大排量径向柱塞泵主要结构参数及流量脉动研究.pdf

Hy d r a u lic s P n e u ma t ic s S e a ls NO 0 2 2 0 1 5 d o i lO 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 5 0 2 0 0 5 大排量径向柱塞泵主要结构参数及流量脉动研究 杨 国来 田丽红 张友亮 朱礼浩 赵梅香 1 兰州理工大学 能源与动力工程学院 甘肃 兰州7 3 0 0 5 0 2 兰州理工大学 温州泵 阀工程研究院 浙江 温州3 2 5 1 0 5 摘 要 对8 0 0 m L r 径向柱塞泵主要结构参数的选取进行了全新的设计计算 建立了瞬时理论流量的数学模型确定了主要结构参数 分 析了不同参数对径向柱塞泵流量脉动的影响并计算出脉动系数 分析结果表明对于大排量的径向柱塞泵利用几何相似的有关系数进 行计算已经不适用 该文对大排量的径向柱塞泵的系列化有一定的参考价值 关键词 8 0 0 m L r 径向柱塞泵 偏心量 柱塞直径 瞬时流量 脉动系数 中图分类号 T H1 3 7 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 5 0 2 0 0 1 3 0 3 S t u d y o n M a in S t r u c t u r a l Pa r a me t e r s a nd Flo w P uls a t io n o f La r g e Dis p la c e me n t Ra d ia l Pis t o n P ump Y ANG Gu o l a i 7 三f h o n g Z HANG Y o u l ia n g Z HULi h a o Z HA0 Me i x i a n g 1 C o lle g e o f E n e r g y a n d P o we r E n g in e e r i n g L a n z h o u U n iV o f T e c h L a n z h o u 7 3 0 0 5 0 C h i n a 2 We n z h o u I n s t it u t e o f P u mp a n d V a l v e E n g in e e r in g L a n z h o u U n iv o f T e c h We n z h o u 3 2 5 1 0 5 C h in a Ab s t r a c t Ha v in g d e s ig n e d a n d c a lc u la t e d t h e ma in s t r u c t u r a l p a r a me t e r s o f t h e 8 0 0 m l r r a d ia l p is t o n p um p e s t a b lis h e d t h e ma t h e ma t ic a l mo d e l o f t h e t r a n s ie n t the o r e t ic a l f lo w c o n fi r me d t h e ma i n s t r u c t u r a l p a r a me t e r s a n a ly s is e d t h e i n fl u e n c e o f d iffe r e n t p ara me t e r s o n t h e fl o w p u ls a t in g o f t h e r a d ia l p is t o n p u mp Th e r e s u lt s s h o w t h a t the c o e ffic ie n t s b a s e d o n g e o me t r ic s imila ri t y are n o lo n g e Ls u it a b le f o r larg e c a p a c it y r a d i a l p i s t o n p u mp s T h i s p