（机械电子工程专业论文）斜缸斜盘柱塞泵参数化设计.pdf

摘要 摘要 斜缸斜盘柱塞泵是轴向柱塞泵的一种，与普通的轴向柱塞泵相比，在结构上 泵柱塞轴线不是与缸体中心线平行，而是形成了一定的锥角。斜缸斜盘柱塞泵除 了具有普通轴向柱塞泵的优点外，其这种结构有利于增大泵的几何排量以及降低 配流面的p v ( p 为压力，v 为线速度) 值，同时有助于提高泵的工作时的额定转 速。 文中通过对斜缸斜盘柱塞泵理论的研究，结合生产厂家实际生产中的设计、 制造经验，利用a u t o m a t i o ng a t e w a y 插件作为桥梁，基于p r o e n g i n e e r 进行参数 化设计。设计出一套集计算、设计、分析及建模为一体的斜缸斜盘柱塞泵参数化 设计系统，并且使该系统主要实现如下的功能： ( 1 ) 斜缸斜盘柱塞泵的理论数据计算及查询； ( 2 ) 斜缸斜盘柱塞泵的整体设计及检验； ( 3 ) 主要零件的参数化设计； ( 4 ) 主要零部件的有限元分析； 对斜缸斜盘柱塞泵的主要零件进行理论计算，确定其各个尺寸之间的约束关 系，并将其转化为p r o e n g i n e e r 内部参数，进行参数化设计。利用v b 制做操作 界面，与a u t o m a t i o ng a t e w a y 软件相连接，调用p r o e n g i n e e r 内部函数对系统进 行集成。用户可以利用该系统快速的设计出新的柱塞泵，同时也可以对一些已有 泵的尺寸进行查询、分析、改进等。 通过参数化设计系统的建立，将参数化设计合理的应用到整个设计过程中， 便于修改和计算。可以有效的缩短设计时间，提高生产率。对于柱塞泵结构和性 能的改进有重要意义。 图 3 2 】表【6 】参 5 6 关键词：斜缸斜盘柱塞泵；参数化；计算机辅助设计；有限元分析 分类号：t h 3 2 2 a b s t r a c t a bs t r a c t t i l t i n gc y l i n d e ra n dp l a t ep l u n g e rp u m pi s o n ek i n do fa x i a lp l u n g e rp u m p ， c o m p a r i n gt ot h ec o m m o na x i a lp l u n g e rp u m pi ns t r u c t u r e ，i t sa x i si s n th a sat a p e r a n g l ew i t ht h ec y c l i n d e ra x i a l ，i n s t e a d o fp a r a l l e l i n gt ot h ea x i a l c y l i n d e ra n dp l a t e p l u n g e rh a sa d v a n t a g eo fc o m m o np u m p ，t h es t r u c t u r ei sg o o df o ri n c r e a s i n gd e l i v e r y c a p a c i t ya n dr e d u c i n gt h ev a l u eo fp o r t e d a tt h es a m et i m e ，i tm a k e sc o n t r i b u t i o nt o i n c r e a s i n gt h ep u m p sr a t e ds p e e d b u i l d i n ga p a r a m e t r i cd e s i g ns y s t e mt h a tc a nc a l c u l a t e 、d e s i g n 、a n a l y z eo rm o d e l b yr e s e a r c h i n gt h et i l t i n gc y l i n d e ra n dp l a t ep l u n g e rp u m p st h e o r y ，c o m b i n i n gw i t h m a n u f a c t u r e r sa c t u a lp r o d u c t i o nd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n ge x p e r i e n c e ，u s i n ga u t o m a t i o ng a t e w a yp l u g - i na sa b r i d g e ，f o rp a r a m e t r i cd e s i g nb a s e do np r o e n g i n e e r t h e s y s t e m sf u n c t i o nl i k e ： ( 1 ) c a l c u l a t ea n di n q u i r et h et h e o r e t i c a ld a t ao ft i l t i n gc y l i n d e ra n dp l a t ep l u n g e r