（机械制造及其自动化专业论文）dp1005三缸单作用隔膜泵动力端研究.pdf

硕士学付论文 摘要 隔膜泵是2 0 世纪7 0 年代在工业发达国家发展起来的适用于固体和液 体两相介质输送的理想设备。由于受到各种因素的影响，目前使用的大 部分隔膜泵的排量和工作压力都比较小，而随着时间的推移，这种小排 量和低工作压力的隔膜泵已经不能满足企业的要求。为解决这一问题j 本课题对大排量和高工作压力的隔膜泵的动力端进行了研究。本文主要 在围绕大排量高工作压力的隔膜泵动力端上进行设计和探索。本文所研 究的d p i0 0 5 三缸单作用隔膜泵排量为l0 0 m 3 h 工作压力为5 m p a 。 隔膜泵由传动系统、动力端、液力端、控制系统、液压辅助系统、 进出料补偿系统组成。本论文主要是研究隔膜泵的动力端，隔膜泵动力 端的主要功能是将电机的旋转运动转化为隔膜的往复运动。隔膜泵动力 端主要由齿轮轴、曲轴、连杆、活塞等零件组成。 本文首先利用s o l id w o r k s 软件对研究隔膜泵动力端各个零件进行三 维建模和虚拟装配，再利用c o s m o s m o tio n 对其进行动态仿真。并且通过 定义装配体中各个配合面和零件就可以得出仿真结果，接着将三维模型 和仿真得出的各个零件的载荷状况一起导入到a n s y s 软件里，对其进行 受力分析，最后利用受力分析得出的结果作为优化分析的约束条件得到 了零部件的最优尺寸，使d p i0 0 5 三缸单作用隔膜泵动力端获得优化设 计，并将优化前后尺寸列表进行对比。 关键词：隔膜泵，动力端，动态仿真，有限元分析，优化 d p l 0 0 5 二三缸单作用隔膜泵动力端研究 a b s t r a c t s i n c ef r o m7 0 t ho ft w e n t yc e n t u r y ，d i a p h r a g mp u m ph a db e e nt h o u g h t a st h ei d e a le q u i p m e n t ，w h i c hd e v e l o p e dq u i c k l yd u r i n gt h cm o s td e v e l o p e d c o u n t r i e sc o u l db eu s e dt 0t r a n s p o r ts o l i da n dl i q u i dq u a l i t y p r e v i o u s l y ， b e c a u s eo ft h ei n f l u c n c cf r o ma l lk i n d so ff a c t o r s ，t h ev o l u m ca n dw o r k i n g p r e s s u r ei ss m a i la l lt h ct i m e a c c o r d i n ga st i m ec h a n g c s ，t h i sk i n do f d i a p h r a g mp u m pw i t hs m a l lv o l u ma n dw o r k i n gp r e s s u r ec o u l dn o tf u l l y m e e tt h ed e m a n do ft h ee n t e r p r i s e i no r d e rt ow o r ko u tt h i sp r o b l e m ，t h i s t o p j ct ob j gr o wq u a n t j t ya n dh i g hw o r kp r e s s u f eo ft h ed i a p h r a g mp u m po f t h em o t i v ec a r r i e dt oc a r f yo nar c s e a r c h t h i st h e s i sm a d cd e s i g na n d i n v e s t i g a t i o nf o rt h em o t i v ef a c eo fd i a p h r a g mp u m pm a i n l yo nb i gv o l u m e a n dh i g he x p e lp r e s s u r e t h i st h e s i sm a i n l yo nt h er e s e a r c ho fm o t i v ef a c c o ft h ed j a p h r a g mp u m p 0 u rf e s e a r c ho b j e c ti sd p l 0 0 5 ，t h f e cj a rs i n g l e a c t i o nd i a p h r a g mp u m p ，w h o s ec x p e lp f e s s u f ei s5 m p ap c f1 0 0 m 3 d i a p h r a g mp u m p i sc o n s i s t e dw i t h