（流体机械及工程专业论文）小型磁力转柱泵的研究.pdf

学位论文版权使用授权书 江苏大学 中国科学技术信息研究所 国家图书馆 中国学术期刊 光盘 版 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档 可以采用 影印 缩印或其他复制手段保存论文 本人电子文档的内容和纸质论文的内容 相一致 允许论文被查阅和借阅 同时授权中国科学技术信息研究所将本论文 编入 中国学位论文全文数据库 并向社会提供查询 授权中国学术期刊 光 盘版 电子杂志社将本论文编入 中国优秀博硕士学位论文全文数据库 并向 社会提供查询 论文的公布 包括刊登 授权江苏大学研究生处办理 本学位论文属于不保密彤 学位论文作者签名 豸歼仔 伽l 年6 具1 l 尹 指导教师签名 卜晕卜 沙 1 年6 月1 3e t 小型磁力转柱泵的研究 s t u d y o ns m a l l m a g n e t i cd r i v i n g r o l l e rp u m p 2 0 1 1 年6 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 滑片式容积泵作为一种液压泵 在各种工业设备 行走机械以及船舶 飞机 上都得到了广泛应用 由于其本身结构的限制 随着泵转速和工作压力的提高 滑片泵将出现滑片与定子内壁磨损严重 发热量大等现象 机械效率不高 不利 于泵的长时间运转工作 普通滑片泵无法做到完全无泄漏 难以用于输送有毒 易燃 易爆 腐蚀性以及贵重液体 为从根本上解决滑片泵磨损和轴封泄漏的问题 本课题研究开发了一种新型 磁力转柱泵 由转柱代替传统的滑片 并合理设计转子等部件 使滑片与定子内 壁的滑动摩擦变为转柱与内壁的滚动摩擦 从而大大减小了转柱与定子的磨损 提高了转柱泵的可靠性和寿命 同时使用磁力驱动结构 实现无轴封 绝对无泄 漏 使得转柱泵的适用范围扩展到一些输送特殊介质的场合 应用范围更加广泛 本课题对磁力转柱泵的主要研究内容及成果如下 1 利用c f d 数值模拟技术研究单作用滑片泵内部流动 分析泵的瞬时流 量特性 描述出工作腔内部的瞬时流量脉动和压力脉动的变化规律 提出了滑片 泵结构优化方案 可有效降低泵出口处的瞬时流量脉动和压力脉动 结合内部容 积压力及其变化 计算出转子受到的径向力 并给出减小径向力的措施 2 结合滑片泵的流量特性和优化方案 对转柱泵的主要结构参数提出设计 计算方法 并详细讨论了转柱泵整体结构和关键零件的加工技术要求 设计出冷 却循环回路 对导流孔以及冷却流量作了初步预估 3 根据磁力转柱泵的技术参数 应用p r o e n g i n e e r 软件对泵水体进行实体建 模 采用i c e m 软件对水体模型划分结构网格 基于f l u e n t 软件对泵进行非定常 模拟 得出泵的瞬时流量和内部压力的变化 并进一步计算出转柱的受力和转子 受到的径向力 利用冷却循环流量的数值计算结果做为初始条件 对冷却循环回 路进行温度场的数值模拟 并验证冷却回路及导流孔尺寸设计的合理性 4 分析了磁力转柱泵的各种能量损失形式 并提出较详细的计算方法 5 对样机进行2 0 0 小时累计试验研究 得到样机的外特性曲线和转子 转 柱 配流盘侧面的磨损曲线 在此基础上分析试验结果产生误差的原因 提出了 小型磁力转柱泵的研究 改善方案 关键词 磁力转柱泵 数值模拟 动网格 流量特性 径向力 冷却回路 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t 触o n et y p eo fh y d r a u l i cp u m p s l i d i n g v a n ed i s p l a c e m e n tp u m ph a sb e e nw i d e l y u s e di ns o r t so fi n d u s t r yf a c i l i t i e s m a c h i n e s w a t e r c r a f t sa n da i r c r a f t s e t c b u tw i t ht h e a d v a n c e m e n to ft h ev a n e ss p e e da n dw o r k i n gp r e s s u r ea n db e c a u s eo ft h el i m i to fi t s s t r u c t u r e i ta p p e a r sd r a m a t i c a l l yw e a r i n gb e t w e e nt h et i po fv a n ea n di n n e rw a l lo ft h e s t a t o r g e n e r a t i n gl o t so fh e a t i tw i l lr e s u l t i nl o wm e c h a n i c a le f f i c i e n c y i nw h i c h c o n d i t i o n sn o tc o n d u c t i v et ow o r k i n gl o n gh o u r s f o rs o l v i n gt h i sw e a r i n