专利名称：确定无冲击恒流量双柱塞泵凸轮轮廓形状的方法
技术领域：
本发明涉及一种机械技术领域的方法，具体是一种确定无冲击恒流量双柱塞泵凸轮轮廓形状的方法。
背景技术：
往复柱塞泵能够提供较大的压力，其主要应用于小流量、高压力的场合，如油田开采、液压驱动和控制等诸多领域。然而很多场合往往需要稳定的流量或要求尽量少的流量的脉动。为了使流量无脉动，有些场合人们通过改变带动泵的电动机转速来调节流量，这样增加了对电机性能的要求，还得增设相应的控制系统，在实际中也难以达到高精度稳定的流量；还有些技术人员设计了新型机构(如可变偏心机构、斜板转轴结构等)来改善流量的脉动。如通过改善柱塞驱动凸轮的轮廓线达到消除流量脉动的目的，避免了对控制系统和驱动系统的附加要求，具有非常高的经济行和适用性。
经文献检索发现，闫国军等人在《中国机械工程》2004(9)1617-1618)上发表的文章“往复泵阀运动规律的研究”，该文给出一种衡流量柱塞泵凸轮设计，实现了流量无脉动，但应用该凸轮，活塞的加速度不连续，活塞和凸轮之间会产生柔性冲击，尤其不利于柱塞泵的高速运转。目前还没有出现加速度连续的横流量柱塞泵驱动凸轮的报道。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种确定无冲击恒流量双柱塞泵凸轮轮廓形状的方法，应用该方法可以得到一类新型凸轮轮廓，应用这种新型轮廓的驱动凸轮，能够保证含双柱塞的柱塞泵本输出流量恒定，无任何脉动，并且柱塞泵凸轮与柱塞之间无任何冲击，有利于柱塞泵高速和平稳地运转。
本发明史通过以下技术方案实现的，本发明所述的确定无冲击恒流量双柱塞泵凸轮轮廓形状的方法，将含双柱塞的柱塞泵驱动凸轮划分为五段，采用Hermite插值函数确定柱塞速度曲线，积分以后应用各段间的连续性条件，确定了积分常数后便得到了描述驱动凸轮轮廓的5段函数的解析表达式，根据实际的需要给出函数中的参数数值，便得到所需的无冲击恒流量双柱塞泵凸轮轮廓。
所述的含双柱塞的柱塞泵驱动凸轮划分为五段，具体为1)柱塞加速段。此时柱塞速度增加，输出流量逐渐增加。
2)平稳输出段。此时柱塞速度恒定，输出流量恒定。
3)柱塞减速段。此时柱塞速度减少，输出流量逐渐减少。
4)柱塞回程加速段。此时柱塞向回运动，速度逐渐增加，不输出流量。
5)柱塞回程减速度。此时柱塞向回运动，速度逐渐减小，不输出流量。
在以上第1)、3)、4)、5)四段含双柱塞的柱塞泵驱动凸轮中，柱塞速度采用Hermite插值函数来确定，其中，通过常用的Hermite插值函数C1连续的特点，确保了各段之间柱塞的速度和加速度连续；同时，在以上5段含双柱塞的柱塞泵驱动凸轮中，前三段过程中输出流量，后两段过程中不输出流量，这样当与另外一个相位相差180度的柱塞一起，便能输出稳定的流量，这一点通过Hermite插值函数的特点自然实现。
应用本发明得到凸轮轮廓形状，包括以下三个步骤1)根据实际情况给定参数a、h1和C1，其确定依据为参数a反映了速度变化时间段的长短，其值在0～π/4之间。a不宜过小，当a接近0时，第1)和第3)段柱塞速度改变剧烈，会使运动平稳性会变差；当a变大时，第4)与第5)段的速度改变逐渐剧烈。综合考虑，a一般可在π/6附近取值。
参数h1决定柱塞的行程和流量，h1根据如下关系确定柱塞行程 S＝h1π柱塞泵流量Q＝h1Aω，其中ω为凸轮转动的角速度，参数A是柱塞的横截面积；C1值和凸轮大小有关，C1越大凸轮的总体尺寸越大，从受力角度来看凸轮是越大越好，但受到空间和凸轮本身旋转惯性等因素的制约，可根据具体情况予以选择。
