1、【机械与电子工程】:./.一种径向柱塞泵凸轮的设计与仿真王亮 刘蓉蓉 李占锋 管西巧(.烟台职业学院 智能制造系 山东 烟台.烟台城乡建设学校 机电技术专业部 山东 烟台)摘 要:针对偏心轮式径向柱塞泵存在的柔性冲击和流量脉动问题 从改变柱塞杆运动规律入手 通过 种运动规律的组合 设计一种特殊轮廓曲线凸轮 通过 个泵原件的组合 该凸轮柱塞杆在一定时间段内无流量脉动 仿真结果表明 该柱塞泵凸轮设计可行且总流量恒定关键词:柔性冲击 流量脉动 凸轮轮廓曲线 中图分类号:文献标志码:文章编号:()自动润滑系统可以根据设备需求 按照预设好的程序 由注油泵对不同润滑点定时定量注入润滑油 实现设备的自动润滑
2、 在机械工程领域应用中十分广泛 注油泵是润滑系统的关键部件 其性能好坏直接影响整个润滑系统的工作可靠性 径向柱塞式注油泵因其结构简单、制造方便、输出压力高等优点 成为注油泵的主要形式 目前润滑系统使用的柱塞泵多采用偏心轮机构带动柱塞上下运动实现吸油和排油功能 本文以某型号集中润滑系统的柱塞泵为研究对象 介绍柱塞泵的结构组成和工作原理 分析偏心轮机构的运动规律 针对其存在的柔性冲击和流量脉动问题提出解决方案 使用 软件绘制凸轮曲线 并通过运动仿真和 数值分析进行验证 柱塞泵的工作原理本文所研究的注油泵为径向柱塞式注油泵 主要由电机、储油箱、柱塞泵总盘、泵原件(柱塞)、偏心轮、钢套、轴承等部件组成
3、 其结构如图 所示第 卷第 期 辽东学院学报(自然科学版).年 月 ().收稿日期:基金项目:烟台职业学院校本科研项目()烟台职业学院横向研究项目()作者简介:王亮()男 山东枣庄人 硕士 讲师 研究方向:机械/及仿真技术 泵原件(柱塞)工作时 电机带动偏心轮转动 泵原件的柱塞杆在偏心轮和泵原件大弹簧的共同作用下在柱塞套内进行往复运动 当柱塞杆在大弹簧的弹力作用下向左运动时 柱塞腔内形成负压 润滑油经吸油口进入柱塞腔 充满柱塞腔(理想状态下)当柱塞杆在偏心轮推动下向右运动时 密封垫(起到单向阀作用)在润滑油压力下向右移动 与柱塞腔体之间出现间隙 润滑油经排油口排出 进入到润滑管路 实现对润滑点
4、的润滑 泵原件(柱塞)的结构如图 所示 偏心轮机构的运动规律本文研究的柱塞泵中的偏心轮直径为 偏心轮中心相对于转动中心的偏心距为 柱塞杆行程 角速度 ./(电机旋转速度为 /)使用 软件完成主要零部件的三维建模及装配 并进行运动仿真 生成柱塞杆的位移()、速度()、加速度曲线()偏心轮机构运动规律如图 所示由图 可知 该偏心轮机构中柱塞杆的运动接近余弦加速度运动规律 具有良好的加速度运动状态 但在运动的始、末 处位置 加速度存在有限值的突变 即会发生柔性冲击 同时 柱塞杆的移动速度接近正弦规律变化 会使泵流量也随之变化 从而导致润滑管路中出现流量脉动现象 当转速提高时 流量脉动现象会更严重 恒
5、流凸轮机构设计.凸轮机构运动规律组合方案因柱塞泵的输出流量与柱塞杆的速度直接相关 要实现柱塞泵无流量脉动 需要柱塞杆等速移动 但由等速运动凸轮机构的推程运动线图(如图 所示 图中 为推程角 为推杆速度运动时的速度)可知 等速运动规律的推杆在运动开始和终止的瞬间 速度会出现突变 理论上其加速辽东学院学报(自然科学版)第 卷度为无穷大 会使凸轮机构受到较大的刚性冲击不利于机构的长期稳定运行 因此 可将等速运动规律与其他运动规律进行组合 增加速度过渡区域 使速度和加速度连续变化 避免突变因为正弦加速度运动规律在运动的始、末 点不存在速度和加速度的突变 没有刚性冲击和柔性冲击 因此 本文将等速运动行程
