢f-厂-等-吲dh h 6 2 - ( 5 ) 一- f ，- - ，- ， j 一* + 6 、7 h r 。f - h o + 3 ) f ( 3 ) d 3 2 - ( 6 ) 式中，6 为表面峰元高度；，( 6 ) 为表面峰元高度分布概率密度函数。 阱 2 - ( 7 ) 1 6 青岛人学硕士学位论文 肾( 詈) 仃一( q + 仃2 ) l 佗 hih | a 式中，吼为缸套的表面粗糙度均方根；仃：为活塞环的表面粗糙度均方根。 一。一：兢 甲pi 1 1 4 e x p ( 一0 6 6 h ) 丸一1 1 1 2 3 1e x p ( 一2 3 8 h + 0 1 1 2 ) 所以，流体摩擦力f 魄，+ 。：) 出 当表面峰元发生接触时，峰元剪切力l 为： f _ f n4 - 口只 2 一( 8 ) 2 - ( 9 ) 2 - ( 1 0 ) 2 - ( 1 1 ) 2 - ( 1 2 ) 2 - ( 1 3 ) 2 - ( 1 4 ) 2 - ( 1 5 ) 只t a c2 - ( 1 6 ) 式中，为取决于材料的常数；p a 为峰元接触压力；口为表面峰元剪切强度随压力 的变化率；为活塞环一缸套问的峰元载荷；a c 为实际接触面积。 对乃在整个接触面积上积分可得峰元摩擦力b 为： f ，一3 0 a c + 口2 一( 1 7 ) 则活塞环缸套间的摩擦力 f sif q + ff 2 - ( 1 8 ) 活塞柱塞组件与导套之间的摩擦力f , - f l | f c 让2 - ( 1 9 ) 式中，r 为活塞- 柱塞组件对导套的侧向力；弘为活塞- 柱塞组件与导套之间的摩擦 系数，参考有关资料取z 3 = 0 0 6 。 1 7 第二章三缸内燃式水泵动力学仿真及仿真结果分析 在三缸内燃式水泵的工作过程中，活塞环缸套摩擦副和活塞柱塞组件与导套 形成的摩擦副占整个水泵摩擦功耗的绝大部分，因此可以近似的将活塞坏缸套间的 摩擦力r 和活塞柱塞组件与导套之间的摩擦力凡之和作为三缸内燃式水泵的总摩 擦力，即三缸内燃式水泵的总摩擦力为： f z l i r a f | + f d 2 - ( 2 0 ) 2 3 3 2 载荷和力的施加 在a d a m s 中对燃气压力和柱塞力以s p l i n e 函数进行曲线定义，采用a k i s p l 函数式进行表达。对燃气压力每隔1 0 取一个值，将获得的数据转换为t x t 文件，由 于a d a m s 中默认的a k i s p l 函数是以时间为独立变量，而燃气压力数据是以曲轴 转角为独立变量，故而在加载时必须将独立变量由时间转变为曲轴转角。将t x t 文 件导入到a d a m s 中按气缸发火次序依次加载到活塞上，加载完成后l 号活塞的燃 气压力曲线表达式如式2 - ( 2 1 ) 所示。 a k i s p l ( q u z h o u z h u a n j i a o ，0 ，黜气n q i l i g a n g l ，o )2 ( 2 1 ) 式中，q u z h o u z h u 6 洲认o 表示曲轴转角，r a n q i l i g a n g l 表示导入到a d a m s 中的1 号活塞的燃气压力样条曲线。加载完成后1 号活塞的燃气压力曲线如图2 6 所示，最大值为7 8 1 8 5 m p a ，最小值为0 0 8 0 3 1 7 m p a 。由于三缸内燃式水泵的发火 次序为1 3 2 ，故2 号活塞与之相差4 8 0 0 曲轴转角，3 号活塞与之相差2 4 0 0 曲轴转 角。 一 塞 长 蹬 旷