2)计算描述凸轮形状的各段函数中用到的参数C2、C3、C4、C5、h2，其计算公式为h2=2h1ππ-2a]]>C2=-316h1a+C1]]>C3=-8h1a3π+6h1a4+6h1a2π2-h1π4-16a3C116a3]]>C4=h1(-509π4a-272π5-224πa4+712π2a3-792π3a2+48a5)16(-π3+6π2a-12πa2+8a3)(-π+2a)]]>+C1(512a3π-256a4-384π2a2-16π4+128π3a)16(-π3+6π2a-12πa2+8a3)(-π+2a)]]>C5=h1(-19πa+56π2+6a2)+C1(16π-32a)16(-π+2a)]]>3)计算凸轮轮廓展开后的高度函数，其计算公式为f(s)=f1(s)s∈[-a,a]f2(s)s∈[a,π-a]f3(s)s∈[π-a,π+a]f4(s)s∈[π+a,32π]f5(s)s∈[32π,2π-a]]]>s为凸轮一个周期内的转角，五个分段函数依次表示柱塞加速段、平稳输出段、柱塞减速段、柱塞回程加速段、柱塞回程减速段凸轮轮廓形状，各个分段函数的具体形式分别为f1=-h1s4+6h1s2a2+8h1sa3+16C1a316a3]]>f2＝/h1s+C2f3=8h1sa3-6h1s2a2+12h1sπa2+h1s4-4h1s3π+6h1s2π2-4h1sπ316a3+C3]]>
f4＝(-4h2s4+20h2s3π+8h2s3a-36h2s2π2-36h2s2πa+28h2sπ3+48h2sπ2a+12h2sπa2-8h2sa3)/(-π+2a)3+C4f5=-h2(s-(s-3π/2)3(π/2-a)2+(s-3π/2)42(π/2-a)3)+C5]]>经过以上三步便得到用户需要的凸轮轮廓形状曲线。
采用本发明得到的廓线的凸轮驱动下的柱塞泵同时具有如下两个特点柱塞泵流量恒定，无任何脉动；柱塞运动加速度连续，所以柱塞和凸轮之间无任何冲击载荷，适合柱塞泵高速平稳地运转。
本发明将含双柱塞的柱塞泵驱动凸轮划分为五段，借用了Hermite插值函数来描述柱塞速度变化段曲线，Hermite插值函数的本身性质保证了柱塞加速度连续，而且在双柱塞在速度变化段输出流量恒定，无任何脉动。这样的柱塞泵在应用时可以高速平稳运作，并具有流量非常稳定，对于液压驱动的平稳、减少液体对管路的冲击等都非常有利。
图1为实例一个周期内的速度曲线(横轴为凸轮转角，纵轴为速度)图2为实例的凸轮轮廓图(横轴和纵轴分布是x和y方向坐标)具体实施方式
以下结合本发明的方法提供实施例某液压驱动凸轮，在根据流量和凸轮大小要求选定h1＝20，C1＝50，速度变化过渡参数为a＝π/6时，应用本发明给出的5段凸轮轮廓展开函数得出凸轮轮廓形状。其柱塞速度如图1所示，凸轮形状如图2所示，当凸轮转速为1500r/min，柱塞面积为100πmm2时，柱塞泵可输出59.2升/min的恒定流量。该柱塞泵具有流量无脉动，柱塞加速度连续，可以实现平稳的高速运转。
在实际应用中该柱塞泵具有以下几点1)有利于提高柱塞泵的运行效率。因柱塞的加速度连续，有例于高速平稳运转，所以容易实现以体积小的柱塞泵，通过高的运转速度达到较大流量的需求；2)柱塞泵的流量不任何脉动，驱动其它部件时更加平稳；3)可以通过改变运转速度达到对不同流量的要求，并容易实现各个流量的平稳过渡。
4)在柱塞泵有控制系统时，因不必考虑流量脉动，可以使控制系统更加简单。