gp r o b l e mr a d i c a l l y an e wm a g n e t i cd r i v i n gr o l l e rp u m p w a sr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e db a s e do nt h es t r u c t u r eo fv a n ep u m p v a n e si nt h ep u m p w e r es u b s t i t u t e db yr o l l e r s a n dan e wr o t o rs t r u c t u r ew a sa l s or a t i o n a l l yd e s i g n e d s o t h es l i d i n gf r i c t i o nb e t w e e nv a n e sa n di n n e rw a l lo fs t a t o rw o u l db e c o m et h er o u i n g f r i c t i o nw h i c hi sb e t w e e nr o l l e r sa n di n n e rw a l lo fs t a t o r a n dc o n s e q u e n t l yd e c r e a s et h e l o s so fw e a r i n ga n di n c r e a s et h er e l i a b i l i t ya n dl i f eo fp u m p m e a n w h i l e w i t ht h e m a g n e t i cd r i v i n gs t r u c t u r e t h es c o p eo fa p p l i c a t i o no fr o h e rp u m pw o u l de x p a n dt o s o m es p e c i a le n v i r o n m e n t si nw h i c hi tw a su s e dt os o m es p e c i a lm a t e r i a l sa st h e t r a n s f e r r i n gf l u i d s t h em a i n w o r k si nt h i ss t u d ya r ea sf o l l o w i n g 1 an u m e r i c a ls i m u l a t i o nt ot h et r a n s i e n tf l o wf i e l do fs i n g l e a c t i n gv a n ep u m p w a sp e r f o r m e db yu s i n gd y n a m i cm e s hm e t h o dw i t ht u r b u l e n tm o d e l s t h ed e t a i l so f t r a n s i e n tf l o wc h a r a c t e r i s t i ca n dp r e s s u r ef l u c t u a t i o nw e r eo b t a i n e d o nt h eb a s eo f w h i c ht h er a d i a lf o r c ea n dp e r i o d i cv a r i a t i o no ft h ep u m pw a sc a l c u l a t e d t h e r ew a s c l o s er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es i z ea n dp e r i o d i cv a r i a t i o no fr a d i a lp u m p 而t l li t s d i r e c t i o na n dt h ep r e s s u r ev a r i a t i o ni nt h ew o r k i n gc h a m b e r t h es t a b i l i t yo ft h ef l o w r a t ea n dp r e s s u r eo fs i n g l e a c t i n gv a n ep u m pc o u l db ee s t i m a t e da n dd e s c r i b e db yt h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o n f l o wa n dp r e s s u r ef l u c t u a t i o nc o u l db er e d u c e db ya p p r o p r i a t e l y d e s i g n i n gt h ec o m e ro fp o r tp l a t ea n dt h es t r u c t u r e0 fv s h a p e dg r o o v e r a d i a lf o r c ea