高效节能叶片泵关键技术研究(上).doc

结题报告
附件:《高效节能叶片泵关键技术研究》研究报告
研究报告内容如下：
1、报告题目：基于ANSYS的叶片模态分析与创新设计
2、项目组成员姓名
3、摘要
本文提出新的叶片结构，通过改变叶片与定子传统的磨擦形式，减小磨损。利用有限元软件ANSYS对叶片进行模态分析，求解各阶模态振型及固有频率，对叶片结构进行优化设计，避免叶片产生共振，从而能达到节能降噪的目的.
4、关键词
叶片；ANSYS；模态分析；降噪
5、研究报告正文
一、前言
在液压传动技术领域，叶片泵是目前工业使用较多的液压泵，衡量叶片泵性能的重要指标主要是泵的振动和噪声高低问题.近年来,国内外的高校、科研院所在叶片泵降噪方面的进行了大量的研究，取得了一定的成果.随着叶片泵向高压、高转速方向发展，国产的叶片泵运转长时间运行后的噪声和振动问题依然突出，一直没有很好地解决,振动和噪声导致大量的能量损耗，降低了液压系统效率。
叶片泵的噪声有机械噪声和流体噪声两部分构成,机械噪声为其主要成份，机械噪声与定子曲线形状、转子及叶片的结构等相关，机械噪声主要是叶片与定子内表面磨擦、撞击产生的.叶片泵的技术难点在于解决叶片运动过程中对定子的冲击,以及如何进一步改善叶片的受力、减少磨损。虽然定子高次曲线的应用在理论上保障了叶片运动的平稳性，但由于叶片顶部结构为尖角状或圆弧廓状，叶片在运动中与定子仍然存在较大的磨擦，引起噪声，此外叶片在高速旋转过程中，当激振频率与叶片的某阶固有频率相等时，会引起叶片剧烈的振动。
二、叶片的受力分析
图1，叶片泵结构图2，叶片受力图
1、定子；2、转子；3、叶片；4、配流盘
传统叶片泵的结构如图1所示，主要由定子、转子、叶片、配流盘等组成。叶片在定子曲线上划动时，叶片顶部受到定子内曲线的两个作用力，如图2所示，叶片与定子为滑动磨擦，F1为定子对叶片的接触反作用力，方向沿A点处定子曲线的法线方向，F2为定子对叶片的摩擦力，方向沿A点处定子曲线的切线方向，且F2=fF1，f为叶片与定子的摩擦系数。由于工作中叶片高速旋转的惯性力、液压力的作用，叶片顶部A点磨损较大,叶片顶部逐渐被磨成一个平面，导致叶片与定子曲面的接触面增大,进而引起摩擦力F2较大。
三、叶片优化设计及模态分析
1、传统叶片结构
如图3所示，传统叶片结构简单，制造加工方便，此外与叶片装配的定子结构也简单,装配简便，应用中的装配图如图1所示.但缺点是叶片顶部与定子为滑动磨擦，接触面的受力性能较差,叶片运转时的摩擦力较大,容易引起叶片与定子的剧烈磨损和系统噪声。
图3传统叶片结构图传统叶片与定子装配图
2、新型叶片结构
为了改善传统叶片受力状况,在传统叶片的基础上改进，设计一种新型叶片结构，新型叶片结构由叶片、滚动体、销钉、螺钉四个部分组成，如图4至9所示。其中,如图4b的叶片空间框架图所示，叶片的顶部开有滚动体的滚槽，滚槽左侧是滚动体支撑孔,滚槽右侧打螺纹孔，叶片底部设有一个方形槽腔，用于安装弹簧，弹簧提供叶片与转子之间的弹簧力,使叶片运转时能够始终压紧定子.
叶片顶部的滚动体可以绕自身轴线滚动,当叶片在定子曲面上划动工作时，由于滚动体的滚动，有效减小了叶片与定子曲面的磨损及摩擦力，可以较好地提高效率,降低噪声，降低能耗.与传统叶片相比,新型叶片允许增大叶片泵转子转速，提高流量,此外,还可以提高叶片底部的弹簧压力，增大叶片与定子曲面的法向压力，提高液压密封腔的密封能力以及叶片泵的容积效率。
a叶片立体图b叶片空间图
图4新型叶片结构
图5螺钉图6滚动体
图7销钉图8新型叶片结构图
3、叶片的模态分析
前面设计了新型叶片结构，以改善传统叶片结构的受力问题，下面利用用有限元软件对叶片进行模态分析，求解两种叶片的各阶固有频率及相应模态振型，为解决新型叶片在工作中因共振而引起的噪声问题，提供参考解决方法。
工作中叶片的激振频率取决于电机转速，因此对应于电机的不同转速，激振频率也不同,当激振频率达到叶片相应的固有频率时，会导致叶片共振，引起叶片剧烈振动，使叶片与定子、转子之间产生噪声和振动。例如，假设电机转速为970r/min，则激振频率为16。667Hz。
图10传统叶片结构有限元网格图图11新型叶片结构有限元网格图
把叶片结构网格划分，取SOLID45单元,叶片的有限元网格图如图10、11所示。材料属性输入杨氏模量E=,泊松比为0。31，密度.求解传统叶片结构前30阶、新型叶片结构前35阶的固有频率，各阶固有频率结果如图12、13所示.图中数据显示,从第7阶开始,两种叶片都有固有频率，且在相同阶次中，传统叶片的固有频率比新型叶片的固有频率数值更大些.
图12前30阶模态图13前35阶模态
通过逐一查找各阶模态振型,其中可以找到传统叶片结构的横向振型图如图14所示，固有频率是第18阶51。604Hz;纵