陳 艦

（江西機電職業(yè)技術(shù)學院機械工程學院，江西 南昌 330013）

雙作用橢圓軌道滾柱泵是一種能輕易實現(xiàn)大排量的新型容積泵，其構(gòu)造簡單、技術(shù)含量高、加工工藝要求嚴格[1-3]。此泵結(jié)合了柱塞泵以及葉片泵的工作原理，充分利用了泵內(nèi)可周期性變化的容積，是一種功率密度強大的容積泵[4]。由于該滾柱泵的整體性能是通過各種特性綜合起來體現(xiàn)的，所以要設(shè)計出一個合適的結(jié)構(gòu)必須把各種參數(shù)對泵特性改變的影響考慮進去，這就增加了設(shè)計優(yōu)化的復(fù)雜性[5-7]。因此，本文基于MATLAB/GUI設(shè)計出一款該泵的特性計算軟件，其采用人機界面的方式處理參數(shù)與特性之間的關(guān)系，大大減少了參數(shù)優(yōu)化設(shè)計的工作量。

1 程序界面結(jié)構(gòu)設(shè)計

主程序界面模塊化設(shè)計的核心結(jié)構(gòu)包括原始數(shù)據(jù)輸入模塊、計算功能選擇模塊、計算結(jié)果處理模塊。如圖1所示，其中計算功能選擇模塊包含輸出特性的計算和運動動力特性的計算。

圖1 雙作用橢圓軌道滾柱泵特性計算軟件模塊結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示，在主程序界面中分別設(shè)置了兩種計算模塊的下拉菜單。其中，輸出特性又包括了容積、流量、脈動的計算；運動動力特性包括了定子內(nèi)壁及軌道、壓力角、運動特性、接觸力、接觸應(yīng)力、定子內(nèi)壁應(yīng)力應(yīng)變和U型槽應(yīng)力應(yīng)變的計算。

圖2 主程序功能選擇模塊

2 主程序功能模塊界面分區(qū)

2.1 主程序初始化界面

如圖3所示，在整個主程序初始化界面上，左上方為功能選擇區(qū)，該區(qū)為用戶選擇對應(yīng)特性計算以及用戶對數(shù)據(jù)或者圖形進行保存的選擇區(qū)。圖3左邊為參數(shù)輸入?yún)^(qū)域，軟件剛打開會有默認參數(shù)；右邊為該泵特性計算后的圖形顯示區(qū)域，選擇不同功能后，該功能的計算結(jié)果都會在圖中右側(cè)顯示。

圖3 主程序界面模塊分區(qū)

2.2 參數(shù)輸入模塊

軟件初始化界面中參數(shù)輸入模塊并沒有開啟，各個參數(shù)輸入口是默認禁止輸入的。只有在選定需要計算何種特性后，才可以激活對應(yīng)的參數(shù)輸入模塊；不同特性功能選擇，對參數(shù)的選擇有不同的要求。如圖4所示，選擇計算定子內(nèi)壁曲線時，相應(yīng)的三個參數(shù)（短軸、長軸、滾柱半徑）就會轉(zhuǎn)變?yōu)榭奢斎牖蜻x擇狀態(tài)。

2.3 特性計算功能選擇及執(zhí)行

軟件初始化后，需要對特性計算功能進行選定，才能夠進行特性計算及曲線圖的繪制。如圖4所示，在選定“接觸應(yīng)力”后，就可以在參數(shù)設(shè)定后點擊計算按鈕進行定子內(nèi)壁的計算以及曲線繪制。如圖5所示，在界面的右邊會繪制出定子內(nèi)壁的曲線。然后可以通過“文件”菜單，將曲線以圖片的形式、數(shù)據(jù)以Excel表格的形式保存到電腦上。

圖4 定子內(nèi)壁計算功能時的參數(shù)輸入界面

圖5 接觸應(yīng)力計算結(jié)果以及曲線繪制

3 計算功能模塊的編程

每個特性的計算和特性曲線的繪制都是通過主界面調(diào)用函數(shù)實現(xiàn)的，所以對特性計算函數(shù)的編譯是該軟件的核心。下面以運動動力特性計算中的定子內(nèi)壁的計算為實例，進行調(diào)用函數(shù)的編譯。

滾柱泵的滾柱是在橢圓軌道上運動的，故其參數(shù)方程[4]為：

式中，a為橢圓軌道長軸半徑；b為橢圓軌道短軸半徑；λ為滾柱的轉(zhuǎn)角。

由于滾柱中心點和滾柱與定子內(nèi)壁上接觸點的距離正好為滾柱半徑r，且該兩點所在直線與橢圓軌道上滾柱中心的切線垂直。故設(shè)定子內(nèi)壁上的點坐標為（m，n），可以得到：

聯(lián)立方程（1）（2）（3）得：

如此便得到了定子內(nèi)壁的參數(shù)方程表達式，所以可以通過MATLAB編譯出定子內(nèi)壁曲線的繪制函數(shù)。編程原理主要是使用function函數(shù)調(diào)用不同特性的子程序來實現(xiàn)不同特性的計算[8-10]。

程序代碼如下：

4 特性計算應(yīng)用實例分析

通過人機界面輸入不同的參數(shù)，可以幫助設(shè)計人員驗證出雙作用橢圓軌道滾柱泵的各種特性是否滿足設(shè)計要求。下面以脈動特性為實例展示該GUI軟件的具體應(yīng)用。

設(shè)計參數(shù)如下：a為橢圓軌道長軸半徑（單位mm），b為橢圓軌道短軸半徑（單位mm），h為滾柱泵泵厚（單位mm），r為滾柱半徑（單位mm），n為滾柱個數(shù)。

設(shè)計案例1：a=65 mm，b=54 mm，h=12 mm，r=12 mm，n=6。

設(shè)計案例2：a=65 mm，b=54 mm，h=12 mm，r=12 mm，n=7。

通過GUI軟件判斷其他參數(shù)相同的情況下，滾柱個數(shù)對脈動特性的影響。從圖6和圖7的脈動特性圖的對比可以很直觀地發(fā)現(xiàn)，滾柱個數(shù)為7時的脈動率只有4%不到，明顯小于滾柱個數(shù)為6時的24%。因此，7個滾柱的設(shè)計方案要優(yōu)于6個滾柱的設(shè)計方案。

圖6 設(shè)計案例1的脈動特性

圖7 設(shè)計案例2的脈動特性

5 小結(jié)

采用MATLAB/GUI開發(fā)的雙作用橢圓軌道滾柱泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計及特性計算軟件，能夠很好地反映各種參數(shù)變化對泵輸出特性以及動力特性的影響。通過人機界面的方式調(diào)整參數(shù)變化和特性曲線的變化，能夠使設(shè)計人員便捷地尋找到最優(yōu)的參數(shù)結(jié)構(gòu)。通過程序編譯代替煩瑣的公式推演，極大地減少了設(shè)計的工作量，降低了研究的復(fù)雜性，對滾柱泵進一步的研究、推廣和開發(fā)有一定的現(xiàn)實意義。