p u m p ； ( 2 ) d e s i g na n dt e s tt i l t i n gc y l i n d e ra n dp l a t ep l u n g e rp u m p st o t a l l y ； ( 3 ) m a j o rp a r t so ft h ep a r a m e t r i cd e s i g n ； ( 4 ) f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fm a j o rc o m p o n e n t s ； m a k es u r ei t sv a r i o u sd i m e n s i o n so fc o n s t r a i n tr e l a t i o nb yc a l c u l a t i n gt h em a j o r p a r t so f t h et i l t i n gc y l i n d e ra n dp l a t ep l u n g e rp u m pa n dt r a n s f o r m i n gi n t oi n t e r i o r p a r a m e t e r sp a r a m e t r i cd e s i g n m a k eo p e r a t i o ni n t e r f a c eu s i n gv b ，a n di n t e g r a t et h e a u t o m a t i o ng a t e w a ys o f t w a r ew i t hp r o ei n t e r n a lf u n c t i o no fs y s t e m t h eu s e rc a n d e s i g nn e wp l u n g e rp u m p su s i n gt h es y s t e mq u i c k l y ，a l s oc a ni n q u i r e 、a n a l y z ea n d i m p r o v es o m ee x i s t i n gp u m ps i z e t h r o u g h t h ee s t a b l i s h m e n to fp a r a m e t r i cd e s i g ns y s t e m ，m a k ef u l lu s eo fp a r a m t r i c d e s i g ni nt h ep r o c e s so f w h o l ed e s i g n ，i ti se a s yt ob em o d i f i e da n dc a l c u l a t e de f f e c t i v e - l y i tp l a y sas i g n i f i c a n tr o l ei np l u n g e rp u m ps t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t f i g u r e 3 2 】t a b l e 6 】 r e f e r e n c e 5 6 】 k e y w o r d s ：i n c l i n e dc y l i n d e ra n dd i s hp l u n g e rp u m p ；p a r a m e t r i c ；c a d ；f e a c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t h 3 2 2 i i i 引言 引言 液压技术在当今社会应用越来越广泛，目前液压传动的发展趋势是逐渐向高 压化发展。柱塞泵特别是轴向柱塞泵的采用日益广泛。在实际应用中，对其性能 和效率提出了更高的要求。 斜缸斜盘柱塞泵属于轴向斜盘泵的一种，具有轴向泵共有的容积效率高、压 力高等优点。同时，由于其自身结构特点，柱塞孔与缸体中心线有一定的倾斜角 度，使得柱塞在工作过程中，与缸体之间的摩擦阻力更小，泵体结构更加紧凑。 对其结构进行设计和改进，对提高产品的可靠性有重要作用。 在泵的参数化设计研究方面，我国的起步较晚。经过近些年来的发展，目前 在泵的二维设计和绘图方面已经比较成熟，在三维设计方面也已经进入研究阶段。 但是对于斜缸斜盘柱塞泵的研究还很少。对斜缸斜盘柱塞泵的结构进行分析，从 而设计出其参数化设计系统。该系统具有数据查询，理论计算，产品检验，产品 建模分析等一系列功能。在用户使用过程中，可以真正的实现参数化设计。 对斜缸斜盘柱塞泵进行参数化设计，将c a d 技术应用到柱塞泵开发和改进过 程中，能有效地提高设计效率，对于实际生产过程，有着重要意义。 第1 章绪论 1 1 柱塞泵概述 l绪论 柱塞泵是整个液压传动系统组成的关键部分，其主要作用是在整个液压系统 工作时为液压系统提供足够的液压油。就目前水平，在容积泵中，只有柱塞泵能 够较理想地实现高压、高速化【1 】- 【3 1 。 液压泵共有的结构特点：首先，液压泵必须有容积可以周期性变化的封闭容 腔，同时这也是液压泵进行工作的最基本原理；其次，液压泵必须有一个配流部 件。