6、的两端与正弦加速度运动规律进行组合 如图 中 号柱塞速度规律所示(排油为正)其运动行程包含 个阶段 分别是正弦加速度加速阶段、等速运动阶段、正弦加速度减速阶段、正弦加速度减速阶段、等速运动阶段、正弦加速度加速阶段 各阶段对应的凸轮转角分别为、推程角为 回程角为 因单个柱塞泵加速阶段和减速阶段的速度仍存在变化 可将 个柱塞泵进行叠加 使推程部分速度叠加为一条直线 实现恒流量输出 在设计时 可由一个凸轮同时驱动 个泵原件 并合并出油口来实现 个柱塞速度关系如图 所示为简化模型 取 由图 可知 各凸轮转角有如下关系:()()进而可得 ()因此 当 个柱塞以 相位角 即对称布置时 其推程部分速度之和为
7、一个定值本文采用如下参数设计组合运动规律曲线:个阶段对应柱塞杆位移分别为、其中 因原偏心轮机构中偏心轮半径为 偏心距为 为使所设计凸轮能够替换偏心轮 取凸轮基圆半径 推杆行程 仍为 .凸轮推程曲线计算和绘制.计算推程 个阶段的推杆位移正弦加速度运动规律推程运动方程为 ()第 期 王 亮 刘蓉蓉 李占锋 等:一种径向柱塞泵凸轮的设计与仿真等速运动规律推程运动方程为 ()式中 为凸轮转角因为不同运动规律进行组合时 两端运动规律在连接点处的位移、速度、加速度要保持连续 当凸轮转角 时 连接点为加速阶段的终点和等速阶段的起点该点处个运动轨迹的速度相等由正弦曲线特点可知 加速阶段在该连接点处的速度为 (
8、)()由等速运动规律可知 等速阶段在该连接点处的速度为()又因为 ()()而式()与式()相等 于是得到 ()().绘制推程加速阶段曲线对心直动从动件凸轮理论轮廓方程式为 ()()()式中、为凸轮轮廓曲线坐标将式()代入式()得加速阶段对应的凸轮理论轮廓方程式为 ()式中使用 软件的“创成式外形设计”模块中的“来自方程式的曲线命令”分别创建、坐标的法则曲线绘制出方程式对应的空间曲线 因为 软件在创建法则曲线时当时间 由 逐步变化至 时 完成由 到 的变化则 将参数带入式()得到该阶段曲线、坐标的法则分别为 ()()()()()将上述法则输入软件生成正弦加速度加速阶段曲线如图 所示.绘制推程等速
9、阶段曲线运动方程为 ()/()等速阶段对应的凸轮理论轮廓方程式为 ()()()()()()()式中 在 软件中当 由 逐步变化至 时完成由 到 的变化则 因此该阶段曲线、坐标的法则分别为 ()()()将上述法则输入软件生成等速阶段曲线辽东学院学报(自然科学版)第 卷.绘制推程减速阶段曲线运动方程为 ()()减速阶段对应的凸轮理论轮廓方程式为 ()()()式中 在 软件中当 由 逐步变化至 时完成由 到 的变化则 因此该阶段曲线、坐标的法则分别为 ()()()()()()()将上述法则输入软件生成正弦加速度减速阶段曲线.凸轮回程曲线计算和绘制为简化计算过程 对回程曲线相对于 平面的镜像曲线进行计
10、算和绘制 该镜像曲线的计算过程同推程曲线 代入、等参数计算可得 ()()同理可得:)回程加速阶段镜像曲线、坐标的法则分别为 ()()()()()回程等速阶段镜像曲线、坐标的法则分别为 ()()()回程减速阶段镜像曲线、坐标的法则分别为 ()()()()()()()将上述 段曲线相对于 平面进行镜像然后与推程的 段曲线进行结合得到凸轮轮廓曲线如图 所示 凸轮三维模型如图 所示 凸轮机构运动仿真分析本文选用 个同规格泵原件对称布置在柱塞泵总盘上将 个泵原件合并到一个出油口 将凸轮替换偏心轮完成装配后使用 软件的 第 期 王 亮 刘蓉蓉 李占锋 等:一种径向柱塞泵凸轮的设计与仿真“”运动机构模块进行