a p e r h a s a c e r t a i n r e f e r e n c e v a l u e f o r t h e s e ri a l i z a t io n o f l a r g e c a p a c i t y r a d ia l p is t o n p u mp s Ke y wo r d s 8 0 0 mL r r a d i a l p i s t o n p um p e c c e n t ri c a mo u n t p l u n g e r d ia me t e r i n s t a n t a n e o u s flo w p u ls a t i li ty i n d e x 0 引言 径向柱塞泵具有工作压力高 寿命长 抗冲击能力 强 响应迅速 噪声低等优点 被广泛应用在冶金 矿山 锻压 注塑 船舶等机械设备 中 目前我 国对于小排量 的径 向柱塞泵的设计理论技术 已经非常成熟 但是对于 大排量的径向柱塞泵 目前还没有相关的设计资料 其 系列化技术还不成熟 本文参考几何相似原则的有关 系数对 8 0 0 mL r 径 向柱塞泵 的主要结构参数初步进行 设计计算 结果发现其设计结果与实际相差较大 最后 通过建立其数学模型 分析计算 出最佳参数匹配 1 8 0 0 mL r 径 向柱 塞 泵 原 理 及 结 构 特 点 如 图 1 所示为 8 0 0 mL r 径 向柱塞泵结 构原理 图 定 子与转子偏心安装 传动轴带动转子转动 随着转子的 转动柱塞腔的容积变 大或者变小 转子每转一周 柱塞 完成一次 吸排 油 为 了节 约成本 同时还满足材料 的 比功要求 该泵在定子外面安装有圆柱滚子轴承 使定 子与转子实现同步旋转 由于该泵的体积大 质量大 收稿 日期 2 0 1 4 0 8 0 8 基金项 目 国家科技部科技型中心企业技术创新基金 1 3 C 2 6 2 4 3 3 0 2 4 7 1 作者简介 杨国来 1 9 6 3 一 男 满族 辽宁沈阳人 教授 学士 主要从事 流体传动及控制技术的研发和教学工作 惯性大 不 同于通过使定子水平移动来实现变量 的一 般径 向柱该泵 的变量 该泵的变量 由托架驱动定子绕 支撑轴摆动来实现 图 1 结构简 图 2 参数计算 几何相似是径 向柱塞泵 系列设计所遵循 的原则 不 同排量 的径向柱塞泵如果能够做到功能尺寸几何相 似 或 近似几何相似 则泵 的性能特性 曲线将相似 重 要参数可利用有关系数进行计算 在效率分析中用泵 的几何排量的 与过流尺寸的比例关系推导出了参 数之间的计算公式 做 出了特性 曲线 为系列设计提供 了重要依据 配流轴直径 D I 6 0 8 1 4 9 2 7 mm 柱塞直径 d 0 7 1 8 6 6 6 5 mm 13 液 压 气 动 与 密 封 20 1 5爿 j 0 2期 偏心距 e O 1 7 8 1 6 5 2 mm 定子内径 4 2 2 8 3 9 2 4 9 ram 其 中 V 8 0 0 mL r 为柱塞的几何排量 根据以上计算结果将柱塞沿定子周向1 1 个排列 每个柱塞之 间是相互干涉的 所 以按照相似原则设计 的有关系数计算 的重要结构尺寸是不合适的 本文运 用 Ma t la b 软件进行主要结构参数的设计计算 3 瞬时流量数学模型的建立 3 1运动学分析 由图 1 可知 径 向柱塞泵 的滑靴 柱塞组件一起构 成了一个特殊形式的曲柄连杆机构 图 1 中 为滑靴 与定子摩擦副的中点 K 为柱塞球头中心 0 为转子旋 转中心 0 为定子中心 为滑靴长度 R为定子半径 e 为偏心量 为转角 P为矢径 当转子绕 0 旋转 由0 至 由几何关系可知 P e C O S 咖 R 一 e s i n 则转子每转一周柱塞的行程为 s P ro P e 1 一 c s 咖 吉 s i n 24 2 e 1 柱塞相对转子的相对速度为 害 e w s i n 1 而 e s i n 2 2 3 2 瞬时流量及流量脉动计算 1 瞬时流量计算 1 转子每转一周单个柱塞的理论平均流量为 Q ff d 2 2 e n 3 式 中 d 柱塞直径 e 偏 心距 