谢朝明

（梧州学院，广西梧州543002）

基于一种新型海水液压泵的动力学分析

谢朝明

（梧州学院，广西梧州543002）

通过对海水泵系统等效力学模型的构建，描绘出系统从启动到停止全部三个过程海水泵系统的动力随时间变化的规律。建立以回转运动的斜盘为等效构件，以斜盘的摆角作为广义坐标求解所得出的等效转动惯量与等效力矩所构成的等效力学模型，进行动力特性分析。并通过等效构件有效地将整个系统动力特性折算到等效构件上，求解出三个阶段海水泵系统的动力特性。

海水柱塞泵；等效转动惯量；等效力矩；动力学分析

笔者已成功开发设计一种新结构的斜盘连杆式的轴向柱塞水压泵，该泵采用油水分离及阀配流结构，它一共有7根连杆、7个柱塞，每根连杆的两端分别铰接到斜盘、柱塞，当泵工作时，泵轴带动斜盘作圆锥摆转，柱塞被连杆带动，从而达到吸水和压水。具体结构如下页图1所示。

图1 海水泵总体结构装配图

该泵达到技术目标为：额定工作压力3.5MPa（最大5MPa），额定流量350L/min，容积效率90%，属于定量泵。

1 泵的主要运动构件

泵体的主要运动构件为斜盘和柱塞连杆组件，当泵工作时，缸体不动，主轴带动斜盘旋转，由于每根连杆的两端分别与斜盘和相应的柱塞铰接，斜盘作圆锥摆转，通过连杆带动柱塞，实现吸水和压水，因此，可将其视为自由度为1的平面摇杆滑块机构进而对其进行动力学分析。

通过NX8.0对上述零件进行建模如下页图2及图3所示。

1.1 活塞连杆：作为组件中的连杆连接斜盘与滑靴

图2 连杆滑靴

1.2 活塞：作为组件中滑块做往复直线运动

图3 活塞

通过NX8.0建模后，应用分析功能测得所需零件的性能参数：质量m，转动惯量J，回转半径r，质心x，及以上设计所得参数列出如表1所示。

表1 零件参数数据表

2 柱塞泵的摆动力及摆动力矩

将柱塞泵运动组件等效成平面摇杆滑块机构并对其进行分析。

2.1 建立等效力学模型：

定A为斜盘的质心，摇杆长为l1，活塞杆长为l2，铰链点B到连杆的质心S2的距离为ls2，活塞的偏心距为e=0.0765，活塞连杆滑靴组件的质量为m2，活塞的质量为m3，斜盘做角速度为ω的摆动。假定活塞在运动过程中的摩擦阻力忽略不计，且活塞的质心与铰链C重合，建立如下图4所示的运动构件受力图。

图4 运动构件受力图

2.2 建立动态静力分析方程

在对上述构件进行受力分析后，应用平面机构动态静力分析法，可推导出摇杆活塞的动态静力分析方程：

矩阵BI为8×1列阵，其中包含了3个部件的惯性力和惯性力矩；

矩阵B置零；

矩阵R为8×1列阵，包含了3个部件运动副中的作用反力和作用在摇杆中的力矩，为所求量；

矩阵A为8×8方阵，其中元素与各构件的质心位置有关；

求解所得结果将为柱塞组件的摆动力及对斜盘中心的摆动力矩随斜盘摆动角度β的变化情况[2]。

为求解单组活塞组件的摆动力及对斜盘中点摆动力矩随斜盘摆动角度β的变化情况，通过NX8.0建立单组柱塞组件，并将其导入到Abaqus中，对其进行有限元动力分析。得到如下图5 x方向摆动力、图6 y方向摆动力和下页图7摆动力距所示的活塞组件的动态特性。Abaqus中采用的是国际单位制，因此力的单位为N，力矩的单位为N/m。

图5 x方向摆动力

图6 y方向摆动力

图7 摆动力距

由图5和图6可知x方向的摆动力与摆动弧度为余弦关系式，而y方向的摆动力与弧度的函数关系为正弦函数。在单个摆动周期内，所产生的x方向的摆动力明显要比y方向的摆动力大得多，因此，海水泵在x方向上的摆动力矩是引起泵体振动的主要激励。为此，在安装固定海水泵体时应当考虑消除振动对泵体工作所带来的影响，最主要的是消除沿活塞运动方向的影响[3]。泵体减振可通过以下几种有效的办法。

