基于一種新型海水液壓泵的動(dòng)力學(xué)分析

謝朝明

（梧州學(xué)院，廣西梧州543002）

基于一種新型海水液壓泵的動(dòng)力學(xué)分析

謝朝明

（梧州學(xué)院，廣西梧州543002）

通過(guò)對(duì)海水泵系統(tǒng)等效力學(xué)模型的構(gòu)建，描繪出系統(tǒng)從啟動(dòng)到停止全部三個(gè)過(guò)程海水泵系統(tǒng)的動(dòng)力隨時(shí)間變化的規(guī)律。建立以回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的斜盤(pán)為等效構(gòu)件，以斜盤(pán)的擺角作為廣義坐標(biāo)求解所得出的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與等效力矩所構(gòu)成的等效力學(xué)模型，進(jìn)行動(dòng)力特性分析。并通過(guò)等效構(gòu)件有效地將整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)力特性折算到等效構(gòu)件上，求解出三個(gè)階段海水泵系統(tǒng)的動(dòng)力特性。

海水柱塞泵；等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；等效力矩；動(dòng)力學(xué)分析

筆者已成功開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)一種新結(jié)構(gòu)的斜盤(pán)連桿式的軸向柱塞水壓泵，該泵采用油水分離及閥配流結(jié)構(gòu)，它一共有7根連桿、7個(gè)柱塞，每根連桿的兩端分別鉸接到斜盤(pán)、柱塞，當(dāng)泵工作時(shí)，泵軸帶動(dòng)斜盤(pán)作圓錐擺轉(zhuǎn)，柱塞被連桿帶動(dòng)，從而達(dá)到吸水和壓水。具體結(jié)構(gòu)如下頁(yè)圖1所示。

圖1 海水泵總體結(jié)構(gòu)裝配圖

該泵達(dá)到技術(shù)目標(biāo)為：額定工作壓力3.5MPa（最大5MPa），額定流量350L/min，容積效率90%，屬于定量泵。

1 泵的主要運(yùn)動(dòng)構(gòu)件

泵體的主要運(yùn)動(dòng)構(gòu)件為斜盤(pán)和柱塞連桿組件，當(dāng)泵工作時(shí)，缸體不動(dòng)，主軸帶動(dòng)斜盤(pán)旋轉(zhuǎn)，由于每根連桿的兩端分別與斜盤(pán)和相應(yīng)的柱塞鉸接，斜盤(pán)作圓錐擺轉(zhuǎn)，通過(guò)連桿帶動(dòng)柱塞，實(shí)現(xiàn)吸水和壓水，因此，可將其視為自由度為1的平面搖桿滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。

通過(guò)NX8.0對(duì)上述零件進(jìn)行建模如下頁(yè)圖2及圖3所示。

1.1 活塞連桿：作為組件中的連桿連接斜盤(pán)與滑靴

圖2 連桿滑靴

1.2 活塞：作為組件中滑塊做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)

圖3 活塞

通過(guò)NX8.0建模后，應(yīng)用分析功能測(cè)得所需零件的性能參數(shù)：質(zhì)量m，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J，回轉(zhuǎn)半徑r，質(zhì)心x，及以上設(shè)計(jì)所得參數(shù)列出如表1所示。

表1 零件參數(shù)數(shù)據(jù)表

2 柱塞泵的擺動(dòng)力及擺動(dòng)力矩

將柱塞泵運(yùn)動(dòng)組件等效成平面搖桿滑塊機(jī)構(gòu)并對(duì)其進(jìn)行分析。

2.1 建立等效力學(xué)模型：

定A為斜盤(pán)的質(zhì)心，搖桿長(zhǎng)為l1，活塞桿長(zhǎng)為l2，鉸鏈點(diǎn)B到連桿的質(zhì)心S2的距離為ls2，活塞的偏心距為e=0.0765，活塞連桿滑靴組件的質(zhì)量為m2，活塞的質(zhì)量為m3，斜盤(pán)做角速度為ω的擺動(dòng)。假定活塞在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的摩擦阻力忽略不計(jì)，且活塞的質(zhì)心與鉸鏈C重合，建立如下圖4所示的運(yùn)動(dòng)構(gòu)件受力圖。