配流装置的作用是将柱塞泵工作过程中的吸、压油过程中两个吸、压油窗口 隔开，进而达到控制泵的吸、压油的作用1 3 j - 1 6 1 。 随着液压技术的发展，容积式液压泵的发展趋势是逐渐高压化。轴向泵与径 向泵的特点比较如表1 所示。经过表中对比，可以得出：轴向柱塞泵主要有结构 比较紧凑，单位功率体积小、使用寿命长、额定工作压力高、重量轻、变量机构 布置较方便等优点。由于柱塞泵的这些优点，使得轴向柱塞泵的应用r 益广泛。 轴向柱塞泵的不足之处是制造成本高，对油液的污染较为敏惑，滤油精度要求高 等缺点【2 】【3 1 。 表1 径向泵和轴向泵对比 t a b l e1c o m p a r i s o no fr a d i a lp u m p sa n da x i a lp u m p s 项目 径向泵 轴向泵 泵结构较复杂，零部件数多较简单，零件数少 体积、重量体积大，重量大体积小，重量轻 排鼍( m l r ) 一般小于4 0 0 ( 特殊泵8 0 0 ) 一般小于5 0 0 ，( 特殊泵2 0 0 0 ) 制造上艺精度要求一般精度要求较高 生产成本较高较低 额定压力( 常用) 10 - 4 0 ( m p a )10 4 0 ( m p a ) 轴转速较低较高 容积效率8 5 0 o 9 0 ( 阀式可达9 5 )9 0 一9 5 总效率8 0 8 5 ( 阀式可达9 0 ) 8 5 9 0 轴向柱塞泵，按照其配油方式进行分类，可以分为阀式与盘式两种。这种结 构的特点如表2 所示。阀式轴向柱塞泵的吸排油阀在工作时有滞后现象，这个缺 点限制了其主轴转速不能高于15 0 0 转分；阀式的配油方式使得柱塞泵不具备液压 3 安徽理t 大学硕士学位论文 机械的可逆性，再加上其变量困难，所以阀式配油的轴向桂塞泵主要应用于压力 在3 2 m p a 以上的定量泵；而变量型的液压泵主要是指盘式配油的轴向柱塞泵。盘 式配油的轴向柱塞泵可以分为两类：一类是在1 9 0 0 - - 1 9 1 0 年间设计的坚内型轴向 柱塞泵；一类是在1 9 2 4 年前后设计出的托马型轴向柱塞斜轴式泵f 5 1 【9 1 。 表2 配流方式对比 t a b l e2c o n t r a c to f a s s i g n m e n tw a y 阀配流轴配流端面配流 额定压力3 2 m p a ，超高压7 0 m p a 以上 2 5 m p a 以下10 4 0 m p a 额定排量 2 0 0 m l r 4 0 0 m l r 5 0 0 m l r 额定转速 18 0 0 r p m 18 0 0 r p m 4 0 0 0 r p m 泵体结构简单复杂简单 变晕性能不能双向变量，无级变量困难能够双向无级变量能够双向无级变量 一 机械效率呙低高 体积重量一般人体积小、重量轻 制造成本 一般高低 斜盘式与斜轴式轴向柱塞泵在结构上各具特点，在实际应用中也各有优势。 斜轴式轴向柱塞泵的结构中采用了驱动盘，这种结构使柱塞缸体在转动过程中不 承受侧向力。因此，缸体对配油盘倾覆的可能性小，同时也有利提高柱塞副与配 油部位工作效率和稳定性。另外，结构上允许的倾角较大。可是，斜轴式泵的结 构比较复杂，需要使用大容量止推轴承，工艺性差，限制了其不能在高压环境下 连续工作，生产成本也比较高。斜盘式轴向柱塞泵与斜轴式相比，两对高速运动 副配油盘与缸体、滑靴与柱塞均采用了静压支承结构，这种结构省去了大容 量止推轴承。斜盘式轴向柱塞泵具有结构较紧凑，工艺性好，生产成本低，泵体 体积小、重量轻等优点。目前，斜盘式轴向柱塞泵得到了广泛应用。斜盘式轴向 柱塞泵的额定工作压力一般在2 1 3 5 m p a 范围内，峰值压力在2 8 4 0 m p a 之间， 主轴的转速一般在3 0 0 0 转分以下，容积常数大都在3 0 0 5 0 0 厘米转以下，近年 来经过发展已经可以达到到2 3 3 6 厘米转，甚至更剐8 】- 【1 3 】。 斜盘式轴向柱塞泵，由于体积较小、总体重量轻、泵的变量机构简单、工作 惯性等优点，因此适合用于移动设备以及自动控制系统，如起重运输机械、矿山 机械的液压系统中。斜缸斜盘柱塞泵属于轴向斜盘泵的一种，具有轴向泵共有的 容积效率高、压力高等优点。同时，由于其自身机构特点，柱塞孔与缸体中心线 4 第1 章绪论 有一定的倾斜角度，使得柱塞在工作过程中，与缸体之间的摩擦阻力更小，泵体 结构更加紧凑。对其进行结构分析，并进行参数化设计，有较好的实际意义。 随着材料、制造、电子等技术的发展，近年来，轴向柱塞泵的新技术更是层 出不穷。例如荷兰i n n a s 公司开发的f l o a t i n gc u p 结构轴向柱塞泵，具有降低噪音， 减少脉动流量等优点；德国r e x r o t h 公司推出的电子智能泵；丹麦的s a u r d a n f o s 公 司为工程机械量身定做的hl 系列多功能泵等等。 1 2 国内外研究现状 七十年代末，美国麻省理工学院自0 g o s s a r d 教授提出了“参数化设计”这个概 念，但他的这个思想在当时的c a d 领域并没有得到足够的重视。