d r i v i n gs y s t e m ， m o t i v cf a c c ， h y d r a u l i cp r e s sf a c c ， c o n t r o l s y s t e m ，h y d r a u l i ca s s i s ts y s t e ma n dt h c c o m p e n s a t i o ns y s t e mo fm a t e r j a l o u to ri n t h em a i nf u n c t j o nl h a tl h c d i a p h r a g mp u m pm o t i v ec a f r yi sb a c ka n df o r t hs p o r tw h i c hc x e f c i s e st h c c o n v e r s i o na s d i a p h r a g mt h er e v o l v c0 fc l e c t r i c a lc n g i n c c r i n ga n di t s m o t i v cf a c ei sm a i n l yc o n s i s t e dw i t hg c a ra x l e ，c r a n ks h a f t ，c o n n e c t i n gr o d ， p i s t o na n ds 0o n u s i n gt h cs o f t w a r co fs o l i d w 0 r k st 0m a k em o d l ea n di n s t a l lf o rc v c r v p a r t so fd p l 0 0 - 5 ，t h r e cj a rs i n g l ea c t i o nd i a p h r a g mp u m pt h c nu s e c 0 s m o s m o t i o nt 0m a k ed y n a m i cs i m u l a t i o nf o ri t i m m e d i a t c l ya f t e r3 d m o d e lw i t hi m i t a l ef e a l l yg e tl h ec a r r yo fe a c hs p a f ep a r l sl o l n sc o a d i l i o no f d u c ti n t ot h ei n s i d eo ft h ea n s y ss o f t w a r ct o g e t h e r ，t h e nm a d es t r e n g t h a n a l y s i s ，t h ee x p l o i t a t i o ni sf i n a l l ys u b j e c t e dt od i n ta n a l y t i c a lt h er c s u l to f c o n d u c ta n da c t i o n sw a se x c e l i e n tt ot u r na na n a l y t i c a ls t i p u l a t i o nc o n d i t i o n l og e tt h es u p c f j o rs i z eo fz e r op a r t s e s ，a n dt h co p t i m i z a l i o n a ls i z co ft h e p a r t si sg a i n e d ，t h co p t i m j z a t i o nd e s i g no ft h em o t i v cf a c ep a r t so fd p10 0 5 ， t h r e ej a rs i n g l ea c t i o nd i a p h r a g mp u m pw a sm a d e ，t o o c o m b i n ew i l l c x c e l l e n tt u r ni nf r o n ta n db a c l 【s i z cr o wf o r mt oc a r r y0 nc o n t r a s t 硕十学位论文 k e y w o r d s ：d i a p h r a g mp u m p ，m o t i v ec a r r y ，d y n a m i cs i m u l a t i o n ， f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ， o p t i m i z a 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：多峰表娩 日期：弘矿年衫月五日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 作者签名：沂番h 丸 导师签名：删 日期：扩年z 月2 日 日期：蒯年厂月乡日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究意义 1 1 1 从技术方面说 隔膜泵是2 0 世纪7 0 年代在工业发达国家发展起来的适用于固体和液 体两相介质输送的理想设备。