（机械设计及理论专业论文）往复泵设计计算理论与cad系统开发的研究.pdf

摘要 摘要 本论文在对往复泵设计理论及机械c a d 技术进行系统的分析和研究的基础 上，结合往复泵生产厂家多年来设计、制造的实际经验，并基于面向对象性编程 语言v b n e t 和三维c a d 软件s 0 1 i d w o r k s 2 0 0 4 开发出一套集设计、选型、分析 及绘图为一体的专用三柱塞往复泵的c a d 系统。该系统实现的主要功能如下： ( 1 ) 三柱塞往复泵系统的自动选型； ( 2 ) 主要零件的参数化设计； ( 3 ) 初步建立三柱塞往复泵的工程数据库； ( 4 ) 主要零件的参数化绘图； ( 5 ) 三柱塞往复泵系统的运动仿真； ( 6 ) 主要零件的有限元分析。 利用该c a d 系统，用户根据生产需要既可以方便、快捷地设计出一台新的 三柱塞往复泵，也可以对往复泵中的主要零件进行重新设计，并提出改造方案。 满足不同生产厂家的需要。 图【7 2 】表【9 参【3 9 】 关键词：三柱塞往复泵；计算机辅助设计；参数化；数据库：有限元分析 安徽理工大学硕士学位论文 a b s 仃a c t o nt h ef o u n d a c i o no fs y s te 1 1 n i ca n a l y s i sa 1 1 dr c s e a r c ho nt h er e c i p r o c a t i n gp u m p d e s i 印t t l c o r ya i l dt h ec a dt e c l l l l 0 1 0 9 y ，c o m b i n e d 丽t ht h ep r a c t i c a le x p e r i e n c eo f d e s i 辨a l l dm a n u f 如t i ：i r ei nm er e c i p r o c a t i n gp u m pf h c t 耐e sf o rm 趾yy e 嬲，柚db a s e d o no b j e c t - 嘶c n t c dp r o 卿i n g1 a i l g i l a g ev b n e ta l l dt l 聃ed i m e i l s i o n a lc a d s o f h v a r es o l i d w b r k s 2 0 0 4 ，t l l es p e c i a l _ p u r p o s e 也r c ep l l l n g e r sr e c i p m c a t i i l gp u m pc a d s y s t e mc o l l e c t i n gm ed e s i g n ，t l l el e c t o 帅e ，m e 柚a l y s i sa 1 1 dm ep l o ta sab o d yi s d e v e l o p e di nt l l i sp a p 瓯m a i n 矗m c t i o n si nt h i ss y s t 锄a r ea sf o l l o w s ： ( 1 )a u t o m a t i cl e c t o t y p eo f t h r e ep l u n g e r sr e c i p r 0 c 砒i n gp u 瑚i ps y s t 锄； ( 2 )p a r 锄e t r i z 砒i o nd e s i g no f m 萄o r p a n s ； ( 3 )e s t a b l i s h e st h ep r o j e c td a ta _ b a s eo ft l 】r e ep l u n g e 墙r e c i p r o c a t i l l gp 啪p i n i t i a l l y ； ( 4 )p a “l m e 妇a t i o np l o to f m 旬o rp a r t s ； ( 5 ) m o v i n gs i m u l a 6 0 n o f t h r e e p l u n g e r sr e c i p r o c a t i n g p u 瑚l ps y s t c m ； ( 6 ) f i l l i t ee l e l n e n ta n a l y s i so f m a j o r p 舐s u s i n gt h i sc a ds y s t e m ，m eu s e rc nb ec o n v e n i e n tt od e s i 弘n e wt 1 1 r e ep l u n g e r s r e c i p r o c a t i i l gp u m pq u i c k l y ，a i s 0m a yc a r r yo nt h er 酣船i g n 粕dp r o p o s em e i i n p r o v e i n gp l a nt om 勾o rp a r t s 协m er e c i p r o c a t i n gp u m pa c c o f d i i l gt on e e d so f 也e d i f r e r e l l tf 如t o r i e s f i g u r e 7 2 】t 曲l e 9 】 r e f b r e n c e 【3 9 】 k e yw o r d s ：t h r e ep l u n g e r sr e c i p m c a t i n gp u m p ，c a d ，p a r 锄e t e r i z a t i o n ，d a t a b 船e ，f e a 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得壹筮堡墨太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：誊喀跨。 日期：豳五年j 月上日 j 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞筮望至太堂有保留、使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞盘堡王盘堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学 可以将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、汇编学位论文。( 保密的学位论 文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：尊嗲魄签字魄年彳月舢 锄鲐2 张签字魄。6 年6 月甲 l 引言 1 引言 1 1 柱塞式往复泵概述 往复泵是工业泵中不可缺少的一类产品。它的突出优点是：输送介质十分广 泛，吸入行能好、效率高，可获得很高的排压且流量与压力无关。往复泵在石油 开发、管道输送、煤气化工、电站排渣、矿山开采和压力容器检测等方面起着重 要的作用。 柱塞式往复泵是根据柱塞在液缸工作腔内的往复运动来使工作腔的容积产生 周期性交化的原理进行工作的。在结构上，往复泵的工作腔是借助密封装置与外 界隔开，通过泵阀( 吸入阀和排出阀) 与管路沟通或闭合。这种实现工作腔容积 变化的方式和结构特点，构成了往复泵的性能参数和总体结构的一系列特点。 我国的往复泵行业在建国后得到很大的发展，有不少往复泵的专业生产厂。 像本溪水泵厂是全国泵行业生产规模最大、产品最全的工业往复泵生产厂，主要 生产j 型计量泵j w 、j x 、j z 、j d 、j t 、1 d b 、2 d b ，电控和气控式计量泵，船用 泵，隔膜泥浆泵，活塞泥浆泵，油隔离泥浆泵，焦油泵，高温油泵，化工流程泵 等。宝鸡水泵厂是西北地区最大工业往复泵生产厂，广泛应用于电力、石油、化 工、矿山、冶金、轻工等部门。除了这些生产规模很大的国营大厂外，还有一大 批生产往复泵的专业小厂，象无锡市海燕高压泵厂专业生产三柱塞高压泵，已有 十多年的生产历史，目前主要生产的产品有：3 p 系列高压往复泵、c m 系列高压 清洗机( 泵) 、化肥行业专用高压泵、洗衣粉料桨泵、磨料射流清洗机及痔料射 流切割机、3 p c 系列超高压泵油田用泵。 传统往复泵的设计方法始终以人为主体，设计环境由手工计算工具，绘图仪 器和以纸为载体的资料构成，不论是复杂的计算，还是精细的制图，都必须由设 计者来亲自来完成。因而个别设计者的水平决定了设计的水平，这种设计模式具 有设计周期长、设计效率低和设计质量差等缺点。从现代观点来看，造成的设计 人才浪费和设计方案缺乏竞争性这两个问题显得更为严重和突出。全面采用c a d 技术必然会减少手工绘图时间、提高绘图效率、提高分析计算、解决复杂设计计 算问题的能力，进而促进设计工作的规范化，系列化和标准化。 