1 9 8 7 年底美国的 p t c 公司( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n ) 推出三维实体建模软件p r o e n g i n e e r ， 该软件以参数化、特征设计为基础进行三维建模。这时c a d 领域才真正体验到参 数化设计的强大功能【2 1 】【3 2 】。 德国西门子公司为了提高生产效率，将初次设计的过程同生产过程分离，在 产品设计时通过系列化、标准化的设计方式来减少产品零件的设计数量。使用具 有参数化设计功能的c a d 系统，完全将初次设计同实际生产分离。通过参数化设 计，有效地缩短产品设计周期，提高了设计效率。 自2 0 世纪8 0 年代中期以来，国外c a d 技术的应用已经很广泛，并且已经比 较成熟。逐步发展到与c a m 相关联，在生产过程中使用数控机床，对于提高柱塞 泵的加工精度和产品质量起到了关键的作用。目前，国外比较先进的参数化设计 系统已经能够实现对柱塞泵进行总体设计、零件设计，并且可以进行主要零部件 的力学分析及运动分析。 现在许多著名的c a d 系统均已具备了参数化设计功能： 1 a u t o c a dd e s i g n e r a u t o c a dd e s i g n e r 软件是由美国a u t o d e s k 公司开发的二维参数化设计软件， 主要原理是基于特征的参数化设计。该软件运行在a u t o c a d 平台上。软件在运行 过程中采用与a u t o c a d 一致的交互界面，有利于用户的学习和掌握。利用该软件， 机械设计师可以草绘出具有完全尺寸约束的平面图形。在设计平面零件草图时， 设计者不必设置零件各个尺寸的精确数值。首先进行零部件的结构及功能设计， 设计完成后，可利用尺寸约束的机制来进一步精确草图尺寸。由于软件依托的 a u t o c a d 平台中并不具备真正的参数化设计核心，导致a u t o c a dd e s i g n e r 参数化 设计软件在应用过程中存在着种种缺陷，影响绘图速度。同时，使用者要想建立 5 安徽理工大学硕十学位论文 参数化标准零件库需要熟练掌握a u t o c a d 自带的基础函数并能熟练应用。 a u t o c a dd e s i g n e r 会按照使用者的需要从三维特征的模型中自动生成各向二 维视图并给出相应的全部尺寸标注，在任一视图中对尺寸进行修改，软件即会根 据实际情况自动更新特征模型的形状及其物理属性；而对特征模型的修改也会自 动将数据传递给各向二维视图及其尺寸标注。a u t o c a dd e s i g n e r 的最新版本提供 了更为强大的参数化设计功能。如具有尺寸约束的装配特征造型、干涉检查、明 细表生成、装配模型关联变化、产品结构和零部件关系的全面管理等。具备先进 的参数化特征建模以及简明的模型生成和修改方法，使a u t o c a dd e s i g n e r 软件成 为参数化设计软件领域用于工程设计方面最具有竞争力的c a d 软件。 2 s i g r a p h - - d e s g h n s i g r a p h - - d e s g h n 软件是德国西门子( s i e m e n s ) 公司开发的一款参数化建模软 件，其核心为基于智能关系型的参数化设计系统。系统的核心数据结构为关系型 数据结构，软件在系统可以识别出的所有对象之间建立这种智能关系，如图元之 间的联系、设计公式与设计表达式的相互对应关系、视图之间的对应关系、装配 图与零件图之间的对应关系、零件间的运动联系等。为合理的阐述这些关系， s i g r a p h - - d e s g h n 提供了设计人员非常熟悉的几何联系变量、表格等工具，通过 这些工具的综合应用，使用者可以将设计所需的理论和约束在计算机内获得充分 的表现和处理。 s i g r a p h - - d e s g h n 是专业用于机械设计c a d 系统。该系统为用户提供了建立常 用件和标准件参数化图库的功能。支持从部件设计到零件设计，由概念设计转换 为结构设计。同时还具有以下的参数化功能：将图形和尺寸相关联，实现双向驱 动、可以参数化的用户元素、可见性的优先级控制、分级式的层功能以及面向对 象的结构化界面等。s i g r a p h - - d e s g h n 这些参数化功能，充分体现了其“合理化工 程”的思想。 我国的机械c a d 技术开始于2 0 世纪7 0 年代中期，初期主要是对二维绘图软 件进行开发和研究。到8 0 年代初，开始从国外引入c a d 系统并进行了一系列的研 究和开发。经过多年的发展，我国的c a d 技术已经在机械、电子、航天、化工、 建筑等行业得到了广泛应用。合理的参数化设计系统可以有效的提高产品的设计 效率、缩短设计周期、对设计方案进行优化、加强零部件的标准化等作用。近年 来，我国c a d 技术的开发和应用取得了长足的发展。除了对许多国外参数化软件 进行了汉化和二次开发以外，还诞生了不少具有自主版权的参数化设计系统。在 泵的参数化设计方面，我国起步较晚，但是经过众多学者和工程技术人员的努力， 6 第1 章绪论 目前在泵的二维参数化设计和绘图方面已经比较成熟，在三维设计方面也已经进 入研究阶段。