基于深海新型液压泵优化设计的研究.pdf

Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 8 ． 2 0 1 1 基于深海新型液压泵优化设计的研究 吕彬彬 潘增军 易 龙 诸葛 刚 姜建 宇 荆宝德 浙 江师 范 大学 工 学 院 ， 浙 江金 华3 2 1 0 0 4 摘要 根据 海水液压泵 的技术研 究现状 ． 主要对海水液压 泵滑靴 、 柱塞 、 过滤装 置以及泵体外壳 等海水液压泵 的关 键部件进行 了结 构研究分析 ， 此外 。 还针对海水液压泵 的四对主要 摩擦 副进行了数学模型分析及三维建模仿真。仿真结果对液压泵 的设计具有一 定的 指导意义 。 关键词 倒锥型滑靴 ； 外 螺旋 柱塞 ； 过滤装置 ； 自平衡 中图分类号 T H 3 2 2 ， T H1 3 7 ． 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 1 0 8 0 0 3 5 0 3 O p t i mi z e d De s i g n o f a N e w D e e p s e a Hyd r a u l i c Pu mp LV Bi n - b i n P AN Z e ， } g Ⅱ n YI L o n g Z HUGE Go n g J ／ ANC J i on y u J I NG Bo o d e C o l l e g e o f E n g i n e e r i n g ， Z h e j i a n g N o r ma l U n i v e r s i t y ， J i n h u a 3 2 1 0 0 4 ， C h i n a Abs t r ac t Ac c o r d i n g t o n o wa d a ys ’ r e s e a r c h o f t he wa t e r p ump ， t h i s e s s a y c o nc er ns t h e s t r u c t ur e a n al y s i s o f t he ke y p a r t s o f t he wa t e r p u mp’ S s l i p p e r ， p l u n g e r , fi l t e r d e v i c e a n d i t s s h e l 1 ． B e s i d e s ， i t c o v e r s t h e ma t h e ma t i c a l mo d e l a n a l y s i s o f t h e f o u r p a i r s o f ma i n f r i c t i o n a n d b u i l d t h e t h r e e d i me n s i o n s mo d e l i n g a n d s i mu l a t i o n ． T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s f o r t h e d e s i g n o f t h e h y d r a u l i c p u mp h a v e c e r t a i n c o ns t r uc t i v e s i g n i fic a n c e ． Ke y W o r d s c o n e s l i p p e r ； e x t e r n a l s p i r a l p l u n g e r ； fi l t e r d e v i c e； s e l f - b a l a n c i n g 0 引言 海水液压传动技术的发展与海洋开发 的需要以及 科 学 技术 的发 展是 密 不 可 分 的 ，并 且 始 于海 水 泵 的研 究 。 美国在 2 0世纪 6 0年代末 、 7 0年代初在全球最先开 始海水液压传动技术的研究 ， 随后英 国、 日本 、 德 国、 芬 兰等 国相继加入该领域的角逐 ，目前已经进入普遍实 际应 用 阶段 。 国内开 展 水 压传 动 技 术研 究 较 早 的是 华 中科 技 大 学 ， 自 1 9 8 3年 以来 ， 华 中科 技 大 学 主 要 从 事 高水基液压液及其元件和系统的工作。1 9 9 6年完成海 水液压泵试验研究 。近年来 ， 浙江大学投入 了大量的人 力 、 物力和财力 ， 从事纯水液压技术 的研究 ， 并取得 了 一 定的成果【 l 】 。