目前国际上只有荷兰、德国等少数几个国 家有能力制造因此价格比较昂贵，一台价格大概是10 0 多万，但是隔 膜泵的经济性要比油隔离泵要好。 隔膜泵属于往复泵范畴，其综合了活塞泵压力高、坚固耐用，隔膜 泵结构简单、耐磨蚀的优点，克服了活塞泵活塞密封元件易磨损的缺点， 成为输送高磨蚀固体和液体两相介质的新一代往复泵在近十几年内， 隔膜泵输送固体和液体两相介质的流量、压力、温度、耐磨蚀性等技术 参数得到了长足的发展，满足了黑色、有色、化工、建材、煤炭、电力 等行业内对高磨蚀固一液两相介质输送的工艺要求，得到广泛的推广应 用，促进了上述工艺技术的进步。导致了对隔膜泵的需求。另一方面， 由于隔膜泵的自动化程度、连续运转率、运行成本等技术指标超过或明 显优于其它往复泵，成为其它往复泵在这类工艺系统中的替代产品该 类型泵的设计、制造涉及机械、电子、液压、橡胶等多学科技术，技术 复杂。同时，隔膜泵是所在工艺系统的心脏设备，对其运行的可靠性有 很高的要求。 目前，我国隔膜泵的技术和研究还处于初级阶段，我国国内的隔膜 泵市场的大部分还是被国外公司占领，由于国外隔膜泵的价格比较昂贵， 大大限制了该产品在我国的普及和应用。 1 1 2 从经济效益方面说 ( 1 ) 省油：据统计一般油隔离泵一台油耗量1 4 0 16 9 3 ，排量为 l6 0 m 3 h ，每年油耗量19 6 4 5 吨。以每吨8 0 0 0 元，每台节约费用12 9 2 万元年。 ( 2 ) 节电：g m b 2 0 0 2 5 隔膜泵采用变频调速装置，料浆输送量能根据 工艺要求随时调节，节电效果明显，按照每台每小时可节电6 1 6 度，年 节电5 4 万度，每年节约费用18 9 万元。 ( 3 ) 易损件：缸套和阀座，寿命长达6 0 0 0 小时以上，阀体和活塞寿 命均以达到3 0 0 0 小时以上，与活塞泵相比，每年可节约活塞、缸套1 o l d p l 0 0 5 三缸单作用隔膜泵动力端珂冤 件，阀2 4 件，每年节约费用3 8 12 万元。而且，不仅减轻了维修人员频 繁装缸换件的劳动强度，减少了工作量，也节省了大量的维修金额。 ( 4 ) 据不完全统计，我国电力、矿山、冶金、石油、化工等行业，目 前至少采用油隔离泵3 5 0 台之多，倘若全部用隔膜泵替代，仅节油一项， 按照平均耗油指标取14 9 m 3 计算，全国每年节省2 2 号透平油约4 0 0 0 吨。 折合人民币l8 0 0 多万元，其节电金额约为6 6 15 多万元。 ( 5 ) g m b 2 0 0 一2 5 隔膜泵活塞直径大、冲程较长、冲数低，特别适用于 管道输送有磨蚀性和粘度悬浮物的矿浆，管道运输具有高效安全，简单 不污染环境等优点，泵工作平稳，操作费用低，检修方便，社会效益明 显。 ( 6 ) 进口泵价格昂贵，易损件得不到保证，售件很高，该泵可取代同 行业国外进口隔膜泵，为国家节省大量的外汇和费用。 随着世界经济的发展，世界各国对能源的需求越来越大，特别是现 在由于海湾问题，使得原油的价格越来越高，因此现在石油设备及与石 油有关的行业对节油设备的要求越来越紧迫，因此开发节油的隔膜泵是 现阶段适应市场的产品。对我国石油行业和其他有关行业具有很重要的 意义，也是建立和谐社会的要求。 1 2 隔膜泵国内外研究概况 1 2 1 国内外研究现状 国际上隔膜泵从二十世纪八十年代荷兰、德国、美国等国家在生产 泥浆泵技术基础上先后成功的研制成功了单作用和双作用活塞隔膜泵。 在国际上很多行业迅速得到推广应用，这一推广充分显示了隔膜泵的优 越性。经过多年来的使用、研究以及近年来的先进技术的推动作用，使 得隔膜泵有了较大的发展，现在仍以荷兰隔膜泵为国际水平的代表。 我国在二十世纪八十年代，铝行业率先从荷兰引进隔膜泵。由于隔 膜泵稳定性好，易损件寿命长，近几年我国许多企业都要求进口隔膜泵。 目前我国电力、矿山、冶金、石化行业选用进口隔膜泵约5 0 台左右，但 是进口隔膜泵为机电一体化产品，设计原理复杂，电控系统可靠性高， 国内几家生产厂家进行试制，但是都没有获得成功。特别是对于大功率、 大排量、高工作压力的隔膜泵更是空白。 隔膜泵是新一代机电一体化产品，其特点： ( 1 ) 因为隔膜泵的工作原理能够更好的保护易损件，所以机器的运动 部件一直处于清洁的推进介质中工作，大大提高易损件的寿命。 ( 2 ) 结构紧凑、工作状态平稳，操作简便灵活，整机集电、气、液、 2 硕十学位论文 自动控制子一体的高科技产品。 ( 3 ) 隔膜泵活塞直径大、冲程长、冲数低、特别适用于管道化输送有 ，腐蚀性和带高磨砺性含量悬浮固体颗粒的料浆。 ( 4 ) 隔膜泵是节能、环保型的产品，管道化输送具有高效、安全、简 单、不污染环境等优点。 ( 5 ) 泵机组根据生产工况，可采用交流或直流拖动式，并于电控系统 相互联锁，信号传递准确无误，隔膜破裂报警系统灵敏，可确保隔膜泵 长期连续正常运转。 ( 6 ) 与油隔离泵比较，隔膜泵的明显优势是省油。 以下三个方面影响隔膜泵的寿命： ( 1 ) 隔膜的寿命国际上多采用橡胶隔膜，使用寿命约为8 0 0 0 12 0 0 0 小时，价格昂贵，单价为2 万多元。所以，目前，国际上研究隔膜的材 料用来提高隔膜泵的寿命。 ( 2 ) 易损件的寿命易损件包括：缸套，活塞，拉杆等 ( 3 ) 控制系统要提高隔膜泵的寿命，最主要的就是提高隔膜寿命， 而控制系统是隔膜泵至关重要的技术关键，它能否准确、灵敏、可靠的 工作直接影响隔膜的寿命，乃至影响整个隔膜泵的成败。因此，研究隔 膜泵的控制系统是十分必要的n 1 。 隔膜泵的核心技术主要以下六个方面 f1 隔膜设计基本理论及制造： 2 进、出料阀的设计基本理论及制造技术； 3 进、出料补偿基本理论； 4 活塞密封的制造技术； 5 大功率动力端设计理论及制造技术； 6 自动化控制技术 其中隔膜设计基本理论及制造、活塞密封的制造技术、自动化控制 技术与其它往复泵不同。进、出料阀的设计基本理论及制造技术、进、 出料补偿基本理论、大功率动力端设计理论及制造技术在近年有长足的 进步。 隔膜设计基本理论及制造技术由隔膜的几何尺寸、隔膜的受力状态 控制、隔膜的材质三部分组成。显然，隔膜的技术涉及学科很多在设 计方面，有隔膜材料的力学性能计算、实验测试，隔膜的受力状态的监 测、检测，隔膜与活塞之间的油量液压调整，对检测传感器、液压元件 的程序控制。在制造方面，有隔膜的材质配方及制造工艺、检测传感器 的精度及可靠性、液压元件的精度及可靠性。无论是设计、制造、元器 3 d p i o o 一5 三缸单作用隔膜泵动力端研究 件的选型，均影响隔膜的使用寿命，从技术角度而言，难度及复杂性都 是很高的。活塞密封性能决定了隔膜与活塞之间的油量的变化程度，密 封性好，油量变化小，隔膜的受力状态稳定，对隔膜的使用寿命影响小。 自动化控制技术是指为保证隔膜泵运行可靠性，将其曲柄滑块机构的润 滑、冲洗及工作压力、隔膜行程的检测调整以及流量调整的控制由及变 频调速装置来完成，并通过人机对话界面实现隔膜泵的运行h 1 。 1 2 2 隔膜泵的工业运用及发展概况 隔膜泵根据动力驱动方式的不同，可分为气动隔膜泵、电动隔膜泵 和液动隔膜泵等。世界上第一台气动隔膜泵于1 8 9 3 年2 月获得专利，但 生产的数量非常有限，特别是在工业上的应用更属罕见。直到二十世纪 中叶，由于工业迅速发展的需要，气动隔膜泵业才得以发展迅速。现在 世界上著名的气动隔膜泵生产厂家主要有美国的w i l d e n 公司、g r a c o ( 固 瑞克) 公司、华伦力公司和英国的哈瑞森公司。 电动隔膜泵是在二十世纪六七十年代，荷兰、德国( 西德) 、美国等 少数国家在研制生产泥浆泵技术的基础上开发的一种新型机电一体化产 品，这些国家先后成功研制了单作用和双作用活塞的电动往复式隔膜泵。 由于电动隔膜泵易损件少，特别适用于管道化输送高磨蚀性和高粘度悬 浮物的液体，与油隔离泵相比具有设计结构合理、控制系统可靠、运行 平稳、噪声低、维修方便、易损件寿命长、节油、节电、节备件等特点， 而且这种固体水力管道运输具有高效、安全、简单和不污染环境等特点， 在矿山、冶金、电站、石油、化工等行业有着广阔的使用前景，世界各 国都在积极地推广应用。 1 2 3 发展趋势 在国际上，国外生产国荷兰、憾国、美国等少数国家，一直非常关 注隔膜泵的整体发展水平和高新技术含量。荷兰在数量、质量、技术及 世界市场居垄断水平。在8 0 年代末期，荷兰h o l t h v i s 公司堆出了新型 结构的隔膜泵，但工业试验不理想，未推广使用。隔摸泵原理、结构形 式在近3 0 年里均未有大的变动，只是在提高连读运转率、自动化控制上 不断完善改进，在发展趋势上注重泵的主参数设计，注重产品的机电液 一体化。同时在电控性能自动调节驱动方式上都体现了当今的高新技术 和高新科技含量。采用电磁无接触方式来控制隔膜泵的行程机构；采用 补偿控制阀式控制隔膜后死点行程机构；采用前后隔膜限制板结构。输 送料浆均是在泵运转过程中自动调节补充 其发展趋势可归纳为以下几个方面哺1 ： 4 硕十学位论文 ( 1 ) 提高隔膜的使用寿命，研制新型材料的隔膜。 ( 2 ) 完善控制技术，使隔膜泵运行监控程度更高，突出高安全操作。 ( 3 ) 采用新材料、新工艺，提高设备制造精度，同时采用高可靠性设 计，进一步提高设备连续运转率，并向动力端零维修量目标迈进。 ( 4 ) 研制新型易损件专用拆卸工具，减少易损件更换的时间及劳动强 度：向大流量、高压力方向发展，结构型式由双缸双作用向三缸单作用 方向发展。 我国近年来由于科学技术和制造水平的整体发展，我国瞄准国际先 进水平的高起点，结构形式集合我国国情，自动化控制向国际看齐，在 核心技术方面开展攻关，力争尽快拿出符合时代要求的产品。 1 3 隔膜泵的结构和工作原理 隔膜泵工作原理是：电动机通过皮带将驱动力传动到齿轮轴，经过 齿轮副传动到曲轴滑块机构，将旋转运动变为直线运动，从而带动活塞 往复运动，活塞往复运动通过油介质使橡胶隔膜产生凹凸运动，使得隔 膜腔容积周期性变化，通过这种运动来完成矿浆输送。