11、运动仿真检验凸轮机构运动效果首先在软件选项的“参数和测量”“单位”选项卡中将速度单位设为 加速度单位设为“读/写数字的小数位”设为 设置好各运动部件的接合关系在 软件中编辑凸轮旋转命令:机械装置.命令 命令.角度 机械装置./使用“速度和加速度”命令添加传感器监测点“参考产品”选择固定的柱塞套“点选择”选择柱塞杆上一点 当凸轮位于 时 该点处于柱塞套坐标原点位置使用法则曲线进行模拟:设置模拟持续时间为.步骤数为 激活传感器 并在传感器列表中选择与某一柱塞杆位移、速度和加速度相关的监测元素 柱塞杆模拟运动规律如图 所示由图 可知 柱塞杆位移、速度、加速度曲线均与设计目标一致 在一定时间段内等速运
12、动并消除了柔性冲击 个对称布置的泵原件速度关系模拟结果如图 所示由图 可知 个泵原件推程部分速度之和为一个定值 柱塞泵流量变化分析不考虑柱塞泵的滞后现象 偏心轮机构推程(排油)阶段柱塞杆的瞬时运动速度为 ()式中 为偏心轮的偏心距单个柱塞的瞬时流量为 ()式中 为柱塞腔直径凸 轮 机 构 推 程 阶 段 柱 塞 杆 的 瞬 时 运 动 速度为 ()()单个柱塞的瞬时流量为辽东学院学报(自然科学版)第 卷 ()()设置 为 将各参数代入公式()、()将计算结果输入 软件 仿真得到凸轮曲线优化前后柱塞泵的排油阶段瞬时流量曲线 如图 所示 由图 可知 优化前的偏心轮柱塞泵的瞬时流量是不断变化的 优化
13、后的凸轮柱塞泵的瞬时流量在一定时间内为一定值 无流量脉动 个相对泵单元叠加后的流量曲线如图所示由图 可知 柱塞泵总流量为一定值 实现了恒流量输出 结论)本文将等速运动规律和正弦加速度运动规律进行组合 设计了一种特殊轮廓的凸轮 实现在一定时间范围内的流量恒定 并消除了柔性冲击)将凸轮机构中的 个泵原件以 相位角对称布置并合并出口 实现总体流量恒定 解决了流量脉动问题)使用 软件绘制凸轮轮廓曲线 通过运动仿真生成位移、速度、加速度曲线 分析曲线特性 为凸轮机构的设计提供可供参考的设计思路和 软件应用经验)使用 软件 通过计算柱塞瞬时流量分别得到偏心轮泵和组合曲线的凸轮泵的流量曲线 分析柱塞泵的流量
14、变化规律 验证了恒流量输出理论参考文献:焦楠 曹巨江 王波波.基于 凸轮柱塞泵的三维创新设计.液压与气动 ():.第 期 王 亮 刘蓉蓉 李占锋 等:一种径向柱塞泵凸轮的设计与仿真 王辉 唐晓娇 李岚.阀配流径向柱塞泵中凸轮曲线的设计与仿真.机床与液压 ():.王少强.多点柱塞注油泵关键技术研究.秦皇岛:燕山大学.郭培全 来小丽 周春梅.凸轮驱动高压柱塞水泵的仿真分析.机械传动 ():.曹艳科.基于凸轮驱动的高压柱塞水泵研究.济南:济南大学.宋德夫.四缸径向往复柱塞泵动力端部件的研究.武汉:武汉理工大学.成大先.机械设计手册.版.北京:化学工业出版社.孙恒 陈作模 葛文杰.机械原理.版.北京:
15、高等教育出版社.王虹艳 李永康 廉自生 等.基于凸轮曲线的阀配流柱塞泵输出特性分析.华中科技大学学报(自然科学版)():.董小杏 骆科技 王和顺 等.恒压恒流凸轮柱塞泵凸轮曲线特性分析及优化.机床与液压 ():.吴孟丽 聂琪 李云鹏 等.基于组合运动规律的新型圆柱凸轮往复泵的流量脉动分析.机械设计 ():.刘福水 杨子明 黎一锴 等.凸轮 柱塞高压供油系统等压泵油特性研究.农业机械学报 ():.邸义 田中旭 马雷.等流量柱塞泵凸轮轮廓曲线的解析设计.机床与液压 ():.刘忠族 王秋波.凸轮转子泵的流场及脉动特性数值分析.排灌机械工程学报 ():.张占东 姚丽英 姚利花 等.恒压恒流凸轮柱塞泵凸轮曲线特性分析及优化.机床与液压 ():.(.):.:(责任编辑:赵双文)辽东学院学报(自然科学版)第 卷