湘潭高新区机械研究所研制 出新型 6柱 塞高压水泵 ， 并 已申请 国家专利 。 1 海水液压泵主要部件设计 分析 1 ． 1滑靴 改进 设计 滑 靴设 计 最 主要 的问 题是 解 决 磨 损 问题 ，一般 采 用工 程 塑料 和 金 属 的不 同组合 来 满 足设 计 要 求 。 通 常 有三 种形 式 ． 如 图 1 所 示 。 收 稿 13期 2 0 1 1 - 0 2 2 4 作者简介 吕彬彬 1 9 8 9 一 ， 男 ， 在读本科生 ， 就读 于浙江师范大学工 学院 机械设计制造及其 自动化专业。 a b c 图 1晋 通 滑 靴 的三 种 结 构 对 于 图 1 a所示 的结 构 ， 滑 靴 由工 程 塑 料 内芯 和 金 属外包构成 ， 滑靴 内芯和外包采用过盈配合装 配。此结 构设 计 简 单 ， 工程 塑 料 内芯能 够 有效 改 善 球头 与 滑靴 ， 斜盘与滑靴的磨损状况。但是 由于金属外包 比较薄弱 ， 工作 时 易 张开 ， 导致 内芯 和外 包 的脱 离 ， 造 成 失效 。图 1 b所示的结构 由金属外包 、 塑料球窝 内芯、 塑料靴底三 部分构成 ， 靴底通过紧固胶结于金属外包底面。此种结 构较 前 种 滑靴 结 构 有所 增 强 ， 但 是胶 结 强 度低 ， 靴 底 容 易脱落。图 1 c 所示滑靴由金属外包和塑料靴底两部分 组成 ， 滑 靴球 头 副 为塑 料半 球 头 和金 属 球 窝 配合 ， 此 结 构其 靴 底 也较 易 脱 落 ， 并且 柱 塞 结构 复 杂[2 1 。本文 针 对 这 三种 结构 的利 弊 ， 提 出图 2所示 结构 。新 型倒 锥结 构 由工程 塑 料 内芯 和 金 属外 包 两部 分 构成 ，为 了克 服 金 属外 包 薄 弱 ， 工作 时容 易 张开 ， 导致 内芯与 外 包脱 离 的 问题 ．这 种新 型滑 靴 不仅 才 采用 内芯 上端 和 外包 过 盈 配合 的方 法外 ， 还 在 内芯 下端 设 计 了倒 锥 结构 ， 金 属 外 包 与倒 锥 面 紧密 贴 合 ，这 样 能解 决 内芯和 外 包脱 离 的 3 5 液 压 气 动 与 - - -4 ／ 2 0 1 1．if - ． 第 8期 问题 。滑靴球 头副 为金属 球头 和塑料 内芯 的全包 结构 ， 由于 塑料 的延 展性 ， 塑 料 内芯 紧贴 于金 属 球头 外表 面 ， 这样能保 证球 头副 的磨损 和密 封性 的要求 。 图 2新 型倒 锥 滑 靴 1 ． 2柱塞 的设计 关 于海 水液 压 泵柱 塞 的结 构 ，本文 设计 在 柱塞 表 面加工螺旋线起阻尼作用 ，使得高压的海水在阻尼作 用下形成一个压降。 如图 3所示 ．此结构在柱塞外圆上加工一段螺旋 槽 『 3 _ ， 当海 水 液 压泵 工 作 时 ， 柱 塞 与 缸体 之 间有 相 对 滑 动 ， 柱 塞 腔 内的海 水有 一 部分 会顺 着 螺旋 线 而下 ， 进 入 柱塞内部的高压液体首先流过螺旋槽形成 的进 口阻尼 产生压降 ， 环形槽与靴底的压力是相通 的， 二者压力基 本相同，靴底压力腔中的压力流体经过靴底密封带泄 漏 到无 压 力腔 ．利 用 靴底 压 力腔 的液 压 力来 平衡 柱塞 载 荷 ， 并 保 证靴 底 总有 海水 润 滑膜[ 4 1 。该结 构 在柱 塞外 面加工螺旋槽 ， 加工方便 ， 另外 ， 螺旋槽的边 宽降低 了 污染 敏感 度 。 ／ ／ 4- 11 皋 体 图3带螺 旋 阻 尼 槽 的 柱 基 1 ． 3 过滤 装置 的设计 海 洋 中含有 较 多 的杂 质 以及 复杂 的生 物群 ，为保 证 海水 液压 泵 正 常运行 ，海水 入 口处 必须 设 置一 个过 滤装 置 ， 用 以排 除杂 质和 生物[5 1 。同时 ， 考虑 到深 海 中压 强很 大 ， 一 般 的过滤膜 无法 承受 如此 巨大 的压强 。基于 以上 两点 因素 的考 虑 ，本 文设计 了一 种 以钢铁 为基 础 材料 。 并在其 外 围镀上 防腐 膜 的过滤装 置 。 如 图 4所 示 ．主视 图 中 的接 头 直接 连接 于 海水 液 压 泵 的入 口处 ，右视 图 中 密布 的小 黑点 即为直 接在 钢 板 上 打造 出的过 滤 网 。该 装 置 能过 滤掉 海水 中的大 部 分 杂 质 和生物 ，较之 于其 他 过滤 装 置而 言本 装 置 占用 空 较小， 能承受较大的海水压强。由于镀上了一层防 腐膜 ， 还能有效地防止钢铁被海水 中的杂质腐蚀 ． 从而 延长海水液压泵使用寿命。 a 翻 蚍 b “i税 图 4 过滤装置结构示意图 1 ． 