一种面向海洋的双锥对置锥螺杆海水液压泵基础理论与关键技术研究

项目围绕深海海水液压泵技术，针对提出的双锥对置锥螺杆海水液压泵，研究和探讨新型海水液压泵的设计理论与方法及实现技术，以解决其设计制造中的一些基础科学问题与关键技术。通过建立锥螺杆-衬套副的曲面方程以及共轭曲面方程与接触线方程，提出锥螺杆-衬套副的空间啮合理论及其密封原理与失效机理；通过建立锥螺杆-衬套副参数化实体模型及其内部流场特性的有限元分析模型，研究锥螺杆-衬套副曲面几何参数与液压泵性能参数匹配的设计理论与方法；基于锥螺杆-衬套副材料选配的模拟实验研究，实现其摩擦副材料的优选；研制海水液压泵实验样机，建立其综合性能测试实验系统，通过实验进一步丰富和完善新型海水液压泵的设计理论与方法，并提出新型海水液压泵的性能测试技术与评价方法，以形成我国高压海水液压泵技术研究的基础和条件以及特色和优势，并填补国内外新型高压海水液压泵技术研究的空白，满足我国海洋开发事业和核能工业及其他工业发展的需求。

课题围绕新型海水液压泵的设计理论与方法，主要从双锥对置锥螺杆海水液压泵的啮合理论、曲面成形方法、运动学特性、动力学特性、流场特性、材料选配、性能特性、结构优化及参数化建模系统开发等方面展开了系统研究。. 基于空间啮合理论与坐标变化理论，建立了海水液压泵锥螺杆-衬套副的曲面方程；同时，提出了一种锥螺杆-衬套副曲面成形新方法，并系统研究了其空间接触特性及其密封机理，研究表明，新方法不仅数学建模简洁，便于曲面成型加工，且具有良好的密封性能，满足容积式海水液压泵的工作条件。建立了锥螺杆-衬套副的运动学模型，并基于Pro/Mechanism对锥螺杆-衬套共轭副进行运动仿真分析，研究表明锥螺杆外表面上不同点的运动轨迹为大小不同的“球面椭圆”，且均与第二共轭曲面相接触，点的位移、速度沿各坐标轴的分量均呈正弦或余弦曲线变化。. 通过有限元分析研究衬套和泵体受力后的空间变形及空间应力分布，得出了定子在内腔受力情况下的变形规律；通过建立锥螺杆-衬套副的非线性有限元模型，对锥螺杆、橡胶衬套过盈接触下锥螺杆和衬套的变形和应力进行了分析，探讨了衬套变形对锥螺杆和衬套间密封性能的影响。通过建立锥螺杆-衬套副参数化实体模型及其流体动力学模型，运用CFD软件对液压泵的内部流场进行仿真分析，腔内压力分布以啮合线为界限交叉分布，逐级递增，消除了结构上的困油现象，左、右转子受到的轴向液压力大小相等、方向相反，从而减少了偏磨、泄漏等现象。. 通过选择典型的摩擦副材料以及模拟深海工作环境，基于摩擦磨损性能实验以及表面分析技术，对摩擦副材料的摩擦学性能进行评价，设计研制了一种锥螺杆-衬套副材料筛选实验系统，以实现对锥螺杆-衬套副材料的优选。利用VC++与MATLAB接口及Pro/E二次开发技术，设计开发了锥螺杆高压海水液压泵参数化建模系统，实现了锥螺杆-衬套副关键参数的可视化计算及其曲面绘制与实体建模。. 研究了锥螺杆及衬套的曲面几何参数对锥螺杆-衬套副的各项性能指标的影响规律：过流面积和基锥半锥角、生成锥半锥角都成正比，一定结构参数下密封腔容积的大小只与该密封腔在共轭副中的位置有关，增大大端面至极点距离和生成锥半锥角均可减小综合曲率，适当的增大生成锥半锥角可减少第二共轭曲面的相对滑动不均匀度，从而提出了锥螺杆-衬套副结构与液压泵性能匹配的设计理论与方法。