超高压微流量泵的动力学分析及结构优化

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超高压微流量泵主要用于小型压力管道、高压阀门、高压密封元件、超高压仪表等检测。不同应用场合对超高压微流量泵提出了越来越高的设计和制造要求。其压力、流量参数变化范围广,最高输出压力达到200MPa,最小输出流量需要达到10mL/min。不同场合超高压微流量泵的流量、压力参数变化幅度较大,不同规格的产品需要重新设计,增加了设计成本,开发周期也大大延长。运用虚拟样机技术对产品进行研发设计,可以大幅提高设计效率,缩短开发周期。本文在已有的研究基础上借助多体动力学软件MSC.ADAMS和结构有限元软件ANSYS分别对超高压微流量泵进行多体动力学分析和结构分析,同时研究了不同半径的柱塞和偏心距对偏心轮应力的影响规律。  本文主要开展的研究工作和结论如下:  (1)利用MSC.ADAMS软件对超高压微流量泵进行刚体动力学分析。通过分析得到了滑块、柱塞杆和滑导体的质心的位置曲线、速度曲线、加速度曲线。验证了偏心运动轨迹和柱塞杆运动轨迹曲线与理论运动曲线相同,证明了超高压微流量泵虚拟样机运动学模拟的正确性。通过后处理还得到了施加在柱塞杆上的施力曲线图,以及主要零部件间的扭矩曲线图等。  (2)联合ANSYS与MSC.ADAMS软件对超高压微流量泵进行刚柔耦合动力学分析。通过刚柔耦合动力学分析得到了关键零部件柱塞杆在运动过程中所受的最大应力应变,采用ANSYS软件对柱塞杆进行静力学分析,将ANSYS得到的柱塞杆应力值与MSC.ADAMS的应力值对比,得出MSC.ADAMS的应力值比ANSYS的应力值更准确。证明通过MSC.ADAMS软件得到的偏心轮的应力值也是正确可靠的。  (3)在设计压力、偏心距、转速相同的条件下,比较刚性柱塞杆与柔性柱塞杆对偏心轮应力值的影响。得到柔性柱塞杆下的偏心轮的整体应力值比刚性柱塞杆下的整体应力值有所减小。  (4)采用控制变量法研究了柱塞杆半径和偏心距对偏心轮应力值的影响规律。得到了柱塞杆半径和偏心距对偏心轮的应力影响规律:(i)偏心距4.5mm为恒值时,得到不同柱塞杆半径-偏心轮应力值拟合公式;(ii)柱塞杆半径3mm为恒值时,得到不同偏心距-偏心轮应力值拟合公式。  (5)利用ANSYS软件对缸体进行有限元分析。通过分析得到缸体的柱塞腔两侧应力值相差较大是造成缸体柱塞腔严重扭曲变形的原因;缸体最大应力值在缸体柱塞腔底部,最大应力值为284MPa。对改进后的缸体结构进行有限元分析,改进后柱塞腔应力分布均匀,同时缸体最大应力值的位置出现在缸体排油口处且最大应力值为267MPa,最大应力值有所减小。
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