由于隔膜将矿浆 与油介质分隔开来，从而保证活塞、缸套、活塞杆等易损部件不与矿浆 接触，使得他们的寿命大大提高，从而保证隔膜泵的使用寿命。由于隔 膜的使用寿命比较长，因而就可以保证隔膜泵能够长期稳定的使用1 。 隔膜泵由传动系统、动力端、液力端、控制系统、液压辅助系统、 进出料补偿系统组成。传动系统由电动机、齿轮传动和曲轴连杆组成， 其功能是传递动力。动力端主要功能是将传动系统提供的旋转运动转变 为活塞的往复运动，主要由齿轮轴和大齿轮、曲轴、连杆、十字头、连 杆、轴承等组成。液力端由活塞缸、隔膜室、阀箱、进出料管组成，其 功能是完成矿浆的输送，即将动力端传送过来的机械能转换为流体的压 力能。本课题所用的隔膜泵为三缸单作用隔膜泵，三缸单作用运转平稳。 此外，三缸单作用还有流量均匀、无活塞杆密封处渗油、易损件数量少 等优点。活塞缸由活塞、缸套、缸体、活塞杆组成。隔膜泵控制系统十 分完善，控制项目有隔膜行程控制、工作压力控制，润滑冲洗浪控制 隔膜行程控制由检测、控制、执行三个单元组成，是隔膜泵的核心技术 上述控制功能由p l c 完成。液压辅助系统由动力端润滑系统、冲洗系统、 放气系统、机械泄压系统组成。动力端润滑系统的作用是强制润滑动力 端轴承、十字头滑板及导板冲洗系统的作用是润滑、冷却活塞杆。放 气系统的功能是将隔膜室内油介质中的气体排出。机械泄压系统的功能 是在工作压力超过限定值，并且电气压力控制系统失灵的情况下，泄掉 5 d p l 0 0 5 = 缸单作用隔膜泵动力端研究 压力，保护隔膜泵。为改善吸入性能及增加排料的稳定性，隔膜泵设置 进出料补偿系统，其结构型式主要有球形空气室、圆筒式缸两种。圆筒 式补偿缸体积大，需充气，但效果好；球形空气室体积小，效果不及圆 筒式补偿缸，球形空气室内的橡胶皮囊是易损件。 由于本文主要是对隔膜泵动力端进行分析，以后章节会有详细的介 绍，所以我们这里不做介绍下面我们简单介绍一下隔膜泵液力端和控 制系统： 1 3 1 隔膜泵液力端简介 隔膜泵的液力端由缸体缸套活塞活塞杆隔膜室阀箱等零件构成。它 被橡胶隔膜分成两部分：推进液室和料浆室。 液力端的功能是完成矿浆的输送，即将动力端传送过来的机械能转 换为流体的压力能。根据活塞缸的位置、数量、活塞作用数可将隔膜泵 结构型式分成卧式或立式、双缸或三缸及多缸、单作用或双作用。由于 制造工艺性与维修的因素，隔膜泵结构型式大都为卧式双缸双作用或三 缸单作用两种。在工作压力较低的情况下，多采用双作用结构型式；在 工作压力较高时，由于活塞杆直径较粗双作用效果不大，并且活塞杆处 不易密封，隔膜泵大都采用三缸单作用结构型式。为提高流量均匀性， 双缸双作用的隔膜泵连杆角度差为9 0 。，三缸单作用隔膜泵的连杆角度 差为12 0 。，所以三缸单作用较双缸双作用运转平稳。此外，三缸单作用 较双缸双作用还有流量均匀、无活塞杆密封处渗油、易损件数量少等一 系列优点 泵液力端的隔膜，其周边紧固呈静密封，利用隔膜将物料与运动部 件隔开，使运动部件在清洁的油中运动，活塞、缸套、活塞杆、密封件 等重要部件免受矿浆固体颗粒的磨损，保证了它们的使用寿命。该泵它 是由电动机带动齿轮轴使曲轴旋转，曲轴带动连杆，使活塞杆及活塞作往 复运动。活塞的运动通过其两端的推进液( 油) 使隔膜产生周期性的往复 运动。当隔膜向左运动时，隔膜室下端的进料阀打开而吸进料浆当隔膜 向右运动时，隔膜室上部的排料阀打开将料浆排出。在使用中由于隔膜泵 的结构原因致使缸套、活塞、拉杆、阀体、阀座有很长的寿命，而影响隔 膜泵能否正常工作的关键所在是橡胶隔膜的寿命长短和控制系统的灵敏 及准确程度n 。 1 3 2 隔膜泵控制系统简介 活塞在缸内往复运动，隔膜也就随着左右运行。当隔膜左右运行时， 带动导杆左右运动，如果因某种原因使推进液减少或增加，导杆上的永磁 6 硕士学位论文 环就会靠近探头，探头检测到的是缸内油少，另一探头检测到的是油过 多。探头也就是一个开关，若靠近探头，它就会传送信号电量给相应的电 磁气阀，关闭该相应的两位两通阀的气源，使其打开，这是推进液油( 推进 液油压是靠点接电压力表来控制的，始终控制在0 5 1m p a 就会经此阀、 油管进入缸内至正常行程：若靠近另一探头，它就将信号传给其相应的电 磁阀来打开两位两通阀，这时缸内的油就经油管、阀排到油箱内，这就是 一个隔膜室隔膜位置的控制过程1 控制系统由两部分组成，即探测部分和程控箱部分，组成探测部分的 探头和磁环用来完成隔膜位置、泵出口压力、空气压力、推进液压力的 检测、并以信号方式传给程控箱中的控制元件可编程控制器，其功能是控 制隔膜室内的油量在一定范围并以程控箱面板上指示灯的亮、灭为显示， 例如，当推进液不足或过量时，探头发出信号，使系统向推进液室按规定 时间补充或排出推进液，与此同时相应指示灯亮，直到补排油结束灯才 灭。如超出规定的补排油时间，则系统发生故障，就要设法排除n 钉。 隔膜泵为了工作安全还有其他的辅助系统，包括液压辅助系统和进 出料补偿系统：液压辅助系统由动力端润滑系统、冲洗系统、放气系统、 机械泄压系统组成。