混合高階傅里葉非圓齒輪驅(qū)動的差速泵的建模、優(yōu)化及試驗研究.pdf

1、容積泵因其諸多優(yōu)點被工業(yè)和農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但是這些泵都存在一些關(guān)鍵的技術(shù)難題，如往復(fù)式容積泵存在排量小、壓力脈動明顯、噪聲大等問題。轉(zhuǎn)子式容積泵存在徑向力不平衡、容易泄漏、高壓力下容易磨損、有較大的流體噪聲和困液問題。經(jīng)過國內(nèi)、外科研院所多年的技術(shù)攻關(guān)，容積泵在這些方面有很大改善，但是排量體積比小、脈動率大等問題需要繼續(xù)研究解決。因此容積泵技術(shù)的創(chuàng)新和突破，對推進企業(yè)容積泵產(chǎn)品的更新?lián)Q代，提高國產(chǎn)泵的技術(shù)水平有重要意義。
　

2、　本論文提出混合高階傅里葉非圓齒輪驅(qū)動的差速泵，在對非圓齒輪傳動特性進行研究的基礎(chǔ)上，對泵的性能和差速泵結(jié)構(gòu)參數(shù)以及驅(qū)動系統(tǒng)內(nèi)在關(guān)聯(lián)性、優(yōu)化方法和試驗開展基礎(chǔ)研究。本文主要的研究內(nèi)容和結(jié)果如下:
　　1)研究國內(nèi)、外典型容積泵的現(xiàn)狀、存在的問題，認為差速泵的原理和結(jié)構(gòu)是較為理想的形式，重點研究新型的多葉片差速泵現(xiàn)狀，總結(jié)差速泵的常用驅(qū)動機構(gòu)特點，經(jīng)過比較發(fā)現(xiàn)差速泵適合選用非圓齒輪驅(qū)動形式，其中傅里葉曲線表達式用于非圓齒輪節(jié)曲線設(shè)計

3、有利于泵的性能優(yōu)化，為此提出混合高階傅里葉非圓齒輪驅(qū)動的差速泵。
　　2)為設(shè)計最優(yōu)的傅里葉非圓齒輪驅(qū)動的差速泵，建立高階變性傅里葉非圓齒輪節(jié)曲線計算模型和傳動計算模型，主要建立高階變性傅里葉非圓齒輪副傳動比和從動非圓齒輪節(jié)曲線計算模型，建立高階變性傅里葉非圓齒輪中心距計算模型，建立節(jié)曲線封閉條件、凹凸性分析模型、壓力角計算模型和最大不根切模數(shù)判別模型，綜合分析傅里葉節(jié)曲線參數(shù)對傳動特性的影響。為便于差速泵驅(qū)動機構(gòu)的設(shè)計，在高階變

4、性傅里葉非圓齒輪計算分析基礎(chǔ)上，提出混合高階傅里葉非圓齒輪驅(qū)動的差速泵，總結(jié)混合高階傅里葉非圓齒輪驅(qū)動的差速泵工作原理，建立階數(shù)與差速泵葉片參數(shù)的基本關(guān)系和非圓齒輪節(jié)曲線參數(shù)與進、出口之間幾何關(guān)系，建立差速泵結(jié)構(gòu)參數(shù)計算的基本模型，根據(jù)所建立的模型，編寫了差速泵特性輔助分析軟件，綜合分析混合高階傅里葉節(jié)曲線參數(shù)對差速泵排量、瞬時流量和脈動率等特性的影響，上述研究為后續(xù)差速泵優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。
　　3)按不同類型的非圓齒輪建立了橢圓

5、非圓齒輪、偏心圓非圓齒輪、巴斯噶蝸非圓齒輪和正弦非圓齒輪驅(qū)動的差速泵計算模型，根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型，編寫這4種非圓齒輪驅(qū)動的差速泵輔助分析軟件。對傅里葉非圓齒輪驅(qū)動差速泵和這4種不同驅(qū)動機構(gòu)的差速泵的排量、瞬時流量和脈動率進行比較，得出混合高階傅里葉非圓齒輪驅(qū)動的差速泵具有較好的性能。
　　4)以差速泵排量、脈動率和非圓齒輪不根切最大模數(shù)為子目標(biāo)，運用MATLAB遺傳算法工具箱，建立以排量、脈動率和非圓齒輪不根切最大模數(shù)為子目標(biāo)的綜

6、合評價函數(shù)，建立混合高階傅里葉非圓齒輪驅(qū)動的差速泵多目標(biāo)性能優(yōu)化模型，編寫多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化軟件，優(yōu)化不同階數(shù)比的差速泵最優(yōu)性能，2階對2階、1階對3階和1階對2階為例進行比較，發(fā)現(xiàn)2階對2階是最差的，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，1階對2階綜合性能是最優(yōu)的方案。
　　5)以1階對2階傅里葉非圓齒輪驅(qū)動的差速泵為研究對象，數(shù)值計算差速泵容積腔流場，分析吸、排液工況下的流場和差速泵困液腔流場，對差速泵葉片阻力矩與非圓齒輪耦合動力學(xué)進行仿真分析，發(fā)現(xiàn)差速

7、泵在一個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的流體對葉片的阻力矩是正負交替的，并且當(dāng)容積腔進入困液區(qū)，由于吸、排液口瞬間關(guān)閉，導(dǎo)致產(chǎn)生水錘效應(yīng)，葉片出現(xiàn)短暫阻力矩上升。計算差速泵流體和葉片的單向耦合，發(fā)現(xiàn)合力矩與轉(zhuǎn)速方向一致的，從動非圓齒輪帶動主動非圓齒輪運動，合力矩與轉(zhuǎn)速方向相反的，主動非圓齒輪帶動從動非圓齒輪運動，因此非圓齒輪驅(qū)動系統(tǒng)和流體存在流固耦合，并產(chǎn)生反驅(qū)動現(xiàn)象。以上研究為將來完善傅里葉非圓齒輪驅(qū)動的差速泵結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了參考。
　　6)根據(jù)遺傳

8、算法優(yōu)化獲得差速泵及驅(qū)動非圓齒輪最佳參數(shù)，進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和三維建模。根據(jù)設(shè)計圖紙加工差速泵及驅(qū)動非圓齒輪的零部件，搭建1階對2階傅里葉非圓齒輪的傳動比測試平臺，驗證了理論傳動比計算模型的準(zhǔn)確性。搭建差速泵排量測試平臺，研究排量隨轉(zhuǎn)速變化的特性，在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，排量理論值和實驗值是一致的。搭建輸入轉(zhuǎn)矩的測試平臺，測定葉輪轉(zhuǎn)矩隨差速泵工況變化特性，驗證流固耦合仿真結(jié)果的正確性，揭示了差速泵周期性振動主要來自腔內(nèi)流體和葉片的流固耦合引起的扭轉(zhuǎn)