类摆线转子泵设计方法及仿真分析

摘要

泵作为工业的心脏，广泛用于矿业、航空航天、船舶制造业、电力部门等领域。现有大排量、中压力的泵存在着诸多不足，对此本课题研发了一种新型大排量泵。广义而言，发动机也属于流体机械。三角转子发动机作为一种新型发动机，具有结构简单、体积小的优势。所以基于三角转子发动机可以衍生研制出类摆线转子泵，这种新型转子泵具有结构简单、流量大、扬程高等优点。基于此，本课题主要开展了以下研究工作：
　　①设计方法的建立及理论分析：剖析阐释了类摆线转子泵的工作原理及结构；在此基础上，应用微积分法，推导了缸体和转子型线方程。结合转子和缸体型线的运动轨迹，分析了流量和流量脉动率变化规律；并对运动构件如转子、轴、密封片进行了力学分析。
　　②类摆线转子泵的优化设计：以单位质量流量最大为目标，建立目标函数方程并确定了相对应的设计参数。根据设计要求推导约束函数，如流量、尺寸、强度等；建立了参数设计方程。采用MATLAB优化工具箱，分析得出了泵的设计参数。然后建立了泵外壳的优化模型和设计变量。在此基础上，分析了泵外壳的固有振型，对影响设计精度的固有频率、最大强度及轴心变形量进行约束，确定约束函数，仿真分析得出了泵外壳的最佳厚度，实现了泵的轻量化设计。
　　③核心传动部件的有限元分析：基于弹性力学理论，建立了轴、转子有限元模型，结合实际工况，进行了静力学分析。对不同模数的齿轮受载情况进行了动态啮合分析，研究了模数与齿轮最大应力及传动误差的关系。基于分析得出的最佳齿轮模数，分析了变位系数与最大应力及传动误差的变化规律。
　　④泵内部的流场研究：基于流体力学理论，建立了泵的二维动网格湍流模型。分析了在额定工况下，内部压力场及速度场分布情况。细化转子与缸体的间隙处网格，模拟计算了间隙与流量特性的变化关系。研究了输送不同介质的流动特性的差异，如水、汽油及柴油。在不同转速、压力工况下，分析了泵性能的变化情况。
　　⑤核心零件的加工与整机的测试：阐述了核心零件的加工方法和加工工艺，如缸体、转子、齿轮等。完成了样机的装配并设计搭建了试验台,试验研究了转速和输出压力对泵的容积效率和总效率的影响。

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1 绪 论

1.1 泵的综述

1.2 大排量泵的研究现状

1.3 三角转子机的研究现状

1.4 课题学术和实用意义

1.5 本文研究目的与内容

2 类摆线转子泵工作原理及设计方法

2.1 类摆线转子泵结构

2.2 类摆线转子泵工作原理

2.3缸体及转子型线方程

2.4 密封设计

2.5 流量特性

2.6 进出口设计

2.7 构件的力学研究

2.8 本章小结

3 类摆线转子泵的优化设计

3.1 引言

3.2 参数优化

3.3 外壳尺寸优化

3.4 本章结论

4 类摆线转子泵核心零件有限元分析

4.1 泵结构静力分析

4.2 齿轮动态啮合分析

4.3 本章小结

5 类摆线转子泵内部流场分析

5.1 流体动力学数学模型

5.2 有限元模型与边界条件

5.3 压力场分析

5.4 速度场分析

5.5 不同间隙下流动特性

5.6 不同介质流动特性分析

5.7 不同工况下流动特性分析

5.8 本章小结

6 类摆线转子泵样机制作及实验研究

6.1 主要零件的加工制造

6.2 泵性能测试实验

6.3 实验结果与分析

6.4 本章小结

7 结论与展望

7.1 全文总结

7.2 展望及后续工作

致谢

参考文献