4自平衡 泵体 外壳 的设计 深海中压强很大．为避免由海水压强引起海水液 压泵损坏 ．本文为液压泵设置了一个 能够 自动平衡压 强的泵 体外壳 。 如 图 5所示 ，当海水液压泵往海洋深处下 降的时 候 ， 泵体外壳受到海水 的压强越来越大 ， 由于泵体外壳 是刚体 ， 而可移动挡板 、 密封圈以及弹簧与泵体外壳之 间可 以相对 滑 动 ， 所 以压强 越 大 ， 可移 动挡 板会 越 往泵 体外壳 内部滑行 ， 弹簧会被压缩的越紧， 以达到整个海 水液压泵 内部压强与外部压强相等而 自动平衡水压 的 效果 。反之 ， 若压强减小 ， 弹簧会往外舒张， 可移动挡板 会越往泵体外壳外部滑行。 1 -日 J 移动挡板2 一 面封幽3 - fl 黄 4 一 泵体外壳 5 一 固定挡板6 - 海水液压泵主体 图 5 自平衡泵体外壳粗略结 构示意 图 2 数学建模及仿 真分析 选 取 电 动机 、 缸体 轴 、 柱 塞 、 滑 靴 、 缸 体 、 配流 盘 为 研究系统 ． 列出其微分方程如下 P i 7 B l 椰 ．d z d 0 d o t ． z 啪 ， 。 。 R P 0 式 中 7 B d 20o t Dta n y 柱塞与缸体的功率 损 耗 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 8 ． 2 0 1 1 7 B 争 柱 塞 与 滑 靴 之 间 的 功 率 损 耗 7 B ， 滑靴 与斜盘之 间的功率 损 耗 B 4 2 一配流 盘与缸体之 间功率 损耗 j R d t d O o t 柱 塞 、滑靴 、 缸体 、 配流盘之 间转 动 的功 率损耗 ； ￡ ． 一柱塞 分度 圆直 径 d 滑 靴 内径 D。 配 流盘 直径 ； 尺 缸体半径 ， 1 2 m R ； B． 柱塞与缸体之间的阻尼系数 ； 柱塞与滑靴之间的阻尼系数； 滑靴与斜盘之间的阻尼系数； 眈 配流盘与缸体之间的阻尼系数 ； 输入功率 ； 尸 n 输出功率 。 因此本文研究 的阻尼对系统的影 响微分方程可 以 转 换 如下 7 御 手 7 B 3 c 坩 c R a O o f 经过 L a p l a c e变换得 △ p 7 B。 2 D t a n T O o s s 2 7 日 2 s s 2 7 曰 3 订 D O o S s B 4 r D l ／ 2 o o s s R s O o s 化简 得 0 o s △ { [ 7 2 Dt a n y 7 d 7 B 3 仰 。 t r D l／ 2 】 s 肺 带人实际测得的尺寸传递函数 G 运用 ／ ．M9 M a t l a b绘制 曲线如 图 6所示 。 -_ -_ S 图 6 传递函数曲线 海 水液压 泵控制 原理框 图如 图 7所 示 。 图 7海水 液 压 泵 控制 原 理 框 图 其 中 G 代表柱塞与缸体的功率损耗影响 ， G 代表 柱塞与滑靴的功率损耗影响 ， c ， 代表滑靴与斜盘的功率 损耗影 响， G 代表配流盘与缸体的功率损耗影响， G 代 表柱塞 、 滑靴 、 缸体 、 配流盘之问转动的功率损耗影响 ， G 代表系统长期使用后部分区域泄漏增大 ，间隙变大 ， 使得 摩擦 减小 ， 从 而导 致阻尼变 小 的影 响 。 运 用 S I MU L I N K仿 真模 型 ， 建 模 如 图 8所 示 。 图 8 S I MU L I N K仿 真模 系统在单位阶跃下的转角响应如图 9所示。 7。 l 2 、 二 I t l s e e 图9 系统在单位阶跃下的转角响应曲线 下转第 4 0页 37 液 压 气动 与 密 封 ／ 2 0 1 1年 第 8期 图 7液 压 马 达 的 功率 曲线 如图 7所示 ，两个系统液压马达的功率 曲线走 向 一 致 ， 模 拟 负载 的实 验 系统 比实 际 系统 的稳 定性 稍 好 ， 能满足系统功率模拟的要求 。 两个系统中蓄电池的荷电状态 S O C 曲线 ， 如图 8 所示 。 1 实 际动臂能 带同收 系统 图 8 蓄电池的 S O C曲线 由图 8可知 ， 两个 系统 中蓄 电池 的荷 电状 态 S O C 变化基本相同。 从上述仿真结果可以看出 ，动臂能量回收系统和 模拟 负 载动 臂能 量 回收 实验 系 统 的各 项 性 能参 数 大致 一-一一十一一一-十一十一十一十一十一十一十-。 ● 一。 ●一 - 一。’ 一 上接第 7 页 ．其 中横坐 标表 示 时 间 t ， 纵坐 标表 示 系统 在单 位 阶 跃下的转角响应 ， l 、 2 、 3 、 4中阻尼系数依次增大。 