权利要求
1.一种确定无冲击恒流量双柱塞泵凸轮轮廓形状的方法，其特征在于包括以下三个步骤1)根据实际情况给定参数a、h1和C1，其确定依据为参数a反映了速度变化时间段的长短，其值在0～π/4之间，a不宜过小，当a接近0时，第1)和第3)段柱塞速度改变剧烈，会使运动平稳性会变差；当a变大时，第4)与第5)段的速度改变逐渐剧烈；参数h1决定柱塞的行程和流量，h1根据如下关系确定柱塞行程 S＝h1π柱塞泵流量 Q＝h1Aω，其中ω为凸轮转动的角速度，参数A是柱塞的横截面积；C1值和凸轮大小有关，C1越大凸轮的总体尺寸越大；2)计算描述凸轮形状的各段函数中的用到的参数C2、C3、C4、C5、h2，其计算公式为h2=2h1ππ-2a,C2=-316h1a+C1]]>C3=-8h1a3π+6h1a4+6h1a2π2-h1π4-16a3C116a3]]>C4=h1(-509π4a-272π5-224πa4+712π2a3-792π3a2+48a5)16(-π3+6π2a-12πa2+8a3)(-π+2a)]]>+C1(512a3π-256a4-384π2a2-16π4+128π3a)16(-π3+6π2a-12πa2+8a3)(-π+2a)]]>C5=h1(-19πa+56π2+6a2)+C1(16π-32a)16(-π+2a)]]>3)计算凸轮轮廓展开后的高度函数，其计算公式为f(s)=f1(s)s∈[-a,a]f2(s)s∈[a,π-a]f3(s)s∈[π-a,π+a]f4(s)s∈[π+a,32π]f5(s)s∈[32π,2π-a]]]>s为凸轮一个周期内的转角，五个函数依次表示柱塞加速段、平稳输出段、柱塞减速段、柱塞回程加速段、柱塞回程减速段的凸轮形状，各个分段函数的具体形式分别为f1=-h1s4+6h1s2a2+8h1sa3+16C1a316a3]]>f2＝h1s+C2f3=8h1sa3-6h1s2a2+12h1sπa2+h1s4-4h1s3π+6h1s2π2-4h1sπ316a3+C3]]>f4＝(-4h2s4+20h2s3π+8h2s3a-36h2s2π2-36h2s2πa+28h2sπ3+48h2sπ2a+12h2sπa2-8h2sa3)/(-π+2a)3+C4f5=-h2(s-(s-3π/2)3(π/2-a)2+(s-3π/2)42(π/2-a)3)+C5]]>经过以上三步便得到用户需要的凸轮轮廓形状曲线。
2.根据权利要求1所述的确定无冲击恒流量双柱塞泵凸轮轮廓形状的方法，其特征是a为π/6。
全文摘要
一种确定无冲击恒流量双柱塞泵凸轮轮廓形状的方法，属于机械技术领域。本发明将含双柱塞的柱塞泵驱动凸轮划分为五段，即柱塞加速段、平稳输出段、柱塞减速段、柱塞回程加速段、柱塞回程减速度，采用Hermite插值函数确定柱塞速度曲线，积分以后应用各段间的连续性条件，确定积分常数后得到描述驱动凸轮轮廓的5段函数的解析表达式，根据实际的需要给出函数中的参数数值，便得到所需的无冲击恒流量双柱塞泵凸轮轮廓。本发明采用Hermite插值函数的本身性质保证了柱塞加速度连续，而且在双柱塞在速度变化段输出流量恒定，无任何脉动。这样的柱塞泵在应用时可以高速平稳运作，并具有流量非常稳定，对于液压驱动的平稳、减少液体对管路的冲击等都非常有利。
文档编号F04B9/02GK1869441SQ200610027970
公开日2006年11月29日 申请日期2006年6月22日 优先权日2006年6月22日
发明者田中旭, 崔毅 申请人:上海交通大学