动力端润滑系统的作用是强制润滑动力端轴承、十 字头滑板及导板冲洗系统的作用是润滑、冷却活塞杆放气系统的功 能是将隔膜室内油介质中的气体排出机械泄压系统的功能是在工作压 力超过限定值，并且电气压力控制系统失灵的情况下，泄掉压力，保护 隔膜泵。为改善吸入性能及增加排料的稳定性，隔膜泵设置进出料补偿 系统，其结构型式主要有球形空气室、圆筒式缸两种n 3 1 1 4 课题的目的与主要研究内容 1 4 1 课题的目的 本课题是以隔膜泵的动力端为研究对象，目的是针对隔膜泵存在的 一些问题，对设计方案进行动态性能分析和优化设计，并对结构改进方 案进行动态性能仿真，为隔膜泵的优化设计制造提供了理论依据。 1 4 2 课题的主要研究内容 针对本课题所要达到的目的，本文利用仿真软件对隔膜泵动力端实 现动力学仿真，并对仿真结果进行分析，获得隔膜泵在动力学方面的信 息，从而为结构的动态优化设计提供理论依据文中选用s o l id w o r k s 中 的仿真插件对隔膜泵动力端进行仿真，利用仿真得到的数据用a n s y s 进 行力学分析，然后利用a n s y s 分析结果对隔膜泵动力端各个部件进行优 7 d p l 0 0 5 三缸单作用隔膜泵动力端研究 化设计 ( 1 ) 建立系统动力学模型； ( 2 ) 用s o l id w o r k s 对装配体进行仿真并得到力学数据： ( 3 ) 用a n s y s 对仿真结果进行力学分析、评价； ( 4 ) 利用a n s y s 分析结果对零部件进行优化设计。 8 硕十学位论文 第2 章 d p10 0 5 隔膜泵动力端设计 2 1 隔膜泵各个参数的确定 我们设计的隔膜泵主要是满足10 0 m 3 h 的排量和排出压力为5 m p a 这 一工作目标，因此我们在设计隔膜泵动力端各个部件时首先要保证这些 零件能够满足以上条件，依据以上条件和以往隔膜泵设计中的经验计算 得出本型号隔膜泵的主要参数和性能指标如下： ， 表2 1 隔膜泵动力端主要参数表 泵型式卧式三缸单作用隔膜泵 流量 1 0 0 m 3 h 工作压力 5 m p a 最大缸套直径2 4 0 m m 最高冲次 6 0 m i n 活塞冲程 6 l o m m 隔膜直径 8 5 0 m m 隔膜泵的冲次和隔膜直径d 为影响隔膜泵性能和结构的主要参数 相同功率下，泵冲次高，则泵的体积小，质量轻；泵冲次低，则可提高 泵的吸入性能并延长易损件使用寿命。隔膜直径大小直接与隔膜疲劳寿 命有关，隔膜直径越大，隔膜寿命也相应越高，但隔膜增大，将造成隔 膜室增大，隔膜压盖螺栓增大增多，给拆换隔膜带来困难。因此隔膜直 径是隔膜泵设计的重要参数之一1 依据表2 1 参数和以往隔膜泵设计的经验我们可以得出隔膜泵动力 端的大体图如下： 9 d i ，1 0 0 一5 二! 缸单作川隔膜泵动力端研究 图2 1 隔膜泵结构图 图2 1 是隔膜泵的结构图，我们可以看出隔膜泵的动力端由以下几部 分组成( 1 ) 齿轮轴、( 2 ) 曲轴、( 3 ) 连杆、( 4 ) 活塞等零件组成，还有固定 这些零件的轴承、螺母、螺栓组成。 2 2 隔膜泵曲轴的建模 曲轴是一根拐了几道弯的轴。曲拐数取决于隔膜泵的缸数及它的排 列方式，一根连杆连一个曲拐的，其曲拐数等于气缸数；两根连杆连一个 曲拐的，其曲拐数为气缸数的一半。曲轴要求耐冲击、耐磨，一般都用中 碳钢或中碳合金钢锻造而成，也有用球墨铸铁铸造成的曲轴。一根带飞 轮的曲轴，位于转动中心的主轴颈，它借助轴承和底座相连。不在转动 中心的轴颈叫连杆轴颈或曲柄销，它借助于连杆轴承和螺栓与连杆相连。 由于曲轴要在高速下旋转，所以它需要不问断地用机油对磨擦表面加以 润滑。因此在曲轴的主轴颈、连杆轴颈的曲轴本体内都钻有油道，以便 机油能通过这些油道，润滑这些部位。由于曲轴的形状很不规则，转动 起来就会晃动，行家称这种现象为不平衡。如果隔膜泵工作时，不但会产 生极大的噪声，而且机件的寿命也大大地缩短。造成不平衡的主要原因是 曲轴旋转时产生了不规则的离心力和离心力矩，另外还有活塞往复运动 1 0 硕士学位论文 的惯性力。对于气缸数不同的隔膜泵，这些力和力矩有的存在，有的不存 在。因此需要根据具体的结构设置平衡块加以平衡。有的平衡块和曲轴 制成一体，也有用螺栓固定在曲轴上的。根据经典力学可以得出一个结 论：一个质量很大的轮子，一旦转起来，如果没有阻力，它就会一直不停 地转动下去。因此在曲上有平衡块，这是一个转起来惯性很大的圆盘， 其边缘既宽又厚。它的功能主要有贮存电机给的动能、克服曲轴连杆组 运动的阻力，克服短时间的过载，保证发动机输出的扭矩和转速均匀5 l 。 曲轴是形状不规则的长轴类零件，具有轴线不连续、长径比大、结 构复杂等特点。从总体上看，曲轴不是对称或是反对称体，所以对曲轴 进行有限元模态分析时必须选取整体作为研究对象n 6 l 。 由于本课题研究的隔膜泵属于三缸单作用隔膜泵，因此曲轴需要三个 凸轮结构，另外在建模的过程中我们还需要考虑装配的问题，保证轴承 和连杆能够装配上去，根据以上理由我们初步设计的曲轴的三维模型如 下： 图2 2 隔膜泵曲轴三维模型 通过图2 2 三维模型可以看出曲轴由三个连杆轴颈、三个曲轴轴颈、 和一个装配大齿轮的轴颈组成。