卜柱塞数 n 转速 1 O 0 0 d m in 带入前面计算的几何参数 柱塞的理论排量不满 足 8 0 0 mL r 的要求 2 单个柱塞 的瞬时流量为 Q d d e s in s in 2 4 式中 转子角速度 该柱塞所处位置的转角 3 泵 的瞬时流量为 e ra s in 5 式中 m 位于排油区的柱塞数目 泵 的柱塞数为 z 则相邻柱塞问的夹角为 r r 一 1 4 0 咖 由数学推导最终可得 a 当柱塞数为偶数时 m 上 2 在 O 币 范围内 有 7 斗 r d 2 t o e C O S 湖 l p f1 南 6 b 当柱塞数为奇数时 在 0 范围内 排油区柱塞数 目为 m 从而有 c o s 1 南 在 卢 咖 m 有 考 南 8 2 流量脉动计算 1 当 咖 0 t 3 时 有 Q 1 2 e Lr 1 c t 譬 一 1 吉 ta n f3 9 2 当 咖 时 有 IT d 2 0 e 0 则流量脉动为 6 Q 4 参数对瞬时流量和流量脉动的影响 1 流量为 8 0 0 L m in时 不 同参数 e 和 d匹配时的 流量如图 2 所示 当已知流量时 仅从瞬时流量 的角度 出发 e 2 5 m m d 4 3 mm的平均流量 是非常接近理论流 柱塞转 角 r a d 图 2 d 和 e 不同时的瞬时流量 Hy d r a u lic s P n e u ma t ic s S e a ls No 0 2 2 0 1 5 2 e 取不 同值 时的瞬时流量与平均流量之 比 如 图3 所示 可以看出e 对径向柱塞泵的脉动影响很小 在曲线 的上升阶段 e 2 0 m m的脉动 比较大 在 曲线 的下 降阶段e 3 0 m m的脉动比较大 而e 2 5 m m一直处于比 较稳定的平均状态 而且从吸油速度考虑 偏心e 的增 大 将使柱塞相对运动速度增加 这样在吸油区极易产 生汽蚀和噪声 而e 太小就会使柱塞直径增大 使泵的 径 向尺寸增加 体 积增大 不利 于加工制造与运输 所 以e 取 2 5 mm 柱塞转 角 r a d 图 3 不 同偏 心距时的瞬时理论流量 3 取 不同值时 的瞬时流量与平均 流量之 比 如 图4 所示 是相邻柱塞对流量比的影响 可以看出偶数 柱 塞 的流 量脉 动程度 明显 要高 于奇数柱塞 的流量 脉 动 柱塞数为 1 0 时的流量不均匀系数达 6 1 5 而柱塞 数为 ll时的流量不均匀系数仅为 1 2 5 所以对大排 量 的径 向柱塞泵应尽量采用 比较大的奇数柱塞 流量 脉冲 z 9 z l0 1 l 柱罄转 角 r a d 图4相邻柱塞的瞬时流量 由图 5可以看 出随着 柱塞数 的减小 瞬时流量脉 动越来越剧烈 当z 7 时流量不均匀系数为 3 2 而当 z 9 时 流量不均匀系数已经降为 1 8 而且随着柱塞 数 的增 大 瞬时 流量越 来越 接近 平均 流量 对 于 8 0 0 mL r 的径 向柱塞泵如果柱塞数过多要 么会导致缸 体强度不够 要么就是泵的径向尺寸过大 综合考虑 选择 z l1 4 流量脉动系数 见 图6 图 7 可 以看 出偶数柱塞 的脉动系数要 大于奇数柱塞 的脉动系数 而且随着柱 塞数的增加 脉动系数逐渐减小 但是减小的幅度已经 有 所下降 仅从流量脉动 的角度 出发对于大排量的径 向柱塞泵应尽量选择奇数大柱塞数 述 黎 需 壁 柱塞转角 r a d 图 5 奇数柱塞 瞬时流量 I l E蔫 OO 3 5 0 0 3 0 00 2 5 籁 憾 00 2 0 薹 o o l 5 O 0l0 01 0 5 图6奇数柱塞脉动系数 图7偶数柱塞脉动系数 5 结论 1 利用几何相似的有关系数进行大排量径向柱 塞泵的主要结构参数计算是不适用的 对于8 0 0 m L r 的 径 向柱塞泵 d 4 3 m m e 2 5 m m是最佳参数匹配 2 偏心距 e 对于瞬时理论流量几乎没有影响 3 从流量脉动角度 出发 对于大排量的径 向柱塞 泵应尽量选择奇数大柱塞数 参考文献 1 贾跃虎 王荣哲 安高成 新型径向柱塞泵 M 北京 国防工 业 出版社 2 0 1 2 2 艾超 孔祥东 刘胜凯 王光平 径向柱塞泵瞬时理论流量仿 真研究 J