等流量凸轮式轴向柱塞泵设计与特性分析

姚 远, 张 萌, 张振山, 兰 海



等流量凸轮式轴向柱塞泵设计与特性分析

姚 远, 张 萌, 张振山, 兰 海

(海军工程大学 兵器工程系, 湖北 武汉, 430033)

针对鱼雷斜盘式轴向柱塞泵的振动噪声问题,设计了凸轮式轴向柱塞泵这一新型结构的鱼雷燃料泵。通过分析其瞬态流量建立了等流量变分方程, 求解方程得到凸轮型线。分析其动力学, 得出柱塞与凸轮之间无硬冲击或软冲击, 且柱塞组可以达到惯性力平衡和惯性力矩平衡。凸轮式轴向柱塞泵的以上特性从原理上保证了其具有低振动噪声水平, 可用作未来的鱼雷燃料泵。

鱼雷燃料泵; 等流量; 凸轮式; 柱塞泵

0 引言

斜盘式轴向柱塞泵具有输出压力高、容积效率高、流量范围大和结构紧凑等特点[1], 符合鱼雷热动力系统对燃料增压的总体要求, 被国内外广泛采用为鱼雷燃料泵。然而, 斜盘式轴向柱塞泵在工作过程中会产生较大的振动与噪声, 影响鱼雷的隐蔽攻击与潜艇的线导导引。

针对斜盘式轴向柱塞泵的振动噪声问题, 国内外开展了积极研究, 并取得了大量成果。刘利国分析了流量与压力脉动的关系, 得到大转速条件下噪声的主要来源[2]; R. H. Atkinson研究了振动与噪声的隔离方法, 给出了减振降噪的具体措施[3]; 液压专家K. A. Edge对泵的流量脉动进行了计算机仿真, 为仿真技术精确预测斜盘式轴向柱塞泵的振动噪声开辟了道路[4]; D. N. Johnston应用二次源法测量泵的瞬态流量特性, 完善了现有振动噪声测试的试验方法[5], 等等。然而, 上述研究并未从根本上解决斜盘泵的振动噪声问题。

斜盘式轴向柱塞泵的振动噪声来源于其几何脉动(由于泵的固有空间几何结构而产生的流量脉动)、运动不平衡、配流过程中高低压的转换、装配和摩擦等诸多因素[1,7]。其中, 几何脉动和转动不平衡是振动噪声源的主要组成部分, 其根源于斜盘式柱塞泵的斜盘结构[1,3,7]。为了根除几何脉动与转动不平衡, 论文提出了一种新型结构的鱼雷燃料泵——凸轮式轴向柱塞泵, 并通过分析该泵瞬态流量建立了等流量变分方程, 求解方程得到凸轮型线。针对机械振动噪声问题, 研究该泵的动力学特性, 分析柱塞与凸轮之间是否存在硬冲击或软冲击; 研究泵的惯性力和惯性力矩, 分析其运动平衡特性。

1 凸轮式轴向柱塞泵结构设计

斜盘式轴向柱塞泵的斜盘结构决定了柱塞的运动规律, 进而导致其产生几何脉动[1,3,7]。为从根源上消除几何脉动, 设计了一种新型结构的柱塞泵——凸轮式轴向柱塞泵, 其部分结构如图1所示。与斜盘式轴向柱塞泵相比, 凸轮式轴向柱塞泵的动力端由斜盘改为凸轮, 并在柱塞的头部安装滚轮。由于压在柱塞上弹簧推力的作用, 滚轮始终抵在凸轮表面。柱塞上有一导向槽, 与缸体上的导向键相配合, 可以防止柱塞产生自转。工作时, 由动力机械驱动凸轮转动, 使柱塞按一定的规律作往复运动, 从而泵入和排出鱼雷燃料, 实现对燃料的增压。

图1 凸轮式轴向柱塞泵局部结构示意图

该凸轮柱塞泵设计为双峰双谷结构, 柱塞为8个, 每2个柱塞之间的相位差为45°。可以证明, 该柱塞泵在工作的任意时刻, 每个凸轮峰与谷之间有且仅有2个柱塞。这样, 只要凸轮曲线选取得当, 使这2个柱塞吸入或泵出的流量无几何脉动, 就可使整个凸轮泵流量恒定。

2 无几何脉动凸轮型线的求解

2.1 无几何脉动数学分析

如图1所示, 以任意1个凸轮峰与谷之间的2个柱塞为研究对象, 其运动产生的瞬时流量为

将式(2)代入式(3), 整理得

式(4)为变分方程, 满足方程的解有等加速曲线、高次正弦曲线、高次余弦曲线等曲线和线性方程的组合, 详细求解方法和步骤可参考文献[8]和文献[9]。从速度和加速度特性考虑, 可采用线性方程和4次正弦曲线的组合, 即

其中,为凸轮峰谷之间的轴向距离, 即柱塞行程。

对其求导可得各柱塞的速度方程为

整理可得

2.2 凸轮型线

凸轮的加工需要知道凸轮的型线, 下面对此加以求解。

凸轮与柱塞上滚轮相互配合工作的结果是柱塞的位移按照式(6)的规律变化, 因此, 凸轮的型线可以借助滚轮与凸轮的接触点来求解。求解方法与柱塞式鱼雷凸轮发动机凸轮型线求解方法相同, 具体求解过程可参考文献[10]。限于篇幅, 论文直接给出结果, 即凸轮型线的柱面坐标为

其中,

图2 柱塞行程曲线和凸轮型线

3 机械振动噪声特性分析

3.1 硬冲击与软冲击特性分析

泵应避免其运动部件之间产生硬冲击与软冲击, 这是对泵的基本要求。该要求可以提高泵的使用寿命, 同时降低振动噪声。斜盘式轴向柱塞泵满足这一要求, 凸轮式轴向柱塞泵也应满足, 下面对此进行分析。