（1）增设适当的减振垫和减震器；

（2）架设弹簧减振支架；

（3）振动较弱的方位还可采用橡胶垫来消除振动；

3 柱塞泵的等效转动惯量和等效力矩

单自由度系统动力是通过给定系统的运动规律，来求解机械系统随时间变化的规律。通过柱塞滑靴的运动学分析和静力学分析已经求解各个部件的角速度，角加速度以及各部件质心的速度和加速度等表达式。通过lagrange机械系统动能定理可求解得出系统等效构件的等效转动惯量，进而通过单自由度机械系统的动力学方程求解得出机械系统的等效转动惯量及等效力矩随摆动弧度周期变化的规律。

3.1 柱塞滑靴的等效转动惯量

建立斜盘、连杆、活塞滑靴组件的单自由度系统，视斜盘为等效构件，将系统各构件的转动惯量折算到等效构件上即可求解系统的等效转动惯量。

由等效惯量计算式：

可得

式中：ω1为斜盘转动角速度；

β为斜盘倾角；

θ为斜盘转动角；

D为斜盘直径；

3.2 柱塞滑靴的等效力矩

斜盘作为等效构件做定点摆动运用动力学方程的能量形式：

则由上述可得等效力矩的表达式：

以等效构件运动学模型表示系统的动力形态，是求解单自由度系统动力学问题的重要原理。因此，对于海水泵的运动系统而言，建立以回转运动的斜盘为等效构件，以斜盘的摆角作为广义坐标求解所得出的等效转动惯量与等效力矩所构成的等效力学模型，进行动力特性分析。通过已构建的力学模型便可求解出泵总体的运动参量在不同情况的稳态响应，下页图8为等效构件斜盘在运动和稳态时刻铰链处和质心处的速度与摆角关系图，该图说明了当系统进入稳定状态后，等效力学模型的速度和周期性变化[4]。

图8 等效构件的稳态速度变化

总而言之，机械系统的动力形态全过程包括三个阶段：启动阶段、稳定阶段和停车阶段的响应。通过对海水泵系统等效力学模型的构建，便可描绘出系统从启动到停止全部三个过程海水泵系统的动力随时间变化的规律。其中，对于海水泵的稳定运行阶段，摆动力作为主要激振力呈周期性变化。因此系统的摆动力及摆动力矩是研究系统稳定阶段振动、提高工作精度和可靠性的重要因素。而在启动阶段和停车阶段的过渡历程中，会产生较大的动载荷，载荷非稳定，因此构建等效力学模型，通过等效构件有效地将整个系统动力特性折算到等效构件上，由此便能够求解出三个阶段海水泵系统的动力特性。

[1]李壮云.液压气动与液力工程手册[M].北京:电子工业出版社,2008.

[2]雷天觉.液压工程手册[M].北京:机械工业出版社,1997

[3]席平原.应用MATLAB工具箱实现机械优化设计[J].机械设计与研究,2003(3):59-63.

[4]徐绳武.液压柱塞泵[M].北京:机械工业出版社,1984.

A Dynam ic Analysis Based on a New Type of Seawater Hydraulic Pum p

Xie Zhaom ing
(W uzhou University,W uzhou 543002,China)

By structuring an equivalentmodel system of seawater pump,this paper illustrates the law of dynamic changes over time during all the three stages from starting to stopping of the system of seawater pump.Then,an analysis of dynamic characteristics ismade on the basis of structuring an equivalent components of rotary swash plate,where an equivalent dynamic model is obtained, consisting of equivalent rotary inertia and equivalentmomentwhich is solved by taking the tilt angle of the swash plate as a general coordinate.Finally,by converting all the effective characteristics of the whole system into the equivalent components,the dynamic characteristics of the seawater pump system are solved.

seawater plunger pump;equivalent rotary inertia;equivalentmoment;dynamic analysis

O59

A

1673-8535(2013)03-0029-08

谢朝明（1970-），男，江西吉安人，梧州学院电子信息工程系工程师，研究方向：动力应用。

（责任编辑：高坚）

2013-04-16