但是对于斜缸斜盘柱塞泵的研究还很少。1 2 2 。【2 4 】 1 3 课题的提出 现代工业的发展速度同益加快，对柱塞泵的性能和结构提出了更高的要求。 柱塞泵的设计和改进周期进一步缩短，产品设计在产品的整个生命周期中占据了 越来越重要的部分。零件设计与优化的速度是整个产品开发效率的关键环节。因 此，提高柱塞泵产品设计阶段的效率已经成为了提高整个柱塞泵生产率的重要手 段。 目前，参数化设计已经成为c a d 技术中重要的应用技术之一。在新产品开发 初期，零件形状和尺寸的精确度不高，合理的尺寸要在进行产品性能分析、零部 件装配验证以及数控编程之后才能确定。此阶段零件的可修改性越高，越有利于 提高产品设计效率。参数化设计的主要原理就是将模型中零件尺寸的定量化信息 转换成变量化数据，使之成为可以进行任意调整的参数。在参数化设计时，对变 量化参数赋予相应的不同尺寸，参数化软件就可以自动建立设计人员所需要的大 小和形状的零件模型。 近年来，我国工业发展飞速，工程机械、冶金、机床和农业机械等领域对轴向 柱塞泵的需求十分旺盛，因此，提高现有轴向柱塞泵的性能显得十分迫切，对轴向 柱塞泵技术革新的要求也十分紧迫。 斜缸斜盘柱塞泵与普通的斜盘柱塞泵相比，在相同的条件下，缸体结构更加 紧凑，柱塞运动过程受到摩擦阻力更小，在应用方面具有更好的优势。同时，对 设计过程提出了更高的要求。因此，开发斜缸斜盘参数化系统，对于提高设计效 率，确定设计产品的可靠性有重要作用。 1 4 课题的研究的内容及意义 对于斜缸斜盘柱塞泵进行参数化设计，构建参数化设计系统，本论文主要将 进行以下内容的研究： 1 柱塞泵主要部件的理论研究。对柱塞泵的运动过程进行分析，建立数学模型。 通过分析计算出柱塞泵零件尺寸与排量、压力、行程等之间的关系，并将数学数 据转化为计算机语言。 2 在v b 平台上，与p r o e 软件相关联，进行参数化系统设计。包括主要零部 件自动计算、建模系统及新泵设计。主要实现用户在输入必要的数值之后，软件 7 安徽理上人学硕士学位论文 进行计算，并分析参数的合理性。将数据导入p r o e n g i n e e r 进行建模。并且将 设计出的模型进行实时显示。 3 对设计出的零部件进行有限元分析。通过已知的设计条件对设计出的零部件 运用p r o e n g 烈e e r 自带的插件m e c h a n n i c 进行有限元分析，用户可以根据分析 的结果进行设计数据的调整。 4 利用数据库技术，建立查询数据库，提供公式查询、理论查询、及部分泵的 参数查询。 随着柱塞泵在各个领域的应用越来越广泛。对柱塞泵的性能提出了更高的要 求，斜缸斜盘柱塞泵由于其自身结构的特殊性，对结构和精度的要求更高。建立 专用的参数化设计系统，可以有效的提高其设计效率。建立一个集理论计算，产 品建模，分析，查询一体的综合性系统。使其具备操作界面简单易懂，理论计算 数值可靠，模型同步显示等特点。可以有效的提高新泵设计、成型泵的性能检验 的效率。对于实际生产有比较重要的意义。 8 第2 章斜缸斜盘柱塞泵计算理论 2 斜缸斜盘柱塞泵计算理论 2 1 轴向柱塞泵柱塞运动规律 斜缸斜盘柱塞泵的特点： 1 缸孔或者柱塞轴线不是与缸体中心线平行，而是形成了一定的锥角，此结构 有利于增大泵的几何排量以及降低缸体断面的p v ( p 为压力，v 为线速度) 值， 同时有利于提高泵的转速。 2 采用了球面配流副结构。球面配流副不会改变泵的配流原理，但是具有一定 的自定位作用，即当缸体与配流盘中心线有一定倾角时，也不会影响到配流端面 的密封性，这种机构有利于提高泵的容积效率。 2 1 1 柱塞运动方程 柱塞泵柱塞运动过程如图l 所示，当柱塞泵主轴按图中所示方向进行转动时， 位于上死点a 的柱塞在缸体的催动下转动，此时，在斜盘作用下，图中位于吸油 区的柱塞开始向下运动，当上死点柱塞转过角度矽= 1 8 0 。时，此柱塞达到下死点并 且开始返回向上死点彳运动。由柱塞运动过程的几何关系可以得出，柱塞头部的 运动轨迹处于斜盘平面与柱塞中心线所在的圆锥曲面的交线上。通过斜缸斜盘柱 塞泵的工作原理可以得出，在柱塞泵工作过程中，柱塞相对于外部壳体而言，进 行了一系列的复合运动：一是与缸体一起旋转的牵连运动；二是在缸体内相对于 缸体做往复运动；三是相对于缸体绕自身轴线旋转的旋转运动，该运动由柱塞和 滑靴之间的摩擦而产生。 图1 柱塞泵运动原理图 f i g1p l u n g e rp u m ps t r u c t u r ep r i n c i p l e 1 - 斜盘；2 缸体；3 配流盘；4 一柱塞；5 一主轴；- 柱塞倾角：y - 斜盘倾角： a 一上死点。 9 安徽理工大学硕士学位论文 为了便于研究柱塞的运动方程，取o - x y z 坐标系如图2 所示，旋转视图如图3 所示。其中h 为圆锥高度，r 为圆锥的底半径即上死点到缸体轴线的距离。则削4c 1 为斜盘平面，纠a o = y ( 斜盘倾角) ，z a s o = ( 柱塞倾角) 。弧a b , c l 为平面 与圆锥交线的一部分，即柱塞运动轨迹的一部分。r t a s o b 为r t a s o a 转矽角时的 所处的位置，e 即为f 时刻柱塞头所位于的空间位置，图中彳、4 、骂、c 1 在同 一平面e 。 