根 据 图 中所 示 ． 阻 尼越 小 系统 响应 越 快 ， 即改 进 系 统 ， 减 小 阻尼 ， 从而 得到较 理想 的响应 。 3结 束 语 本 文设 计 的外 螺旋 柱 塞 以及倒 锥 型滑 靴较 之 于普 通 的海 水液 压泵 ， 减轻 了摩 擦 ， 降低 了磨损 。设 计 的镀 膜 钢铁 过滤 装 置 ，有效 的排 除 了由于 海水 压强 以及杂 质 问题 给海 水 液压 泵正 常工 作 所带 来 的影 响 因素 。设 计 的泵 体外 壳拥 有 自动 平衡 压 强 的功 能 ，很好 的 处理 了深 海 与地 面工 作 环境 不 同所 带来 的 不便 。通 过建 模 仿 真分 析 得 到减 小 阻 尼 可 获得 较 理 想 的 的快 速 响应 ． 对海水 液压泵 的设 计具 有一 定 的指 导意 义 。 吻合 ， 说 明模 拟负 载与 真实 负载 的作用效 果基 本一致 。 4结 论 由于 在 动臂 能量 回收 的实验 研究 中 ，存 在着 液 压 缸安 装不 便 和负 载加 载 困难 等 问题 ，本 文设 计 了一 种 模拟负载动臂能量回收实验系统 ，来代替实际动臂系 统 中的能量 回收实 验 。 通过仿 真分析 ，模拟 负载动臂能量 回收实 验系统与 实际动臂能量回收系统的各项性能基本吻合，所以在实 验研究中可以采取这种模拟负载的实验系统来替代实际 系统进行实验 ， 可以大大节省实验成本， 提高实验效率。 参 考 文 献 【 1 】 李永堂 ， 雷步芳 ， 高雨茁． 液压系统建模与仿真【 M] ． 北京 冶金 工业 出版 社 。 2 0 0 3 ． [ 2 】 林潇 ， 等． 混合动力液压 挖掘机动臂势能 回收系统【 J J ． 农业机 械学报． 2 0 0 9 4 ． 【 3 ] D o n g y u n ． Wa n g ，S h u a n g x i a ． P a n ，D e s i g n o f E n e r g y S t o r a g e U n i t f o r H y b ri d E x c a v a t o r P o w e r Ma n a g e m e n t【 J 】．I E E E V e h i c l e P o w e r a n d P r o p u l s i o n C o n f e r e n c e V P P C ，H a r b i n ， C h i n a ．2 0 0 8 9 1 - 5 ． f 4 1 张彦廷 ， 等． 混合动力液 压挖掘机液压 马达的能量 回收及试 验f J 1 ． 机械工程学报， 2 0 0 7 8 ． 【 5 】 余佑 官 ， 龚 国芳 ， 胡国 良． A ME S i m仿真技术及其在液压 系统 中的应用 『 J 1 ． 液压气动与密封 ， 2 0 0 5 3 ． 【 6 ] 张树忠 ， 邓斌 ， 柯坚． 基于液压变压器的挖掘机动臂势能再生 系统『 J 1 ． 中国机械工程 ， 2 0 1 0 0 0 ． [ 7 】 武宏伟 ， 权龙． 负载敏感型挖掘机液压 系统 能耗 分析 [ J ] ． 液压 气动与密封． 2 0 0 9 6 ． 【 8 ] 张彦廷 ， 雷西娟． 混合动力液压挖 掘机多泵驱动 系统节能效 果的仿真评价I J 1 ． 工程机械 ， 2 0 0 8 2 ． 一-一- - 4 -一- 4-一- -一- ． ---- -一 一一 - 一一 一一 - 卜 一 - 卜 参 考 文 献 【 1 ] 曹树森， 等． 深海 海水液压 系统 的研究现状 与前景[ J ] ． 世界科 技研究与发展， 2 0 0 9 1 2 ． [ 2 】 任志刚． 深海水液压泵 的结 构设 计与试验研究【 D 】 ． 武汉 华 中 科技大学。 2 0 0 8 ． 【 3 ] 杨曙东． 基于海水润滑 的中高压 海水液压泵研究【 D ] ． 武汉 华 中科 技 大 学， 2 0 0 5 ． [ 4 】 晏小伟． 海水 液压泵污染磨 损机理及其 实验的初步研究【 D ] ． 武汉 华 中科技大学， 2 0 0 4 ． 【 5 】 朱盂 府， 等． 移动式海水淡 化装置 的结构设计[ J ] ． 医疗卫生装 备． 2 0 0 7 7 ． 【 6 ] 韩虎， 等． 基 于 MA T L A B液压系统 的仿 真技 术研究与应用『 J 1 ． 液压气 动与密封， 2 0 0 7 3 ． 【 7 】 宋 志安， 王文馨． 由阶跃响应 曲线辨识传 递函数 的图解方法 [ J ] ． 山东科技大学学报， 2 0 0 3 3 ．