等流量凸輪式軸向柱塞泵設(shè)計(jì)與特性分析

姚 遠(yuǎn), 張 萌, 張振山, 蘭 海

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等流量凸輪式軸向柱塞泵設(shè)計(jì)與特性分析

姚 遠(yuǎn), 張 萌, 張振山, 蘭 海

(海軍工程大學(xué) 兵器工程系, 湖北 武漢, 430033)

針對(duì)魚雷斜盤式軸向柱塞泵的振動(dòng)噪聲問題,設(shè)計(jì)了凸輪式軸向柱塞泵這一新型結(jié)構(gòu)的魚雷燃料泵。通過分析其瞬態(tài)流量建立了等流量變分方程, 求解方程得到凸輪型線。分析其動(dòng)力學(xué), 得出柱塞與凸輪之間無(wú)硬沖擊或軟沖擊, 且柱塞組可以達(dá)到慣性力平衡和慣性力矩平衡。凸輪式軸向柱塞泵的以上特性從原理上保證了其具有低振動(dòng)噪聲水平, 可用作未來的魚雷燃料泵。

魚雷燃料泵; 等流量; 凸輪式; 柱塞泵

0 引言

斜盤式軸向柱塞泵具有輸出壓力高、容積效率高、流量范圍大和結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)[1], 符合魚雷熱動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)燃料增壓的總體要求, 被國(guó)內(nèi)外廣泛采用為魚雷燃料泵。然而, 斜盤式軸向柱塞泵在工作過程中會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)與噪聲, 影響魚雷的隱蔽攻擊與潛艇的線導(dǎo)導(dǎo)引。

針對(duì)斜盤式軸向柱塞泵的振動(dòng)噪聲問題, 國(guó)內(nèi)外開展了積極研究, 并取得了大量成果。劉利國(guó)分析了流量與壓力脈動(dòng)的關(guān)系, 得到大轉(zhuǎn)速條件下噪聲的主要來源[2]; R. H. Atkinson研究了振動(dòng)與噪聲的隔離方法, 給出了減振降噪的具體措施[3]; 液壓專家K. A. Edge對(duì)泵的流量脈動(dòng)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真, 為仿真技術(shù)精確預(yù)測(cè)斜盤式軸向柱塞泵的振動(dòng)噪聲開辟了道路[4]; D. N. Johnston應(yīng)用二次源法測(cè)量泵的瞬態(tài)流量特性, 完善了現(xiàn)有振動(dòng)噪聲測(cè)試的試驗(yàn)方法[5], 等等。然而, 上述研究并未從根本上解決斜盤泵的振動(dòng)噪聲問題。

斜盤式軸向柱塞泵的振動(dòng)噪聲來源于其幾何脈動(dòng)(由于泵的固有空間幾何結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的流量脈動(dòng))、運(yùn)動(dòng)不平衡、配流過程中高低壓的轉(zhuǎn)換、裝配和摩擦等諸多因素[1,7]。其中, 幾何脈動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)不平衡是振動(dòng)噪聲源的主要組成部分, 其根源于斜盤式柱塞泵的斜盤結(jié)構(gòu)[1,3,7]。為了根除幾何脈動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)不平衡, 論文提出了一種新型結(jié)構(gòu)的魚雷燃料泵——凸輪式軸向柱塞泵, 并通過分析該泵瞬態(tài)流量建立了等流量變分方程, 求解方程得到凸輪型線。針對(duì)機(jī)械振動(dòng)噪聲問題, 研究該泵的動(dòng)力學(xué)特性, 分析柱塞與凸輪之間是否存在硬沖擊或軟沖擊; 研究泵的慣性力和慣性力矩, 分析其運(yùn)動(dòng)平衡特性。

1 凸輪式軸向柱塞泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

斜盤式軸向柱塞泵的斜盤結(jié)構(gòu)決定了柱塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律, 進(jìn)而導(dǎo)致其產(chǎn)生幾何脈動(dòng)[1,3,7]。為從根源上消除幾何脈動(dòng), 設(shè)計(jì)了一種新型結(jié)構(gòu)的柱塞泵——凸輪式軸向柱塞泵, 其部分結(jié)構(gòu)如圖1所示。與斜盤式軸向柱塞泵相比, 凸輪式軸向柱塞泵的動(dòng)力端由斜盤改為凸輪, 并在柱塞的頭部安裝滾輪。由于壓在柱塞上彈簧推力的作用, 滾輪始終抵在凸輪表面。柱塞上有一導(dǎo)向槽, 與缸體上的導(dǎo)向鍵相配合, 可以防止柱塞產(chǎn)生自轉(zhuǎn)。工作時(shí), 由動(dòng)力機(jī)械驅(qū)動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng), 使柱塞按一定的規(guī)律作往復(fù)運(yùn)動(dòng), 從而泵入和排出魚雷燃料, 實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料的增壓。

