新型水压变量泵的设计与特性研究

摘要

在现代水压技术研究过程中，由于水特殊的物理和化学特性，使得水压元件的开发面临新材料、新结构、新工艺甚至新的设计理念等多方面的技术难题，因此发展不及油压技术成熟，造成水压元件不多且造价高。目前水压泵设计理念仍类似油压柱塞变量泵，利用柱塞在一定斜盘倾角下相对缸体作往复运动来实现流量输出。泵结构复杂，流量脉动大，无法实现油压泵“丰富多样”的控制方式、可靠性也远低于油压泵。因此，本文研制一种集成油压和水压元件的新型水压变量泵，水泵采用成熟可靠、控制性能高的油压元件来实现动力驱动和控制，采用少量结构简单、工艺要求低的水压元件（水压缸、单向阀、蓄能器等）来实现介质与能量的传输。与常规水压泵相比，不仅结构简单，而且性能优异。论文主要完成以下研究:
　　(1)根据新型水压泵的特殊参数要求，提出了两种水压泵的设计方案，分别对两种方案的运动规律及受力进行理论分析，并且从结构可变性、结构紧凑性、加工难度和经济性等方面进行对比，选取了最优方案一。
　　(2)基于方案模型，对水压泵的关键零部件尺寸进行了设计计算，确定单个水压缸的基本尺寸，针对水压的特殊环境，对水压缸进行了材料选型以及密封设计。基于水压缸尺寸，设计了水压泵的阀块，最后对水压泵整体结构进行了三维建模。
　　(3)基于水压泵结构，利用ANSYS Workbench对水压泵重要零部件水压缸进行静、动力学分析。通过静力学分析得到水压缸的最大应力为114.79MPa，低于材料许用应力154.1MPa;最大变形量为0.078mm，小于许用最大挠度。因此水压缸满足静力学性能要求，但是存在优化空间。同时对水压缸进行了模态分析，结果显示水压缸动态特性良好，与激励源不会发生共振。最后分别以降低最大应力、最大变形量以及实现质量轻量化为目标，运用有限元分析方法对水压缸进行了参数化优化设计。优化结果显示模型的最大应力减小了17.19MPa，约占优化前模型最大应力的14.98％，小于材料的许可应力。最大变形量减小了0.013mm，约占之前最大变形量的16.46％，模型的总质量减小了1.46kg，约占优化前质量的8.07％。因此优化设计后的模型不仅满足各项性能要求，而且较优化前有很大提高。
　　(4)基于流体力学理论知识，对水压泵优化结构的运动学进行研究，得到了水压泵活塞的运动特性和水压泵理论输出流量曲线，从流量输出曲线得知水压泵必然存在流量脉动，针对此问题提出了在系统出口设置蓄能器来减小流量脉动的方案。运用AMESim软件建立水压泵系统的仿真模型，并对未安装蓄能器和已安装蓄能器的流量输出曲线进行对比，结果显示蓄能器能有效降低流量脉动。最后对蓄能器消减脉动的影响因素进行讨论，结果显示蓄能器的充气压力和充气体积增大，脉动就减小。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 水压技术的发展

1．2 国内外水压泵发展现状

1．2．1 国外水压泵发展现状

1．2．2 国内水压泵发展现状

1．3 常规水压泵的主要技术难题

1．3．1 密封问题

1．3．2 润滑与抗磨

1．3．3 腐蚀及腐蚀磨损

1．4 新型水压泵的研究目的与意义

1．5 新型水泵的主要技术难点

1．5．1 水压泵的结构、性能以及优化

1．5．2 水压泵的流量脉动

1．6 论文主要研究内容

第2章 水压泵的方案设计

2．1 水压泵的基本原理

2．2 水泵的方案提出

2．2．1 方案一

2．2．2 方案二

2．2．3 方案比较

2．3 本章小结

第3章 水压泵的结构设计

3．1 水压泵主要结构参数设计

3．1．1 水缸活塞直径D、活塞杆直径d

3．1．2 活塞平均速度Um的选择

3．1．3 活塞往复次数和活塞行程长度的选择

3．2 水压缸结构设计

3．2．1 水压零部件材料选用方案

3．2．2 缸简设计

3．2．3 活塞与活塞杆设计

3．2．4 端盖设计

3．2．5 阀块设计

3．2．6 油泵与电机选型

3．2．7 水泵总体结构

3．3 本章小结

第4章 水压缸结构力学分析及优化

4．1 水压缸的静力学分析

4．1．1 ANSYS Workbench静力学分析简介

4．1．2 水压缸有限元分析模型

4．1．3 水压缸静力学分析

4．2 水压缸模态分析

4．2．1 ANSYS Workbench模态分析简介

4．2．2 激励源频率

4．2．3 水压缸的模态分析

4．3 水压缸结构优化

4．3．1 ANSYS Workbench优化简介

4．3．2 水压缸优化分析

4．3．3 优化结果

4．4 本罩小结

第5章 水压泵流量脉动及其控制

5．1 水压泵的运动学分析

5．2 水压泵的理论输出流量特性

5．3 流量脉动控制方法

5．4 水压泵流量脉动仿真研究

5．4．1 高速比例方向流量阀建模

5．4．2 配流阀建模

5．4．3 水压变量泵系统整体建模

5．5 水压泵仿真结果分析

5．5．1 水压变量泵的流量特性曲线

5．5．2 蓄能器充气体积对脉动的影响

5．5．3 蓄能器充气压力对脉动的影响

5．6 本章小结

总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文