n d i t sf l u c t u a t i o nc o u l db ee f f e c t i v e l yr e d u c e db ya p p r o p r i a t e l yd e s i g n i n gt h ec o m e ro fp o r t p l a t ea n dt h es t r u c t u r eo fv s h a p e dg r o o v e 2 t h em a i np a r a m e t e ro fr o l l e rp u m ps t r u c t u r ew e r ei n v e s t i g a t e da n dc a l c u l a t e d w i t ht h er e f e r e n c eo fd e s i g na n dp r i o r i t i z a t i o ns c h e m eo fv a n ep u m p t h ep r o c e s s i n g r e q u i r e m e n t so fw h o l es t r u c t u r ea n dk e yc o m p o n e n t sw e r ep a r t i c u l a r l ya n a l y z e d a d d i t i o n a l l y t h ec o o l i n gc i r c u i tu s e df o rd r a w i n go f ft h eh e a tg e n e r a t e db yc o n t a i n m e n t s h e l lw a sd e s i g n e d 丽t 1 1t h ef l o wr a t eo fc o o l i n ga n dd i m e n s i o n so ft h ed i v e r s i o nh o l e i n 小型磁力转柱泵的研究 e s t i m a t e d 3 a c c o r d i n gt op a r a m e t e r so fm a g n e t i cd r i v i n gr o l l e rp u m p t h e3 d m o d e lw a s d r a w nu pa n da s s e m b l e db yp r o e n g i n e e r a n di t ss t r u c t u r em e s ho fw h i c hw a sf i n i s h e d b yi c e m t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nt ot h et r a n s i e n tf l o wf i e l do fm a g n e t i cd r i v i n gm i l e r p u m pw a sa l s op e r f o r m e db yf l u e n ta n dt h ed e t a i l so ft r a n s i e n tf l o wc h a r a c t e r i s t i ca n d p r e s s u r ef l u c t u a t i o nw e r eo b t a i n e d u s i n gt h ed a t ao f t r a n s i e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h e f o r c eo fr o l l e r sa n dr o t o rw e r ef u r t h e rc a l c u l a t e d m e a n w h i l e t h er a t i o n a l i t yo ft h e c o o l i n gc i r c u i t sd e s i g na n di t sd i m e n s i o nw e r ev e r i f i e dt h r o u g ht h er e s u l t so fn u m e r i c a l s i m u l a t i o n 4 s o r t so fe n e r g yl o s so fm a g n e t i cd r i v i n gr o l l e rp u m pw e r ea n a l y z e da n d c o m p u t a t i o n a lm e t h o d so f e a c hl o s sw e r eg i v e n 5 w i t h u pt o2 0 0h o u r s e x p e r i m e n to ft h ep r o t o t y p em a c h i n e t h ee x p e r i m e n t a l f l o wr a t ec u r v eo fp u m pa n df r i c t i o nc u r v e so fr o l l e r r o t o r a n dp o r tp l a t ew e r eo b