圖1 凸輪式軸向柱塞泵局部結(jié)構(gòu)示意圖

該凸輪柱塞泵設(shè)計(jì)為雙峰雙谷結(jié)構(gòu), 柱塞為8個(gè), 每2個(gè)柱塞之間的相位差為45°?？梢宰C明, 該柱塞泵在工作的任意時(shí)刻, 每個(gè)凸輪峰與谷之間有且僅有2個(gè)柱塞。這樣, 只要凸輪曲線選取得當(dāng), 使這2個(gè)柱塞吸入或泵出的流量無(wú)幾何脈動(dòng), 就可使整個(gè)凸輪泵流量恒定。

2 無(wú)幾何脈動(dòng)凸輪型線的求解

2.1 無(wú)幾何脈動(dòng)數(shù)學(xué)分析

如圖1所示, 以任意1個(gè)凸輪峰與谷之間的2個(gè)柱塞為研究對(duì)象, 其運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的瞬時(shí)流量為

將式(2)代入式(3), 整理得

式(4)為變分方程, 滿足方程的解有等加速曲線、高次正弦曲線、高次余弦曲線等曲線和線性方程的組合, 詳細(xì)求解方法和步驟可參考文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]。從速度和加速度特性考慮, 可采用線性方程和4次正弦曲線的組合, 即

其中,為凸輪峰谷之間的軸向距離, 即柱塞行程。

對(duì)其求導(dǎo)可得各柱塞的速度方程為

整理可得

2.2 凸輪型線

凸輪的加工需要知道凸輪的型線, 下面對(duì)此加以求解。

凸輪與柱塞上滾輪相互配合工作的結(jié)果是柱塞的位移按照式(6)的規(guī)律變化, 因此, 凸輪的型線可以借助滾輪與凸輪的接觸點(diǎn)來求解。求解方法與柱塞式魚雷凸輪發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪型線求解方法相同, 具體求解過程可參考文獻(xiàn)[10]。限于篇幅, 論文直接給出結(jié)果, 即凸輪型線的柱面坐標(biāo)為

其中,

圖2 柱塞行程曲線和凸輪型線

3 機(jī)械振動(dòng)噪聲特性分析

3.1 硬沖擊與軟沖擊特性分析

泵應(yīng)避免其運(yùn)動(dòng)部件之間產(chǎn)生硬沖擊與軟沖擊, 這是對(duì)泵的基本要求。該要求可以提高泵的使用壽命, 同時(shí)降低振動(dòng)噪聲。斜盤式軸向柱塞泵滿足這一要求, 凸輪式軸向柱塞泵也應(yīng)滿足, 下面對(duì)此進(jìn)行分析。

根據(jù)式(7)和式(14), 對(duì)速度和加速度歸一化處理并仿真, 分別得到如圖3和圖4所示曲線。

由圖2和圖3可以看出, 凸輪型線光滑連續(xù), 柱塞在工作過程中無(wú)速度突變, 因而柱塞不會(huì)對(duì)凸輪產(chǎn)生硬沖擊。由圖4可以看出, 柱塞加速度曲線連續(xù)無(wú)突變, 因而也不會(huì)對(duì)凸輪產(chǎn)生軟沖擊。可見, 凸輪式軸向柱塞泵滿足低振動(dòng)噪聲泵的基本要求。

圖3 柱塞在1個(gè)周期內(nèi)的速度曲線

圖4 柱塞在1個(gè)周期內(nèi)的加速度曲線

3.2 平衡特性分析

運(yùn)動(dòng)平衡可使燃料泵的振動(dòng)噪聲處于較低水平。在斜盤式軸向柱塞泵中, 柱塞組的往復(fù)慣性力與往復(fù)慣性力矩之和均為變量, 未達(dá)到平衡, 是振動(dòng)與噪聲的主要來源之一[1]。下面分析凸輪式軸向柱塞泵的平衡特性。