曲轴的三维建模是根据曲轴本身的结构 特点，按照各自的几何尺寸建立单个连杆轴颈、曲轴轴颈、曲轴臂和平 衡块，然后通过平移、旋转和镜像操作，生成曲轴的主体部分。最终生 成曲轴的完整实体模型。 建立的曲轴模型满足本课题的三缸单作用隔膜泵的使用，其具体尺 寸如下：两端与轴承配合处轴的直径为3 0 0 m m ，与连接连杆轴承装配处的 直径为6 6 0 m m ，与人字形齿轮装配出的直径为l27 0 m m 。另外还有其它倒 角和具体的工艺尺寸都是根据以往在设计泥浆泵的曲轴时候的尺寸作为 d p i o o 一5 三缸单作用隔膜泵动力端研究 f ： 参考，需要说明的是，建模的尺寸并不是最终尺寸，因为后面还要对其 进行受力分析和优化设计。 2 3 隔膜泵齿轮轴的建模 对齿轮轴的建模关键是齿轮的建模，本课题用的齿轮是人字型齿轮， 我们在建模的时候先建立斜齿轮的模型，然后再用镜向特征，这样就可 以得到人字型齿轮。下面本文主要介绍一下斜齿轮的建模。 本文所用的齿轮是渐开线齿轮，渐开线齿轮是现代工业中应用最为 广泛的通用零件之一。用软件实现渐开线齿轮建模的关键，是渐开线齿 轮的轮廓曲线的精确绘制。由于轮廓曲线多为渐开线，这在一些三维绘 图功能的软件中直接实现渐开线的精确绘制往往比较困难，因为它们不 提供精确绘制渐开线的命令。我们利用s o l i d w o r k s 强大的绘图功能、二 次开发功能，通过样条曲线拟合的方法，生成齿轮的完整渐开线齿廓， 实现渐开线齿轮的建模。这一方法使建立各种渐开线齿轮的三维实体模 型的过程变得方便、快捷，同时也提高了绘图精确度。 以下是绘制渐开线斜圆柱齿轮的具体步骤： ( 1 ) 计算出齿轮的一些相关的尺寸，分度圆直径、齿顶圆和齿根圆直 径、基圆半径等。 ( 2 ) 根据渐开线展成角求出了确定齿顶圆弧段、齿根圆弧段位置的角 度；再根据前面计算的齿顶圆、齿根圆的基本尺寸，确定出两段圆弧中 的关键点，就可利用s o l i d w o r k s 中的圆弧命令画出位于齿顶圆和齿根圆 部位的齿轮廓线。 ( 3 ) 根据渐开线的参数方程，由不同的压力角确定渐开线上的点坐 标，然后利用s o l i d w o r k s 提供曲线绘制的命令绘制和拟合渐开线。 ( 4 ) 在s o l i d w o r k s 草图中画出轮廓曲线的平面图。 ( 5 ) 在齿轮圆柱体另一个表面绘制渐开线轮廓，保证两个渐开线轮廓 中心线夹角为b 角。 ( 6 ) 用放样切除沿着齿根圆柱表面进行切除 ( 7 ) 将放样切除的特征做圆周阵列，生成完整的齿轮，并根据设计要 求添加其他特征和圆角特征等等。 ( 8 ) 将做出来的斜齿轮进行镜向特征，做出完整的人字型齿轮。 以上是人字型齿轮建模的全过程，然后我们通过旋转做出齿轮轴的 主体模型，最后再添加圆角和倒角特征。 隔膜泵动力端的动力是通过电机与齿轮轴相连把扭矩传给齿轮轴， 通过齿轮轴上的齿轮把动力传送到下个零件以下是齿轮轴的具体结构 硕士学位论文 和尺寸： 图2 3 齿轮轴建模 齿轮轴齿轮的具体尺寸如下： 表2 2 齿轮轴建模的具体尺寸 齿轮参数表 法向模数 融nl0 齿数 z2 9 法向压力角 口 2 0 o 螺旋角9 2 2 。2 9 4 2 法向变位系数 xn+ 0 5 齿顶高系数 力。1 全齿高 力2 2 5 精度等级 2 4 隔膜泵大人字形的建模 8 8 7 h kg b l 0 0 9 5 8 8 由于前面齿轮轴小齿轮的具体尺寸已经确定了，按照齿轮配合理论 大齿轮齿形的基本尺寸和建模与小齿轮基本一致，以下是大齿轮建立的 模型。 1 3 d p l 0 0 一5 二蕾f ：单f l j 】隔膜荔j 动j 端研究 图2 4 大人字形齿轮模型 表2 3 齿轮轴建模的具体尺寸 齿轮参数表 法向模数 醚n10 齿数 z141 法向压力角 口 2 0 o 螺旋角 8 2 2 。29 4 2 法向变位系数 x n 一0 5 齿顶高系数 力。 1 全齿高 力2 2 5 精度等级 8 8 7 i kg b10 0 9 5 8 8 2 5 隔膜泵连杆的建模 连杆作为传递力的主要部件广泛应用于各类动力机车和工业用动力 源上，连杆在传递力的过程中，承受着很高的周期性冲击力、惯性力和弯 曲力。这就要求连杆应具有高的强度、韧性和疲劳性能。适合制造连杆 的材料一般以中碳调质钢为主，主要有调质钢4 2 c r m o 、35 c r m o 、4 0 m n v b 、 4 5 c r m n b 、4 0 c r 、35 m n v 、4 0 m n s 、渗碳钢20 cr m o 、20 c r m nt i ：铝合金z l10 8 ： 复合材料e p 纤维2 铝等。目前连杆主要的生产工艺是锻造7 | 。 连杆的建模步骤如下： ( 1 ) 利用旋转特征建立连杆的大圆环。 ( 2 ) 利用旋转特征建立连杆的小圆环。 ( 3 ) 利用拉伸特征建立大圆环和小圆环之间连接的模型。 硕p 位论文 ( 4 ) 利用拉伸切除特征切除上一模型中多余的材料。 连杆的一端连着与曲轴连接的轴承，另一端连着滑块， 图2 5 连杆模型 以上是隔膜泵动力系统的几个主要零件，还有其他一些零件在我们 建立动态系统仿真图上都可以看到。 