t a i n e d b a s e do nt h e s et w oc u r v e sa n dt h ee x p e r i m e n t t h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h e o r e t i c a lv a l u e a n de x p e r i m e n t a lv a l u eh a db e e ni n v e s t i g a t e d a n dm e t h o d so fi m p r o v e m e n tw e r ea l s o p r o p o s e d k e yw o r d s m a g n e t i cd r i v i n gr o l l e rp u m p n u m e r i c a ls i m u l a t i o n o y n a m i em e s h f l o wc h a r a c t e r i s t i c r a d i a lf o r c e c o o l i n gc i r c u i t i v 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 1 4 第二章 目录 l 研究的背景 1 1 1 1 滑片泵 1 1 1 2 磁力驱动技术及其应用 2 传统滑片泵的结构和特点 2 1 2 1 单作用式 2 1 2 2 双作用式 3 1 2 3 滑片泵的特点 3 国内外现状及转柱泵的发展 4 1 3 1 国外现状 4 1 3 2 国内现状 5 1 3 3国内外对比以及转柱泵的发展 6 本课题研究的意义及主要内容 7 基于动网格的单作用滑片泵流量特性分析 8 2 1 研究方法 8 2 2f l u e n t 软件介绍 8 2 2 1 动网格模型 9 2 2 2 用户自定义函数 切 f 9 2 2 3 求解步骤 9 2 3 计算模型 1 0 2 3 1 p r o e n g i n e e r 建立模型 1 0 2 3 2 网格划分 1 0 2 3 3 控制方程与边界条件 1 1 2 3 4u d f 算法 1 1 2 3 5 动网格设置 1 3 2 3 6 模型求解 1 3 2 4 流量脉动模拟结果分析 1 4 2 4 1 理论流量的计算与模拟性能的预测 1 4 2 4 2 瞬时流量特性分析 1 6 2 5 影响流量脉动和不均匀性的因素 1 7 2 5 1 配流盘转角与v 形槽的设置 1 7 v 小型磁力转柱泵的研究 2 5 2 滑片数的选择 1 8 2 5 3 输送液体的可压缩性 1 9 2 6 转子的径向力 1 9 2 6 1 径向力分析 1 9 2 6 2 减小转子径向力的主要措施 2 1 第三章磁力转柱泵的设计 3 1 磁力转柱泵的结构 2 3 3 1 1 转柱泵泵体结构 2 3 3 1 2 磁力转柱泵的整体结构 2 3 3 2 转柱泵泵体的设计与选择 2 4 3 2 1 设计参数 2 4 3 2 2 主要结构参数的设计 2 6 3 3 主要技术要求 2 9 3 3 1 整体结构的技术要求 2 9 3 3 2 关键零件的技术要求 3 0 3 4 磁力驱动器的设计 3 2 3 4 1 磁路设计 3 2 3 4 2 磁路材料的选择 3 2 3 4 3 隔离套的设计 3 3 3 4 4 磁性联轴器结构参数的优化 3 5 第四章磁力转柱泵内流场数值模拟 4 1 磁力转柱泵参数 3 6 4 2 转柱泵内流场数值模拟 3 6 4 2 1 几何造型及网格的生成 3 6 4 2 2 数值计算方法 3 8 4 3 瞬时流量特性分析 4 0 4 4 转柱受力分析 4 2 4 5 径向力分析 4 4 4 6 不同工况下转柱受力及冷却流量的计算 4 5 4 6 1 转柱受力的计算 4 5 4 6 2 冷却流量的计算 4 7 第五章磁力转柱泵的能耗分析与计算 4 8 5 1 容积损失 4 8 5 1 1 容积损失的几种形式 4 8 江苏大学硕士学位论文 5 1 2 缝隙间容积损失的计算 4 8 5 2 摩擦损失 5 0 5 3 涡流损失 5 1 5 3 1 涡流损失的产生 5 1 5 3 2 涡流损失的计算方法 5 1 5 4 温度场的数值计算 5 3 5 4 1 边界条件的假设 5 3 5 4 2 计算方法 5 3 5 a 3 计算结果分析 5 4 第六章 6 1 6 2 6 3 6 4 6 5 6 6 第七章 7 1 7 2 附录 参考文献 致谢 试验 5 5 试验测试目的 5 5 试验方案 5 5 滑片泵性能预测试验 5 6 磁力转柱泵性能试验 5 7 磨损试验 5 8 样机试验结果分析 6 1 总结与展望6 2 研究结果与总结 6 2 研究展望 6 3 在读学位期间发表的论文 6 4 6 8 7 1 7 2 v 江苏大学硕士学位论文 1 1 研究的背景 第一章绪论 1 1 1 滑片泵 滑片式容积泵 简称滑片泵 是一种性能优越 应用广泛的容积式转子泵 尤其随着我国石化行业的快速发展 滑片泵凭借着结构简单 白吸能力强的优势 逐渐取代了在扫舱 码头泄槽等场所普遍使用的螺杆泵 离心泵真空装置 作为 容积式转子泵 其特点之一是每转一周 泵的液体排量是一定的 再者 这种泵 的进出口之间保持有一个不问断的液体密封 