對(duì)于凸輪式軸向柱塞泵, 其主要運(yùn)動(dòng)部件為凸輪和柱塞, 其中凸輪作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng), 柱塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。由于凸輪關(guān)于軸線對(duì)稱, 故在運(yùn)動(dòng)過程中其內(nèi)力是平衡的。下面對(duì)柱塞組的往復(fù)慣性力和往復(fù)慣性力矩加以分析。

1) 柱塞組的往復(fù)慣性力

利用三角函數(shù)的特性, 對(duì)式(15)進(jìn)行整理和簡(jiǎn)化, 可得

即在任意時(shí)刻, 柱塞組的往復(fù)慣性力之和為0, 達(dá)到了平衡, 根除了因往復(fù)慣性力不平衡產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲。而斜盤式軸向柱塞泵的往復(fù)慣性力之和為一變量, 與斜盤傾角及轉(zhuǎn)速等參量有關(guān), 是機(jī)械振動(dòng)與噪聲的主要來源之一。

2) 柱塞組的慣性力矩

(20)

利用三角函數(shù)的特性, 對(duì)以上兩式進(jìn)行整理和簡(jiǎn)化可得

即在任意時(shí)刻, 柱塞組的往復(fù)慣性力矩之和為0, 達(dá)到了平衡, 根除了因往復(fù)慣性力矩不平衡產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲。而斜盤式軸向柱塞泵的往復(fù)慣性力矩之和為一變量, 與斜盤傾角及轉(zhuǎn)速等參量有關(guān), 是機(jī)械振動(dòng)噪聲的又一主要來源。

由前面的分析可知, 凸輪柱塞泵在工作過程中既無(wú)硬沖擊, 也無(wú)軟沖擊, 且柱塞組慣性力之和與慣性力矩之和均為0。因此, 只要再控制好凸輪柱塞泵的加工精度和運(yùn)動(dòng)副的摩擦等工藝和材料方面的問題, 就可以將凸輪式柱塞泵的機(jī)械振動(dòng)噪聲控制在一個(gè)較低的水平。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出并設(shè)計(jì)了一種新型結(jié)構(gòu)柱塞泵——凸輪式軸向柱塞泵。通過分析其瞬態(tài)流量建立了等流量變分方程, 求解方程得到凸輪型線。設(shè)計(jì)的凸輪式軸向柱塞泵從根本上消除了流量的幾何脈動(dòng)。通過動(dòng)力學(xué)分析, 得出凸輪式軸向柱塞泵在工作過程中既無(wú)硬沖擊, 也無(wú)軟沖擊, 且柱塞組的慣性力之和與慣性力矩之和均為0, 具有良好的低機(jī)械振動(dòng)噪聲特性。

總之, 凸輪式軸向柱塞泵具有無(wú)幾何脈動(dòng)、無(wú)硬沖擊、無(wú)軟沖擊和運(yùn)動(dòng)平衡等優(yōu)點(diǎn), 從原理上保證其低振動(dòng)噪聲特性, 較斜盤式軸向柱塞泵具有一定的優(yōu)越性, 可用作未來的魚雷燃料泵。

本文只是對(duì)凸輪式軸向柱塞泵進(jìn)行了初步研究, 為了將其投入實(shí)際應(yīng)用和獲取更好的低振動(dòng)噪聲特性, 還有許多方面的工作需要開展, 如配流盤的設(shè)計(jì), 配流過程中高低壓轉(zhuǎn)換時(shí)的壓力脈動(dòng)、運(yùn)動(dòng)副之間的摩擦等產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲, 這將是下一步的研究重點(diǎn)和主要研究方向。

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(責(zé)任編輯: 陳 曦)

Design and Analysis on Cam Axial Piston Pump with Constant Flow

YAO YuanZHANG MengZHANG Zhen-shanLAN Hai

(Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

To reduce vibration noise of the swashplate axial piston pump of a torpedo, a novel curved cam axial piston pump is designed. Constant flow variation equation is derived through analysis of transient flow. The cam profile lines are obtained by solving the equation. Kinetic analysis of the cam axial piston pump indicates that there is no hard shock or soft shock between the piston and the cam, and the piston group can gain both balances of inertia force and inertia moment. These characteristics of the proposed curvedcam axial piston pump can ensure its low vibration noise level. This curved cam axial piston pump may be applied to future torpedo as a fuel pump.

torpedo fuel pump; constant flow; cam; piston pump

2014-03-18;

2014-04-13.

姚 遠(yuǎn)(1992-), 男, 本科, 主要研究魚雷及其保障技術(shù).

TJ630.32; TB535

A

1673-1948(2014)04-0288-05