混合高階傅里葉非圓齒輪驅動的差速泵的建模、優(yōu)化及試驗研究.pdf

1、容積泵因其諸多優(yōu)點被工業(yè)和農業(yè)機械領域廣泛應用，但是這些泵都存在一些關鍵的技術難題，如往復式容積泵存在排量小、壓力脈動明顯、噪聲大等問題。轉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、外科研院所多年的技術攻關，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動的差速泵，在對非圓齒輪傳動特性進行研究的基礎上，對泵的性能和差速泵結構參數(shù)以及驅動系統(tǒng)內在關聯(lián)性、優(yōu)化方法和試驗開展基礎研究。本文主要的研究內容和結果如下:
　　1)研究國內、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構是較為理想的形式，重點研究新型的多葉片差速泵現(xiàn)狀，總結差速泵的常用驅動機構特點，經(jīng)過比較發(fā)現(xiàn)差速泵適合選用非圓齒輪驅動形式，其中傅里葉曲線表達式用于非圓齒輪節(jié)曲線設計

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動的差速泵。
　　2)為設計最優(yōu)的傅里葉非圓齒輪驅動的差速泵，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。為便于差速泵驅動機構的設計，在高階變

4、性傅里葉非圓齒輪計算分析基礎上，提出混合高階傅里葉非圓齒輪驅動的差速泵，總結混合高階傅里葉非圓齒輪驅動的差速泵工作原理，建立階數(shù)與差速泵葉片參數(shù)的基本關系和非圓齒輪節(jié)曲線參數(shù)與進、出口之間幾何關系，建立差速泵結構參數(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。
　　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動的差速泵計算模型，根據(jù)建立的數(shù)學模型，編寫這4種非圓齒輪驅動的差速泵輔助分析軟件。對傅里葉非圓齒輪驅動差速泵和這4種不同驅動機構的差速泵的排量、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，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)為子目標的綜

6、合評價函數(shù)，建立混合高階傅里葉非圓齒輪驅動的差速泵多目標性能優(yōu)化模型，編寫多目標參數(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進行仿真分析，發(fā)現(xiàn)差速

7、泵在一個旋轉周期內的流體對葉片的阻力矩是正負交替的，并且當容積腔進入困液區(qū)，由于吸、排液口瞬間關閉，導致產(chǎn)生水錘效應，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，因此非圓齒輪驅動系統(tǒng)和流體存在流固耦合，并產(chǎn)生反驅動現(xiàn)象。以上研究為將來完善傅里葉非圓齒輪驅動的差速泵結構設計提供了參考。
　　6)根據(jù)遺傳

8、算法優(yōu)化獲得差速泵及驅動非圓齒輪最佳參數(shù)，進行結構設計和三維建模。根據(jù)設計圖紙加工差速泵及驅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確性。搭建差速泵排量測試平臺，研究排量隨轉速變化的特性，在一定轉速范圍內，排量理論值和實驗值是一致的。搭建輸入轉矩的測試平臺，測定葉輪轉矩隨差速泵工況變化特性，驗證流固耦合仿真結果的正確性，揭示了差速泵周期性振動主要來自腔內流體和葉片的流固耦合引起的扭轉