这种密封是由输液元件的移动和位 置以及泵的运转间隙所形成的 因此 这种转子泵一般不需要往复泵那样的进出 口阀门装置 滑片式容积泵出口压力取决于负载阻力的大小和密封容腔各相对滑 动表面的密封性 基本上与流量无关 在近代液压技术发展史上 滑片泵是最早投入实际应用的一种液压泵 1 1 与齿 轮泵 柱塞泵相比 滑片泵具有尺寸小 重量轻 流量均匀 噪音低的突出优点 在各类液压泵中 滑片泵输出单位液压功率所需的重量几乎是最轻的 由于结构 比较简单 其价格也比柱塞泵低 而且可以与齿轮泵竞争 以往的滑片泵主要用 于6 3 7 0 m p a 以下的中低压系统 例如机床液压系统 近年来随着高压性能滑片 泵的发展 滑片泵的性能得到了大幅度提高 压力等级普遍提高到1 6 0 一1 7 5 m p a 在国外甚至出现了压力高达4 0 0 m p a 的滑片泵 从而打破了传统的观念 广泛应 用于各种中高压液压设备 与此同时 将滑片泵的噪声控制在6 5 6 8 删以下的 低噪声水平已经完全可以实现 甚至可以更低 这也是齿轮泵和柱塞泵无法比拟 的 滑片泵特别适用于要求运转平稳 流量均匀和低噪声的工作场合 如在各种 机床设备 塑料注射机 压铸机 船舶 统等方面应用十分广泛 一般的滑片泵 冶金机械 工程建筑机械 车辆转向系 随着滑片速度和工作压力的提高 滑片 泵将出现滑片与定子磨损严重 发热量大等现象 机械效率不高 对于输送介质 的污染程度较敏感 滑片易出现咬死现象 2 1 由于未采用特殊传动装置 在输送有 毒 易燃 易爆 腐蚀性以及各种贵重液体时 无法做到完全无泄漏 小型磁力转柱泵的研究 1 1 2 磁力驱动技术及其应用 磁力驱动技术是利用传动部件中主 从动永磁场所产生的耦合力 包括吸引 力和排斥力 来实现力或转矩 功率 的无接触传递 这种传动装置不仅变直联 式的硬传递为耦合式的软传递来实现主 从动装置完全分离 获得动态下的静密 封 保证零泄漏的条件 又可从根本上实现对传动控制的改进 减小机械传动构 件的质量和体积 提高其传动与控制的灵敏度 稳定性 可靠性 从而改善传动 系统的机械性能 优化其品质 目前 关于磁力驱动技术的研究比较丰富 且日 趋完善 在流体系统 流体机械 精密机械以及各种不同工作领域的相关系统中 得到了广泛的应用 3 啊 1 2 传统滑片泵的结构和特点 1 2 1单作用式 单作用式滑片泵的工作原理如图1 1 中 a 图所示 它的结构主要由转子 定子 泵体 滑片以及定子和转子两侧的盖板 侧板或称配流盘 组成 滑片可 沿转子滑片槽伸缩滑动 转子为圆盘形 定子内表面曲线为圆形 定子 转子的 圆心位置不同 转子相对于定子有一偏心矩占 以d 为轴心转动 在两侧配流盘上 开有两个腰形槽 分别为吸油窗口和排油窗口 如图中虚线所示 盘口 f l 口 a 单作用式 i i b 双作用式 图卜1 滑片泵结构简图 1 定子 2 转子 3 滑片 当转子按图示箭头方向旋转时 滑片在离心力和高压液体的作用下与定子内 表面保持接触 滑片顶部沿定子内表面滑动 随着转子的旋转 下半部的滑片沿 转子滑片槽逐渐向外伸出 由定子内表面 转子外圆 两侧配流盘及相邻两滑片 围成的密封容积逐渐增大 形成局部真空 实现从配流盘吸油窗口吸入油液 同 2 江苏大学硕士学位论文 时 上半部的滑片受定子内表面作用沿转子槽逐渐向内缩进 相邻两滑片间的密 封容积逐渐缩小 压力逐渐增大 油液便从配流盘排油窗口排出 下半部各吸油 容积由配流盘的吸油窗口连通为吸油腔 通为压油腔 两腔之间靠滑片隔离密封 的排油作用将使油液克服阻力强行挤出 上半部各排油容积由配流盘排油窗口连 如果在泵出口处油液流动受到阻力 泵 因而在压油腔形成压力 此输油压力取 决于负载阻力的大小和密封容腔各相对滑动表面的密封性 由于这种结构形式的 滑片泵转子周围所受的液压作用力不平衡 因此又可称为非平衡式滑片泵 如果改变定子与转子的偏心矩 则泵内各密封工作腔的容积之差将随之改变 因而转子每转一周所能吸入或排出的油量 即泵的排量随之改变 所以 单作用 式滑片泵可改装成变量滑片泵 1 2 2 双作用式 双作用式滑片泵的工作原理如图1 1 中 b 图所示 吸 压油原理与单作用 式滑片泵基本类似 所不同的只是定子的内表面近似为椭圆形 定子内壁曲线是 由两段大半径圆弧 两段小半径圆弧以及四段过渡曲线组成的 转子与定子是同 心的 定子内表面曲线有两个吸油区段和两个压油区段 相应地配流盘上也有两 个吸油窗口和排油窗口 在转子圆周上构成两个吸油腔和压油腔 压油腔和吸油 腔之间依靠正处在定子曲线大 小圆弧区段上的滑片隔离 这种结构形式的滑片 泵 转子每转一周 所有滑片都伸缩两次 各相邻滑片间的密封容积完成两次吸 压油作用 故称为双作用式滑片泵 由于转子圆周划分为两个吸油腔和两个压油 腔 而且压油腔与压油腔 吸油腔与吸油腔相对于轴心对称布置 作用于转子圆 周上的液压作用力基本平衡 轴和轴承所受的径向作用力很小 故称为平衡式滑 片泵 7 8 1 1 2 3 滑片泵的特点 滑片泵与齿轮泵 柱塞泵等其他类型的液压泵比较 有以下优缺点 1 运转平稳 流量均匀 脉动小 噪声较低 在所有液压泵中 其流量均 匀性和低噪声性能仅次于螺杆泵 2 容积效率高 工作压力较高 容易实现中高压 机械损失小 当压力等 于或低于7 o m p a 时 总效率往往高于其他类型的液压泵 3 滑片顶部与定子内表面磨损时 滑片能自动伸长进行补偿 从而可延长 