z 凡， 彳， h厂 a 日 罾 鹫 n 0 ir f 审， r 图2桂塞运动轨迹图3 旋转视图 f i g2p l u n g e rm o v e m e n tt r a j e c t o r yf i g3r o t a t i n gv i e w 如图3 所示，动点b l 在晓轴上的投影为垦，则骂芝表示动点到z 轴的距离 或者到动点到缸体的动半径尺( 矽) 。按几何关系有： 骂岛= r ( 矽) = ( h z ( 0 ) ) t a n f l = r z ( b ) t a n f l 7 a d z ( 2 1 ) ，。一 r ( ) = x x ( o ) 2 + y ( ) 2 在x o y 平面内过a 做垂线彳尸，与动r t a s o b 的直角边延长线交于点只，如图 2 所示，则o e , = r c o s 0 ，连接a 。蜀并延长，交o b 的延长线于p ，由立体几何知 识可以得出点只与点尸重合。 在斜盘平面内的动线4 e 端点b i 在晓轴上的投影为曼，两点所形成的动半径 为r ( ) = 蜀b ，交角为7 ( ) ，则几何公式可以得出： r t a n y = o e lt a n y ( 矽) c o s 即 t a n y ( ) = r t a n y z ( 矽) ( 2 2 ) 图2 中，在r t a a 。且b z 中，b i 最= r ( 矽) ，a l 垦= r ( 矽) t a ny ( ) 。则 r ( o ) t a n y ( ) = r t a n y - z ( o ) ( 2 3 ) 第2 章斜缸斜盘柱塞泵计算理论 由( 2 1 ) - ( 2 3 ) 式联立得 r ( 矽) = k ( 1 一kc o s ) 式中k = r ( 1 一t a n y t a n p ) = r c o s ( f l + r ) e o s r c o s p k 1 = t a n y t a n f l 由( 2 4 ) 式可以进一步求得柱塞的运动轨迹方程为 i x ( o ) = k c o s ( 1 一k lc o s ) 少( 矽) = k s i n b ( 1 一kc o s 矽) 【z ( ) = r t a n r ( 1 一c o s 矽) 1 一k lc o s 矽 柱塞相对于缸体或者沿轴线的位移矢量s ( 妒) 的分量即是x ( ) 、 由此可以得出柱塞的位移方程为： s ( ) = z ( 矽) rt a nr ( 1 一c o s 矽) 一= 一 c o s f lc o s , a 0 一k 1c o s ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) y ( 矽) 、z ( ) ， ( 2 6 ) 根据( 2 6 ) 式，可以求得柱塞的最大位移& 觚： s m a x = s ( 地= 面丽2 r 石t a n 而y 丽= 丽d s i n y ( 其中。= 2 月) 几何排量g 。为： 旷三幽& 瓢= 署d 2 c o 。s i n y c o s ( y 胡( 2 - 7 ) 进一步可以求得泵的瞬态流量q ( t ) ： q ( ，) = 喜爿= 么姜刁f _ 乏s i 丽n o , 式中 y l = d s | 斑； ( 2 8 ) k o = r c o c o s ( y f 1 ) s i n r ( c o s r c o s , ) 2 2 谚= b + ( i - 1 ) a ，口= 2 ；r c o 为柱塞角距，0 矽c o t 口； 式中么柱塞面积； m 处于排液区的柱塞数，为偶数时，m = 国2 ；0 9 为奇数时， m = ( 缈1 ) 2 。 在斜盘倾角y 一定时，柱塞直径d 和排量q 。成正比，而和柱塞数量z 及分布圆 半径尺成反比。 安徽理i 火学硕士学位论文 2 2 泵的排量 2 2 1 理论排量 柱塞泵泵轴旋转一周，柱塞缸内容积的变化量称之为泵的理论排量。在试验 中，通常把传动轴一转中泵空载状态下排出的液体体积( 一次柱塞行程排出的液 体体积) 当作泵的理论排量。泵的理论排量可以用以下公式进行计算： 吼= 2 后云厅d 2 z ( m l ，| ) ( 2 - 9 ) 式中卜结构常数( c m ) ； 卜柱塞直径( c m ) ； 卜柱塞数。 2 2 2 理论流量 在不计泵内的任何容积损失时，泵在单位时间内排出的液体容积称之为泵的 理论平均流量，简称为泵的理论流量f 6 1 。由于在计算过程中忽略了任何容积损失， 泵在单位时间内吸入和排出的体积，用下式表示： 虢= n q 曲1 0 q ( ，r a i n ) ( 2 1 0 ) 2 2 3 实际流量 单位时间内在泵的出口处实际测得的液体体积( 包括包含于其中的气体和固 体的体积并折算成泵进口状态下的体积) ，称为泵的实际流量，简称为泵的流量。 泵在工作过程中由于吸油不足且存在泄漏，导致泵的实际流量比泵的理论流 量小，两者之间的关系为： q = 绋一a q( 2 - 1 1 ) 式中 q 泵的实际流量； 绋泵的理论流量； q 泵的流量损失。 