本章小结 本章主要简述了曲轴、齿轮轴、连杆、大齿轮建模的过程，通过对 以上零部件的建模使得本课题以后对其进行各种分析有了实体基础。 1 5 d p l 0 0 5 三缸单作用隔膜泵动力端研究 第3 章 d p10 0 5 隔膜泵动力端计算理论依据 在本课题中我们不但要对隔膜泵的动力端要进行动力学仿真，还要 对隔膜泵几个主要零件进行有限元分析和进行零件的优化设计。 3 1 隔膜泵动力学仿真 。 。仿真一一词译自英文sim u la tio n ，另一个曾用的译名是“模拟一。 19 61 年o w m o r b 6 n t h le r 首次对仿真一词作了技术性的解释，认为“仿 真、意指在实际系统尚不存在的情况下，目前，比较流行于工程技术界 的技术定义是；系统仿真是通过对系统模型的实验，研究一个存在的或 设计中的系统。简言之，系统仿真是对系统动态模型的实验。在仿真中 又有运动学仿真和动力学仿真，由于本课题要研究的是隔膜泵在运动状 况下的力学分析，所以我们采取的是动力学仿真。 目前应用于系统动力学的方法主要有以下几种： ( 1 ) 牛顿一欧拉法 16 8 7 年，牛顿根据牛顿方程解决了点的运动学和动力学问题；l7 7 5 年欧拉提出了刚体的概念，在牛顿研究的基础上采用反作用力的概念以 描述铰链等约束，并建立了经典力学中的牛顿一欧拉方程。 ( 2 ) 拉格朗日方程法 它是基于广义坐标和虚功的概念，利用变分原理来结实系统的动能 和势能，得出最少数量坐标的二阶常微分方程( o d e ) ；并利用约束方程 与牛顿定律得出最大数量坐标的微分代数方程( d a e ) 。 ( 3 ) 罗伯森一维滕堡( r o b e r s o n w i t t e n b u r g ) 方法 它是以邻接刚体之间的相对位移作为广义坐标，从而导出适用于任 意多刚体系统的普遍形式动力学方程，并利用增广体概念对方程的系数 矩阵作出物理解释。 ( 4 ) 凯恩( k a n e ) 方法 其利用广义速率代替广义坐标来描述系统的运动，根据达朗伯原理 建立动力学方程，并将矢量形式的力与达朗伯惯性力直接向特定的基矢 量方向投影以消除理想约束力，兼有矢量力学和分析力学的特点，既适 用完整系统，也适用于非完整系统。 ( 5 ) 旋量方法 旋量方法是一种特殊的矢量力学方法，其特点是将矢量和矢量矩结 合到一起，采用旋量的概念，利用对偶数作为数学工具，使n e 方程具 1 6 硕十学位论文 有极其简明的表达形式，其在开环和闭环空间机构的运动学和动力学分 析得到广泛运用。 i ( 6 ) 变分方法 变分方法是根据高斯最小拘束原理而得出来的，保保夫和里洛夫根 据这一原理得出了两种不一样的计算方法。该方法有利于结合控制系统 的优化进行综合分析，而且由于其不受铰的约束数目的影响，适用于带 多个闭环的复杂系统】 随着科技的发展，计算机辅助设计技术越来越广泛地应用在各个设 计领域。现在，目前已经发展到了以三维实体建模、动力学模拟仿真和 有限元分析为主要内容的机械系统动态仿真研究范围主要是机械系统 运动学和动力学分析，主要是利用计算机进行机械系统的运动学和动力 学分析，来准确确定系统以及各构件在任意时刻的位置、速度和加速度， 同时，通过求解代数方程组确定各构件运动所需的作用力和反作用力 机械系统动力学仿真的分析计算方法目前采用的是多刚体系统动力学理 论中的拉格朗日方程方法，来建立系统的动力学方程。仿真软件动力学 方程的建立用刚体质心的笛卡尔坐标和反映刚体方向的欧拉角作为广义 坐标，即gf ，b ，) ，z ，妒，口，妒，对于整个系统q ，【g t l ，口r2 ，力，根据拉 格朗日乘子法建立系统运动方程： 丢噜肛争+ 矿a + 咖一q 扭l ， 完整约束方程：， 烈日，f ) = 0 ( 3 2 ) 非完整约束方程： 椤一国，g ，f ) ( 3 3 ) 其中：r 一系统功能； 留一系统厂义坐标列阵； q 一广义力； a 一对应于完性约束的拉氏乘子列阵； 一对应于非完性约束的拉氏乘子列阵。 求解此动力学方程就可以得到各构件运动所需的作用力和反作用力。 3 2 有限元分析理论 3 2 1 有限元分析的方法 有限单元法( f e m ) 的数学基础是变分原理和加权余量法。其基本求 解思想是把计算域划分为有限个互不重叠的单元，在每个单元内，选择 一些合适的节点作为求解函数的插值点，将微分方程中的变量改写成由 各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式，借助 1 7 d p l 0 0 5 三缸单作用隔膜泵动力端研究 于变分原理或加权余量法，将微分方程离散求解。采用不同的权函数和 插值函数形式，便构成不同的有限元方法。 因此有不同的求解方法，其中加权余量法是一种重要方法。 ： 加权余量法是求微分方程近似解的有效方法；权函数：独立的完全 函数集；权函数的不同选择，得到不同的加权余量的计算方法： ( 1 ) 配点法；子域法； 选择权函数为：嘭= 6 g 一) ，形= o u 昌1 ，2 ，力 子域法首先是将域q 分解为刀个子域口，； 一 刀 口一汕屯口f 。 ( 3 4 ) fa 1 然后在个子域口- ，内：乃= ，；在子