3 小型磁力转柱泵的研究 使用寿命 4 容易实现变量 在不改变泵体结构的情况下 在一定范围内易于实现各 种不同形式的变量调节控制 5 结构紧凑 体积小 重量轻 装配维修方便 滑片泵的缺点有 1 对转速限制较严 转速太低或太高均难以保证正常工作 2 对油液粘度有一定要求 粘度太大 吸油阻力大 易造成吸油不足 粘 度太小 又容易通过滑动配合面泄漏 使泵的容积效率下降 3 零件的材料 热处理和制造精度要求较高 成本高于齿轮泵 而低于轴 向柱塞泵 4 对油液清洁度要求较高 油液混入污物容易引起滑片卡死 或者造成各 滑动表面的急剧磨损 5 单作用滑片泵径向液压力不平衡 轴和轴承所承受的径向负荷随压力的 升高而增大 因此泵的工作压力和寿命的提高均受到一定的限制 1 3 国内外现状及转柱泵的发展 滑片泵作为现代液压系统的重要工作泵 在各行各业都得到越来越广泛的应 用 在十九世纪以前 转子泵都被定义为齿轮泵 直n 十世纪初期 才出现新 型的滑片式液压泵 半个世纪前v i c k e r s 公司开创了圆形滑片泵 压力7 m p a 排 量7 2 0 0m l r 转速6 0 0 1 8 0 0r m i n 首先用于机床液压传动 为满足第二次世 界大战战舰配套需要 v i c k e r s 公司又发展了方型滑片泵 压力1 0 5 m p a 上 世纪7 0 8 0 年代 美国 德国 日本等相继研制成功了弹簧滑片滑片泵 双滑片 滑片泵 子母滑片泵 圆弧头滑片泵 柱销滑片泵和定比减压阀滑片泵等各类中 高压滑片泵 压力1 6 2 1 m p a 上世纪末 以d e n i s o n 公司为代表的柱销式高压 滑片泵 压力2 4 3 2 m p a 排量5 8 2 6 8m l r 转速6 0 0 3 6 0 0 椭血 进入全球液压产 品市场并取得液压界的关注 1 3 1国外现状 目前国外研究滑片泵的方向多在于对滑片的磨损与定子曲线的关系 以及对 系统的强度分析 r g e l l r i c h ak u n z g b e c k m a n n e b r o s z e i t 等人 9 1 在 关于叶 片泵耗损的理论和实践方面的研究 中 利用一种数值分析的方法来预测滑片泵 4 江苏大学硕士学位论文 的磨损特性 采用v i c k e r s 公司的滑片泵v 1 0 4 c 建立数学模型 描述定子内壁 的磨损和胶粘磨损现象 很好地完成了从实验结果得出的磨损情况和模拟计算值 之间的对比 yi n a g u m a la n dah i b i 1 0 1 在 通过研磨叶片泵的定子表面减少摩擦扭 矩 中 提出液压平衡式滑片泵定子表面的粗糙度对摩擦扭矩有一定的影响 论 证了通过研磨定子表面可以减小摩擦扭矩及其脉动 这项研究证明了当定子表面 粗糙度下降到0 4 聊r z 时 摩擦扭矩可降低一半 机械效率可提高5 a n t o n i o g i u f f r i d a r o s a r i ol a n z a f a m e 1 1 在 平衡式叶片泵的定子曲线和理论流速的研究 中 通过确定定子曲线的设计方法 决定定子曲线半径和滑片滑动之间的数学关 系 从而计算所有泵腔的体积导数并得出流速 yi n a g u m a ai i i b i 1 2 1 在 叶片泵 的机械效率理论研究 中 阐述了对滑片泵的机械效率的理论分析 给出了影响机 械效率的一些参数 如滑片粗糙度和定子凸轮升程 也讲到摩擦扭矩与定子 滑片 顶端粗糙度之间的关系 虽然摩擦阻力会随着粗糙度的增大而增大 但当定子曲线 升程较大时 随着滑片粗糙度的增加 机械效率并没有下降 同时介绍了一重要参 数占 定子凸轮曲线升程和滑片粗糙度之比 对机械效率影响显著 n a k a h a r a t s t m a m i t s u k y o g o k u k e i j i j t m g j a e y o u n 1 3 在 叶片泵滑片尖端的润滑特性分析 中 利用h o u p e r t h a m r o c k s 计算方法 在多种工况下对滑片顶端的弹性流体动力润 滑特性分析 k o j i m a e i i c h i 1 4 1 在 自动水利转向系统低噪声变量叶片泵的研究 中 通过基于对滑片泵泵源流动波纹的实验和模拟分析表明 变量滑片泵产生的噪音主 要是由于滑片反弹 反弹地点在下节点处的闭死区域 另外提出一种新型滑片泵定 子曲线 可以有效降低流体流动噪音 应用于各种汽车转向系统 1 3 2 国内现状 我国是世界上生产和应用滑片泵最多的国家 全国生产滑片泵的大小企业超 过1 5 0 0 家 尽管我国滑片泵生产和应用量增加很快 但滑片泵的设计理论和设计 方法没有得到相应提高 我国滑片泵的设计方法是2 0 世纪5 0 年代从苏联引进的 近2 0 年来 随着计算机技术的广泛应用 我国也开发了一些滑片泵计算机辅助设 计软件 也设计制造出一些高性能滑片泵 目前国内研究滑片泵的方向主要集中于用于汽车转向系统 研究滑片泵结构 以达到节能目的 以及研究噪声和振动的机理 减少与降低噪声 并改善液压系 统的性能等 大连海事大学孙玉清教授 1 5 提出了一种针对现有液压动力转向系统 中转向泵无用功率消耗过大 能量损失较多的问题研究设计一种具有速度补偿功能 5 小型磁力转柱泵的研究 的新型滑片式转向泵 它是从平衡式滑片泵本身的结构入手 