圖4 運(yùn)動(dòng)構(gòu)件受力圖

2.2 建立動(dòng)態(tài)靜力分析方程

在對(duì)上述構(gòu)件進(jìn)行受力分析后，應(yīng)用平面機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)靜力分析法，可推導(dǎo)出搖桿活塞的動(dòng)態(tài)靜力分析方程：

矩陣BI為8×1列陣，其中包含了3個(gè)部件的慣性力和慣性力矩；

矩陣B置零；

矩陣R為8×1列陣，包含了3個(gè)部件運(yùn)動(dòng)副中的作用反力和作用在搖桿中的力矩，為所求量；

矩陣A為8×8方陣，其中元素與各構(gòu)件的質(zhì)心位置有關(guān)；

求解所得結(jié)果將為柱塞組件的擺動(dòng)力及對(duì)斜盤(pán)中心的擺動(dòng)力矩隨斜盤(pán)擺動(dòng)角度β的變化情況[2]。

為求解單組活塞組件的擺動(dòng)力及對(duì)斜盤(pán)中點(diǎn)擺動(dòng)力矩隨斜盤(pán)擺動(dòng)角度β的變化情況，通過(guò)NX8.0建立單組柱塞組件，并將其導(dǎo)入到Abaqus中，對(duì)其進(jìn)行有限元?jiǎng)恿Ψ治?。得到如下圖5 x方向擺動(dòng)力、圖6 y方向擺動(dòng)力和下頁(yè)圖7擺動(dòng)力距所示的活塞組件的動(dòng)態(tài)特性。Abaqus中采用的是國(guó)際單位制，因此力的單位為N，力矩的單位為N/m。

圖5 x方向擺動(dòng)力

圖6 y方向擺動(dòng)力

圖7 擺動(dòng)力距

由圖5和圖6可知x方向的擺動(dòng)力與擺動(dòng)弧度為余弦關(guān)系式，而y方向的擺動(dòng)力與弧度的函數(shù)關(guān)系為正弦函數(shù)。在單個(gè)擺動(dòng)周期內(nèi)，所產(chǎn)生的x方向的擺動(dòng)力明顯要比y方向的擺動(dòng)力大得多，因此，海水泵在x方向上的擺動(dòng)力矩是引起泵體振動(dòng)的主要激勵(lì)。為此，在安裝固定海水泵體時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮消除振動(dòng)對(duì)泵體工作所帶來(lái)的影響，最主要的是消除沿活塞運(yùn)動(dòng)方向的影響[3]。泵體減振可通過(guò)以下幾種有效的辦法。

（1）增設(shè)適當(dāng)?shù)臏p振墊和減震器；

（2）架設(shè)彈簧減振支架；

（3）振動(dòng)較弱的方位還可采用橡膠墊來(lái)消除振動(dòng)；

3 柱塞泵的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和等效力矩

單自由度系統(tǒng)動(dòng)力是通過(guò)給定系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，來(lái)求解機(jī)械系統(tǒng)隨時(shí)間變化的規(guī)律。通過(guò)柱塞滑靴的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和靜力學(xué)分析已經(jīng)求解各個(gè)部件的角速度，角加速度以及各部件質(zhì)心的速度和加速度等表達(dá)式。通過(guò)lagrange機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)能定理可求解得出系統(tǒng)等效構(gòu)件的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，進(jìn)而通過(guò)單自由度機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程求解得出機(jī)械系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及等效力矩隨擺動(dòng)弧度周期變化的規(guī)律。

3.1 柱塞滑靴的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

建立斜盤(pán)、連桿、活塞滑靴組件的單自由度系統(tǒng)，視斜盤(pán)為等效構(gòu)件，將系統(tǒng)各構(gòu)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到等效構(gòu)件上即可求解系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