2 2 4 泵的瞬时流量瓯 由于柱塞泵工作过程中有多个柱塞同时在排油腔和进油腔运动，所以泵的瞬 时理论流量为同一瞬时内所有处在排油腔的柱塞瞬时流量之和。 1 2 第2 章斜缸斜盘柱塞泵计算理论 p , h = q t = l 式中q 压油腔第f 个柱塞瞬时理论流量； m 处于压油腔的柱塞数。 2 2 5 奇、偶数柱塞泵性能比较 衡量瞬时流量品质的参数主要有流量不均匀系数毛和流量脉动系数万。 流量不均匀系数： 流量脉动系数： 国= 盟学啦= ( 2 1 2 ) 7 c冗 一t a n 一 ( 2 1 3 ) z2 z 、 万：垫每当：1 - - c o s 9 ( p , h ) 。 ( 2 1 4 ) 流量脉动频率： f o = 舷 ( 2 一1 5 ) 将不同的柱塞数z 代入( 2 1 3 ) 或者( 2 1 4 ) ，计算后得流量不均匀系数见表 3 。由表3 可知： ( 1 ) 流量脉动程度随着柱塞数目的增加而降低。 ( 2 ) 奇数柱塞的脉动程度远小于相近的偶数柱塞的脉动程度。 表3 不同柱塞数的流量不均匀系数 t a b l e3t h en u m b e ro fd i f f e r e n tp l u n g e rf l o wn o n - u n i f o r mc o e f f i c i e n t z 345 67891 01 11 2 6 ( ) 1 3 93 1 35 01 3 92 57 81 5 5 o1 03 5 相邻两柱塞数脉动系数之比： 冗冗7 拿：竺晕：车4 ( 2 - 1 6 ) 岛z 旦t a n 至 至： 、7 z + 1 4 ( z + 1 ) 8 ( z + 1 ) 2 由公式( 2 1 6 ) 可以得出： 1 柱塞泵的流量脉动周期仅与柱塞数有关，与柱塞数量的奇偶性无关。并且奇 数柱塞泵流量的均匀性比较好一 1 3 安徽理工人学硕士学位论文 2 当斜盘倾角一定时，柱塞倾角由小变大时，脉动系数也随之由小变大。 由以上分析可以得出，柱塞泵设计时，在工艺机构允许的情况下，柱塞数取 大些性能比较好。一般柱塞数应选用奇数。当柱塞数z 7 时，流量脉动系数随柱 塞增加而降低，脉动比较平稳，故泵的柱塞数通常取7 。 2 3 泵的动力分析 2 3 1 泵的输入扭矩 柱塞泵从是一种将机械能转换为液压能的液压元件。若泵的输入功率为m ， 工作角速度为国( 转速为n ) ；泵的进出口压力差为p ，流量为q ；假设柱塞泵工 作过程中没有效率损失，则根据能量守恒定律：m m = a p q 。由此公式可以得出泵 的输入功率也是脉动的，而且其脉动率与泵的流量脉动率相同。设q = q 。， 0 3 = 2 万疗，将公式代入后，得出泵的理论输入扭矩： m , h = a p q 2 万门= a p n q ， 1 0 5 2 万胛( 2 - 1 7 ) 式中p 泵的进出口压力差； 泵的理论排量。 则泵的实际输入扭矩为： m 。= 帆( 2 - 1 8 ) 式中 ，7 。泵的机械效率。 2 3 2 泵的功率 泵的输出液压功率： n p = a p qd 6 1 2 ( k w ) 泵的输入( 机械) 功率： n t = md n 9 7 5 ( k w 、) 式中m 。泵的实际输入扭矩 n 泵的转速。 2 3 3 泵的效率 ( 2 1 9 ) r 2 - 2 0 ) 由于柱塞泵在工作过程中存在流量损失和摩擦损失，所以泵的效率有容积效 率和机械效率两种，两者之间的乘积称为泵的总效率。 泵的流量与理论流量的比值称为泵的容积效率。可以表示为： 1 4 第2 章斜缸斜盘柱塞泵计算理论 仇：旦：1 一丝 仉2 翥2 一翥 ( 2 - 2 1 ) 式中仉容积效率； 机械效率是泵的理论扭矩和实际输入扭矩之比；总效率是输出功率和输入功 率的比值。 2 4 参数化设计 2 4 1 参数化设计概述 参数化设计( p a r a m e r i cd e s i g n ) 是美国麻省理工学院g o s s a r d 教授提出的，也 称变量化设计( v a r i a t i o n a ld e s i g n ) 。目前，已经成为c a d 方面的研究热点。近十 几年来，国内外从事c a d 方面研究的工作人员对其进行了大量研究，并取得了一 系列成果。 参数化设计通常是指软件设计者为提高绘图及修改图形的效率而开发的软件 环境，在这个环境下软件可以将用户所绘制的任意图形参数化。在图形绘制过程 中，修改图中的任一尺寸，可以实现尺寸联动，引起相关参数的改变，最终使图 形得到改变。 2 4 2 参数化设计的实现方法 近十几年来，通过国内外学者的大量研究得出，目前参数化设计方法主要有 以下几种： 1 基于几何约束的数学方法【1 3 】 其主要原理是利用尺寸约束来建立方程组，将绘图过程中的几何约束转变成 一系列以特征点为变元的非线性方程组，通过用户给定的约束，利用数值方法求 解设定的非线性方程组，解出所有特征点的坐标值，从而确定出零件的详细尺寸 及特征约束。此方法的缺点是用户必须输入足够而且一致的尺寸约束，才能进行 约束方程组求解。 2 基于几何推理的人工智能方法【1 3 】 随着人工智能的高速发展，产生了几何推理法。这种方法主要包括两个方面： 一是建立在专家系统的基础上，应用谓语来表示几何约束，并通过推理机制推导 出模型的参数化细节。