通过改变泵内部的机 械结构而达到节能降耗的目的 进一步减少整个转向系统的能量损失 这对减少汽 车的耗油量 对我国的能源形势和石油战略都有积极意义 浙江大学王庆丰教授 1 6 l 通过分析常用滑片式转向泵能耗较大的原因和新型双联转向泵节省能耗的原理 研 究了影响节能效果的主要因素一一泵单元排量比 并提出排量比和效率 切换转速 以及总体节能效果之间的关系 从而为寻求获得最佳节能效果的方法提供理论基础 太原理工大学权龙教授 1 7 以减少功耗为出发点 提出用单作用滑片泵取代双作用滑 片泵 以达到节能的目的 并对其流量特性和定子受力特性进行研究分析 采取有 效措施降低其流量脉动 改善其定子受力 在噪声研究方面 国内对滑片泵降噪的 研究主要有广州机床研究所 王忠键 1 8 1 对降低y b 型滑片泵噪声进行了研究 沈阳 工业大学的孙继昌 1 9 通过对噪声的测试与分析 提出了转向泵噪声产生的原因及降 噪消振措施 使转向泵的噪声在一定程度上得到了控制 宁波大学机械工程系的林 九如 加 从定子曲线开始 到提出合理设计减振槽等方面探讨降低滑片泵噪声的途 径 太原理工大学的孙艳 2 1 对差压控制型变量滑片泵定子受力 转子所受径向作用 力以及由于滑片受剪而产生的扭矩分析 建立了计算受力的数学模型 并通过对 v 4 8 0 型变量滑片泵内部的受力计算验证了分析建模的正确性 1 3 3 国内外对比以及转柱泵的发展 滑片泵品种繁多 生产数量很大 目前国内外对滑片泵的研究主要集中在降 低噪声和提高滑片的使用寿命 并改善系统性能 研究滑片泵的类型多为双作用 滑片泵和变量滑片泵 研究的切入点多为定子曲线的设计和优化 对滑片结构的 优化 通过计算机辅助设计软件的模拟仿真和大量的试验研究 分析滑片和系统 受力 从而寻求最佳设计方法 并达到节能降耗的目的 对于转柱泵应用和发展 国内外还处于试验推广阶段 1 9 8 2 年日本学者s y z y k i 等人圈率先发明了转柱泵 介绍了转柱泵的工作原理和应用范围 1 9 8 5 年的 w o d d p u m p 中也有关于转柱泵的介绍网 在压力不超过1 0 5 m p a 时 转柱泵比离心泵 更具竞争力 但由于转柱仅靠离心力与定子壁面接触 工作压力低 使用范围受 到一定的限制 在国内 聂如副冽开展了转柱泵的研发工作 改进的转柱泵与以 往的滑片泵相比 有输送介质多 效率高 耐磨性好 计量精度高等优点 浙江 工业大学的张生昌教授 冽研制开发了电动喷雾器用高效低噪声双作用转柱泵 其 样机各项性能指标均达到国际先进水平 具有良好的推广前景 6 江苏大学硕士学位论文 目前国内对于磁力转柱泵的设计研究还不多见 在国外 由于最近十年来磁力 泵的应用量和应用范围急剧增长 已成为各种应用领域的常见装备 当前 除磁力 驱动离心泵以外 磁力驱动旋涡泵 磁力驱动齿轮泵 磁力驱动柱塞泵等各类特种 用途的磁力驱动泵均相继问世 但对于磁力转柱泵的尝试研究还相对比较少 1 4 本课题研究的意义及主要内容 为从根本上解决滑片泵磨损和轴封泄漏的问题 本课题研究开发新型磁力转 柱泵 由转柱代替原有的滑片 并合理设计转子等部件 使滑片与定子内壁的滑 动摩擦变为转柱与定子内壁的滚动摩擦 从而大大减小了转柱与定子的磨损 杜 绝了滑片卡死现象 提高了泵的机械效率和稳定性 采用磁力驱动结构 使得滑 片泵的适用范围扩展到一些特殊场合 如输送易燃易爆 贵重 强腐蚀等液体 可以做到绝对无泄漏 因此磁力转柱泵可广泛用于石油 化工 航空 制药等许 多领域输送特殊介质的场合 本课题研究的内容包括以下几个方面 1 首次使用数值模拟方法研究滑片泵瞬时流量特性和压力脉动 并根据数 值结果计算转子径向力 2 通过分析不同参数下滑片泵的瞬时流量和压力脉动 总结出影响滑片泵 性能的主要因素 并对滑片泵模型进行优化改进 使流量脉动和压力脉动降到最低 3 根据滑片泵优化模型方案设计转柱泵泵体 并由设计参数的要求确定转 柱泵主要部件的尺寸 并详细讨论了转柱泵泵体结构和关键零件的加工技术要求 4 分析并总结了磁性联轴器主要部件的设计计算 并设计出冷却循环回路 对导流孔以及冷却流量作了初步预估 5 对转柱泵容腔内部水体进行实体建模并划分结构网格 通过f l u e n t 软 件对泵进行非定常数值模拟 得到泵瞬时流量和压力的变化 进一步计算出转柱 的受力和转子受到的径向力 6 利用冷却循环流量的数值计算结果做为初始条件 对冷却循环回路进行 温度场的数值模拟 验证冷却回路及其尺寸设计的合理性 7 分析磁力转柱泵的各种能量损失 针对各种效率提出较详细的计算方法 8 对磁力转柱泵样机进行性能试验 得到样机外特性曲线和转柱 转子磨 损曲线 为磁力转柱泵的开发应用提供了依据 7 小型磁力转柱泵的研究 第二章基于动网格的单作用滑片泵流量特性分析 2 1 研究方法 传统研究滑片泵的方法多数为建立仿真模型 在理论分析的基础上 通过几 何计算 求得泵外特性的理论解或解析解 与实际结果相比存在较大的误差 2 6 2 7 1 计算流体动力学 c f d 的g 速发展 使得原来主要借助于基本的理论分析和大 量物理模型实验 完全可以利用c f d 方法在计算机上实现网 一般流动问题的控 制方程均为非线性的 自变量较多 计算域的几何形状和边界条件复杂 很难求 得解析解或近似解 而用c f d 方法则有可能找出满足工程需要的数值解 同时 可利用计算机进行各种数值试验 例如 