由等效慣量計(jì)算式：

可得

式中：ω1為斜盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度；

β為斜盤(pán)傾角；

θ為斜盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)角；

D為斜盤(pán)直徑；

3.2 柱塞滑靴的等效力矩

斜盤(pán)作為等效構(gòu)件做定點(diǎn)擺動(dòng)運(yùn)用動(dòng)力學(xué)方程的能量形式：

則由上述可得等效力矩的表達(dá)式：

以等效構(gòu)件運(yùn)動(dòng)學(xué)模型表示系統(tǒng)的動(dòng)力形態(tài)，是求解單自由度系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的重要原理。因此，對(duì)于海水泵的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)而言，建立以回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的斜盤(pán)為等效構(gòu)件，以斜盤(pán)的擺角作為廣義坐標(biāo)求解所得出的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與等效力矩所構(gòu)成的等效力學(xué)模型，進(jìn)行動(dòng)力特性分析。通過(guò)已構(gòu)建的力學(xué)模型便可求解出泵總體的運(yùn)動(dòng)參量在不同情況的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，下頁(yè)圖8為等效構(gòu)件斜盤(pán)在運(yùn)動(dòng)和穩(wěn)態(tài)時(shí)刻鉸鏈處和質(zhì)心處的速度與擺角關(guān)系圖，該圖說(shuō)明了當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，等效力學(xué)模型的速度和周期性變化[4]。

圖8 等效構(gòu)件的穩(wěn)態(tài)速度變化

總而言之，機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力形態(tài)全過(guò)程包括三個(gè)階段：?jiǎn)?dòng)階段、穩(wěn)定階段和停車(chē)階段的響應(yīng)。通過(guò)對(duì)海水泵系統(tǒng)等效力學(xué)模型的構(gòu)建，便可描繪出系統(tǒng)從啟動(dòng)到停止全部三個(gè)過(guò)程海水泵系統(tǒng)的動(dòng)力隨時(shí)間變化的規(guī)律。其中，對(duì)于海水泵的穩(wěn)定運(yùn)行階段，擺動(dòng)力作為主要激振力呈周期性變化。因此系統(tǒng)的擺動(dòng)力及擺動(dòng)力矩是研究系統(tǒng)穩(wěn)定階段振動(dòng)、提高工作精度和可靠性的重要因素。而在啟動(dòng)階段和停車(chē)階段的過(guò)渡歷程中，會(huì)產(chǎn)生較大的動(dòng)載荷，載荷非穩(wěn)定，因此構(gòu)建等效力學(xué)模型，通過(guò)等效構(gòu)件有效地將整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)力特性折算到等效構(gòu)件上，由此便能夠求解出三個(gè)階段海水泵系統(tǒng)的動(dòng)力特性。

[1]李壯云.液壓氣動(dòng)與液力工程手冊(cè)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.

[2]雷天覺(jué).液壓工程手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1997

[3]席平原.應(yīng)用MATLAB工具箱實(shí)現(xiàn)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2003(3):59-63.

[4]徐繩武.液壓柱塞泵[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1984.

A Dynam ic Analysis Based on a New Type of Seawater Hydraulic Pum p

Xie Zhaom ing
(W uzhou University,W uzhou 543002,China)

By structuring an equivalentmodel system of seawater pump,this paper illustrates the law of dynamic changes over time during all the three stages from starting to stopping of the system of seawater pump.Then,an analysis of dynamic characteristics ismade on the basis of structuring an equivalent components of rotary swash plate,where an equivalent dynamic model is obtained, consisting of equivalent rotary inertia and equivalentmomentwhich is solved by taking the tilt angle of the swash plate as a general coordinate.Finally,by converting all the effective characteristics of the whole system into the equivalent components,the dynamic characteristics of the seawater pump system are solved.

seawater plunger pump;equivalent rotary inertia;equivalentmoment;dynamic analysis

O59

A

1673-8535(2013)03-0029-08

謝朝明（1970-），男，江西吉安人，梧州學(xué)院電子信息工程系工程師，研究方向：動(dòng)力應(yīng)用。

（責(zé)任編輯：高堅(jiān)）

2013-04-16