利用这种推理方式可以检验几何约束模型的合理性并能进 1 5 安徽理j l ：大学硕士学位论文 行局部修改，但数据系统过于庞大，而且对递归约束无法处理。二是扩展现有的 数据结构，将拓扑信息加入，并通过程序来实现从几何约束到模型细节的推理。 3 基于特征的实体造型方法l l 3 j 特征的主要作用是捕捉设计者意图，在建模过程中，用特征建模取代用直线、 圆弧、圆等基本几何元素建模的方式。特征实体具有一定的智能性，不但具有明 确的工艺特征结构，而且能始终确定自己的功能属性以及与其它相关实体的之间 的适应关系。修改其中的某一特征实体，整个设计模型会依据相互之间的关联进 行变化，其中包含了模型本身的物理量( 如质心和惯性矩等数据) 的变化。例如， 模型中的孔特征会始终记忆自己当前的直径、位置和负体积等特征，在设计过程 中，设计人员可以利用自己熟悉的工艺特征( 如孔、倒角、倒圆等) ，而非纯几何 意义上的元素来组织设计意图，使设计变得容易。 4 基于关系的建模方法【1 3 j 以关系型数据结构进行参数化建模是德国西门子公司首先提出来的。在参数 化设计系统内，系统能识别的对象之间建立参数关系，同时可以在任意大的模型 中建立任意复杂的关系模型。模型零部件间关系的建立过程是以符合设计师日常 的设计习惯的、可以以简便自然的方式进行。关系模型建立后可以很方便地进行 修改以适应不同用户的特殊要求，从而大大提高设计速度。 2 4 3 参数化绘图 带有参数化设计功能的c a d 系统在设计绘图上有某些显著优点，如不需要进 行编程即可实现图形的参数化，图形修改方面比较方便，工作量小，且可由草图 直接生成工程图。然而，当零件结构比较复杂或者形状极不规则时，参数化设计 就不能很好的处理此情况。为了区别于参数化设计，把应用高级语言编程使具体 模型实现参数化称为参数化绘图( p a r a m e r i cd r a w i n g ) ，在参数化绘图中，图中的 部分尺寸( 或全部尺寸) 被事先定义为参数尺寸，当在制定界面输入相应的参数 值后，系统即可根据要求画出图形。 通过编程实现参数化绘图，其程序设计的总体思路是：将设计计算的关系式 写入程序中，在程序的控制下，执行计算及交互输入主要参数，程序应能对参数 输入进行有效性检验，根据用户的交互输入完成视图的绘制。 1 6 第3 章泵的主要部件参数化 3 泵的主要部件参数化 3 1 概述 本章主要对斜缸斜盘柱塞泵的主要组成部件的设计原理及计算方法进行研 究，并且详细阐述了零部件的参数化设计过程。从零部件的理论计算，相互之间 的配合关系等多方面进行分析。参数化设计过程中，将利用公式计算出的结果， 转化成合理的建模参数，并且通过v b 平台建立人性化的操作界面，实现零部件 计算、设计、建模、分析等系列功能。 设计零件时应满足以下两点： 1 零件的实际使用要求：设计出的零件应在规定的使用寿命周期内按既定的 工作条件可靠地进行工作。 2 经济性要求：经济性要求贯穿于零件设计的全过程，零件成本低廉，关键 要注意以下几点： ( 1 ) 肩皂够满足强度要求的情况下，应合理地选择材料； ( 2 ) 精度等级选择合理，不能因过高的精度造成成本的上升； ( 3 ) 零件的工艺性优化，降低装配阶段的费用； ( 4 ) 对于一些非特殊件，尽可能采用标准化的零、部件。 3 1 1 参数化过程及优点 参数化设计的基本思想，是通过尺寸和定位约束来实现产品模型中形状特征 的建立和关联。在设计初期从模型中选定一些主要的定形、定位以及装配尺寸作 为自定义参数，在后期修改时改变变量定义，一些关联关系会进行自动计算并改 变与其相关的尺寸，从而快捷地建造一系列形状相似的零件。具体过程如图4 所 示。这种利用尺寸参数来驱动整体模型改变的方式为新的产品设计、产品建模的 建立以及系列产品进行优化设计等方面提供了高效的方式。而且提高了零件在整 个设计阶段的可修改性。 图4 参数化过程示意图 f i g4s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ep r o c e s sp a r a m e t e r s 1 7 安徽理丁大学硕十学位论文 参数化设计的优点是在设计初期只需绘制出草图，然后对绘制出的草图设置 适当的约束得到设计所需要的精确图形；该模式有利于对草图和模型进行编辑、 修改，能满足多次重复设计的需要，对设计人员的设计要求低。当然传统方式的 参数化设计也存在以下的缺点： ( 1 ) 自定义变量仅能驱动模型的一部分几何尺寸，通过一些公式来修改零件 的几何尺寸。但是零件的形状已基本确定，即零件的特征已经基本确定，几乎不 能进行改变。 ( 2 ) 自定义变量之间相互独立，不易创建一些合理的函数关系，也不便约束 模型内的每个变量。如果约束不当，会容易出现变形甚至信息丢失。 3 1 2p r o e n g 烈e e r 参数化过程 目前，常用对p r o e n g i n e e 脱行二次开发的方式主要有两种：一是基于 p r o e n g i n e e r 集成插件p r o t o o l k i t 进行二次开发；二是基于a u t o m a t i o n g a