根据式(7)和式(14), 对速度和加速度归一化处理并仿真, 分别得到如图3和图4所示曲线。

由图2和图3可以看出, 凸轮型线光滑连续, 柱塞在工作过程中无速度突变, 因而柱塞不会对凸轮产生硬冲击。由图4可以看出, 柱塞加速度曲线连续无突变, 因而也不会对凸轮产生软冲击。可见, 凸轮式轴向柱塞泵满足低振动噪声泵的基本要求。

图3 柱塞在1个周期内的速度曲线

图4 柱塞在1个周期内的加速度曲线

3.2 平衡特性分析

运动平衡可使燃料泵的振动噪声处于较低水平。在斜盘式轴向柱塞泵中, 柱塞组的往复惯性力与往复惯性力矩之和均为变量, 未达到平衡, 是振动与噪声的主要来源之一[1]。下面分析凸轮式轴向柱塞泵的平衡特性。

对于凸轮式轴向柱塞泵, 其主要运动部件为凸轮和柱塞, 其中凸轮作旋转运动, 柱塞作往复运动。由于凸轮关于轴线对称, 故在运动过程中其内力是平衡的。下面对柱塞组的往复惯性力和往复惯性力矩加以分析。

1) 柱塞组的往复惯性力

利用三角函数的特性, 对式(15)进行整理和简化, 可得

即在任意时刻, 柱塞组的往复惯性力之和为0, 达到了平衡, 根除了因往复惯性力不平衡产生的振动噪声。而斜盘式轴向柱塞泵的往复惯性力之和为一变量, 与斜盘倾角及转速等参量有关, 是机械振动与噪声的主要来源之一。

2) 柱塞组的惯性力矩

(20)

利用三角函数的特性, 对以上两式进行整理和简化可得

即在任意时刻, 柱塞组的往复惯性力矩之和为0, 达到了平衡, 根除了因往复惯性力矩不平衡产生的振动噪声。而斜盘式轴向柱塞泵的往复惯性力矩之和为一变量, 与斜盘倾角及转速等参量有关, 是机械振动噪声的又一主要来源。

由前面的分析可知, 凸轮柱塞泵在工作过程中既无硬冲击, 也无软冲击, 且柱塞组惯性力之和与惯性力矩之和均为0。因此, 只要再控制好凸轮柱塞泵的加工精度和运动副的摩擦等工艺和材料方面的问题, 就可以将凸轮式柱塞泵的机械振动噪声控制在一个较低的水平。

4 结束语

本文提出并设计了一种新型结构柱塞泵——凸轮式轴向柱塞泵。通过分析其瞬态流量建立了等流量变分方程, 求解方程得到凸轮型线。设计的凸轮式轴向柱塞泵从根本上消除了流量的几何脉动。通过动力学分析, 得出凸轮式轴向柱塞泵在工作过程中既无硬冲击, 也无软冲击, 且柱塞组的惯性力之和与惯性力矩之和均为0, 具有良好的低机械振动噪声特性。

总之, 凸轮式轴向柱塞泵具有无几何脉动、无硬冲击、无软冲击和运动平衡等优点, 从原理上保证其低振动噪声特性, 较斜盘式轴向柱塞泵具有一定的优越性, 可用作未来的鱼雷燃料泵。

本文只是对凸轮式轴向柱塞泵进行了初步研究, 为了将其投入实际应用和获取更好的低振动噪声特性, 还有许多方面的工作需要开展, 如配流盘的设计, 配流过程中高低压转换时的压力脉动、运动副之间的摩擦等产生的振动噪声, 这将是下一步的研究重点和主要研究方向。

[1] 翟培祥. 斜盘式轴向柱塞泵设计[M]. 北京: 煤炭工业出版社, 1978.

[2] 刘利国. 轴向柱塞泵流量-压力脉动研究[D]. 淮南矿业学院, 1995.

[3] Atkinson R H. Noise Reduction in Vane and Piston Pumps[C]//International Conference on Fluid Power Pro- ceedings, Huntsville Alabama, 1983.

[4] Edge K A. Cylinder Pressure Transients in Oil Hydraulic Pumps with Sliding Plate Valves[C]//Proceeding of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture February, 1986, 200(1): 45-54.

[5] Johnston D N. The ‘Secondary Source’ Method for the Measurement of Pump Pressure Ripple Characteristics. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineer[J]. Journal of Power and Energy, 1990, 204(1): 33-40.

[6] 张长英. 斜盘式轴向柱塞泵的减摩降噪措施[J]. 液压与气动, 2013(12): 118-120.Zhang Chang-ying. Measures to Reduce Wear and Lower Noise for Swash-Plate Axial Piston Pump[J]. Chinese Hydraulics & Pneumatics, 2013(12):118-120.

[7] Pettersson M, Weddfelt K, Palmberg J. Methods of Reducing Flow Ripple from Fluid Power piston Pumps: A Theoretical Approach[J]. SAE Transactions, 1991, 100(2): 158-167.

[8] 梁立孚. 变分原理及其应用[M]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学出版社, 2005.

[9] 黎克英. 叶片式液压泵和马达[M].北京: 机械工业出版社, 1992.

[10] 马世杰. 鱼雷热动力装置设计原理[M]. 北京: 兵器工业出版社, 1992.

(责任编辑: 陈 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 远(1992-), 男, 本科, 主要研究鱼雷及其保障技术.

TJ630.32; TB535

A

1673-1948(2014)04-0288-05