选择不同流通参数进行物理方程中各项 有效性和敏感性试验 从而进行方案比较 这种方法不受物理模型和实验模型的 限制 有较多的灵活性 能给出详细和完整的数据资料 很容易模拟特殊尺寸 高温 有毒 易燃等真实条件和实验中只能接近而无法达到的理想条件 应用c f d 技术模拟滑片泵内部真实流动 得出的信息比较完整 可视化程度 高 具有较高的参考价值 例如g u i l l a u m eh o u z e a u x 2 9 1 等人介绍了一种有限元方法 模拟齿轮泵 并给出了在各个监测点的速度模数和压力分布 比较准确地预测出 了齿轮泵的工作特性 但对于模拟滑片泵内部流动情况的介绍还不多见 本文从 计算流体动力学角度出发 利用动网格技术和编译自定义函数 结合s s t k 一 湍 流模型对单作用滑片泵内部流场进行非定常数值模拟 并对产生流量脉动的原因 进行重点分析 验证了影响流量脉动的因素 得到了较满意的结果 2 2 f l u e n t 软件介绍 f l u e n t 是由美国原f l u e n t 公司于1 p h o e n i c s 软件之后的第二个投入市场的基本 功能最全面 适用性最广 国内使用最广泛的 流场模拟 化学组成混合和反应分析 多相流 多孔介质分析等 它的湍流模型包括k f i 模型 标准壁面函数 双层近壁模型等 8 江苏大学硕士学位论文 2 2 1 动网格模型 动网格模型跚可以用来模拟流场形状由于边界条件运动而随时间改变的问 题 边界的运动形式可以是预先定义的运动 即可以在计算前指定其速度和角速 度 也可以预先做定义的运动 即边界的运动要由前一步的计算结果决定 网格 的更新过程由f l u e n t 根据每个迭代步中边界的变化情况自动完成 在使用移动 网格模型时 必须首先定义初始网格 边界运动的方式并指定参与运动的区域 可以用边界型函数或者用户自定义函数 u d f 定义边界的运动方式p 1 1 2 2 2 用户自定义函数 u d f 用户自定义函数 u s e rd e f i n e df t m c t i o n 是一个在c 语言基础上扩展了 f l u e n t 特定功能后的编程接口阎 借助u d f 用户可以使用c 语言编写扩展 f l u e n t 的程序代码 然后动态加载到f l u e n t 环境中 u d f 的主要功能包括 1 设置边界条件 材料属性 表面和体积反应率 f l u e n t 输送方程的源 项 用户自定义的标量方程的源项 扩散函数等 2 调整每次迭代后的计算结果 3 初始化流场的解 4 向f l u e n t 传送返回值 修正f l u e n t 变量 操作外部c a s e 文件和d a t a 文件 2 2 3 求解步骤 1 由已知几何形状生成网格模型 2 网格文件导入f l u e n t 求解器 并检查网格质量 3 导入编写好的u d f 文件 确认编译成功 4 选择求解器和运行环境 5 设置流体材料属性 6 确定各边界类型和边界条件 7 设定动网格类型以及动网格控制区域 8 调整计算控制方程参数 9 流场初始化 1 0 运行求解计算 1 1 保存结果 9 小型磁力转柱泵的研究 2 3 计算模型 2 3 1 p r o e n g i n e e r 建立模型 选用一台微型滑片泵为计算模型 泵的定子 转子直径分别为3 3 8 m m 和 3 1 5 m m 定子 转子圆心之间的偏心矩为l m m 滑片数为4 滑片厚度为3 1 6 m m 轴向宽度为8 m m 转速2 9 0 0 r m i n 额定流量2 6 51 h 额定压力1 o m p a 其结构 如图2 1 所示 l2 图2 1 滑片泵的结构 1 泵入口2 泵出口 3 定子4 滑片5 转子 计算域包括泵内水体 配流盘和管道里的水体两部分 在负载压力较低的工 况下 忽略滑片与定子 配流盘与滑片 转子之间的间隙 3 3 滑片倾角为0 叶 尖与定子内壁假设为面接触 计算模型如图2 2 图2 2 计算模型与网格划分 2 3 2 网格划分 为便于分析和求解节点移动规律 对模型的初始坐标要求如下 1 旋转轴设定为z 轴 旋转角速度方向为z 轴正方向 2 转子圆心位于原点 定子内壁圆心位于 e 0 处 其中占为定子与转 1 0 江苏大学硕士学位论文 子的偏心矩 3 模型一滑片位置关于x 轴对称 将模型导入i c e m 软件刚进行网格划分 滑片泵工作腔部分的水体用结构化 网格划分 配流盘及管道部分用适应性强的非结构网格划分 网格总数为4 2 7 9 7 0 网格扭曲率小于0 9 5 数值计算的目的是为了得到滑片泵的瞬时流量和压力随时 间的变化趋势 在非定常计算时监测泵出口的流量 同时监测排油窗口的绝对压 力值 2 3 3 控制方程与边界条件 应用连续性方程和r e y n o l d s 平均n a v i e r s t o k e s 方程模拟滑片泵内部流动 同 时使用k 一 湍流模型封闭方程组 设置进出口为压力边界条件 参考压力为一个 大气压 固壁采用无滑移边界条件 输送介质为普通液压油 2 0 0 c 时的体积弹性 模量为1 5 g p a 运动粘度为2 0x1 0 石m 2 s 液压油的密度和动力粘度可用下式表示 弼 户2 c 万o 2 1 1一 k 其中p 表示压强为p 时液压油的密度 岛表示一个大气压下液压油的密度 卸表 示压强p 与大气压之差