1 2 往复泵c a d 发展状况 1 2 1 国外研究状况 安徽理工大学硕士学位论文 上世纪八十年代中期以来，国外c a d ，c j k m 应用己十分广泛，数控机床的使 用率也大幅度地提高，它对保证往复泵的主要零部件的复杂轮廓、加工精度和产 品质量起到了关键作用。国外先进的往复泵c a d 系统能够完成生产中总体设计、 技术设计、零部件设计及有关零部件的强度、刚度、机械运动仿真，参数优化等 的分析计算，并能实现有限元分析、结构力学和动力学分析等功能。同时c a d 和c 蝴( 计算机辅助制造) 能够集成，即要求设计信息能自动转化为c 伽讧系统的 信息。 1 2 2 国内研究状况 我国在机械c a d 技术方面的研究始于2 0 世纪7 0 年代中期，当时主要研究： 开发二维绘图软件，并利用绘图机输出二维图形，主要研究单位是高校，主要应 用单位是航空和造船工业。2 0 世纪8 0 年代初有些大型企业和设计院成套引进机 械c a d 系统并在此基础上进行开发和应用，取得了一定的成果。近2 0 年来，我国 许多高等院校、科研单位及一些大企业都为机械c a d 系统的科研开发做出了不 懈的努力，推出了许多成功用于绘图，分析计算及图纸档案管理的机械c a d 软件。 例如：华中理工大学的i u t c c a d 软件、专用于二维绘图的c a 电子图板及其他一 些专门进行有限元分析和机械运动分析的软件：目前，我国机械行业的c a d 技 术正处于普及阶段。 我国泵计算机辅助设计( c a d ) 的研究工作尽管起步较晚，但经过众多学者和工 程技术人员2 0 余年的不断努力，目前在离心泵方面采用一元设计理论进行二维水 力设计和绘图方面已经比较成熟。但对于往复泵系统的c d 的研究还很少。 往复泵是一种结构比较复杂，配套性强而通用化程度差，品种多而批量少的 产品，它的总产量约占整个泵类总产值3 左右。因此，往复泵企业往往不注重 产品的开发。国内的大部分厂家目前还停留在手工计算、手工绘图等繁琐的重复 性劳动中。采用类比法或根据经验来确定产品的尺寸，结果是产品做得很大，浪 费了材料和能源，增加了企业的生产成本，严重制约了企业的发展。 由于往复泵制造行业的专业性和复杂性，目前还没有一套完全成熟的设计计 算理论。c a d 技术在往复泵行业中的应用现大都停留在个别零部件的辅助计算或 辅助绘图水平上，虽然开展了一些研究内容，但并不十分理想，没有得到广泛的 应用。没有面向中小企业，针对往复泵选型、设计计算及参数化绘图的专用c a d 系统。针对目前往复泵行业中普遍存在的设计和生产周期长，效率低的问题，进 行往复泵c a d 系统的开发与研究具有现实的必要性和可行性。 1 引言 1 _ 3 课题的内容与意义 1 3 1 本课题的内容 1 ，三柱塞往复泵的设计理论 主要研究三柱塞往复泵的主要零件参数化设计，零件的尺寸计算、强度、刚 度校核等的设计理论，结合对现有高性能柱塞式往复泵主要参数选取方法与规律 的分析研究及生产厂家和其它机械c a d 设计领域的一些经验，提出新的更加合 理的三柱塞往复泵主要零部件的设计方法。 2 开发三柱塞往复泵的c a d 系统 设计开发的三柱塞往复泵c a d 系统，其主要功能有：实现柱塞式往复泵的 自动选型( 总体设计) 、将三柱塞往复泵各个主要零部件的尺寸计算、强度、刚 度校核和曲轴的受力计算过程计算机程序化并自动绘制出三柱塞往复泵主要零部 件的工程图纸。当改变原始参数时，系统则重新进行选型，结构设计，并输出不 同的图形，实现绘图的自动化。 系统总体上采用模块化设计。主要分为：总体设计模块，零件参数化设计子 系统，零件参数化绘图予系统，数据库子系统，三柱塞往复泵系统的仿真与零件 的有限元分析，辅助功能子系统组成。其中各个子系统又可以分为很多个模块。 1 - 3 2 本课题的意义 随着参数化设计和计算机辅助设计( c a d ) 技术的广泛应用，它的优越性将 越来越被人们所认识。它具有计算准确、修改方便、设计效率高等特点，将不断 地应用到国民经济和各部门中。对三柱塞往复泵主要零件的参数化设计与开发往 复泵c a d 系统，可将复杂、繁琐的往复泵选型、设计计算、绘图工作，转为计 算机程序化过程，加快了设计、制图的速度，减少了出现错误的可能，最大限度 的满足用户要求，并缩短生产周期，提高生产效率。 安徽理工大学硕士学位论文 2 柱塞式往复泵设计计算理论 对于三柱塞式往复泵的主要部件的尺寸设计和强度、刚度校核常等用到的流 量、泵的功率和零件的受力等概念和原理作简单介绍。 2 1 泵的流量 2 1 1 泵的理论流量 在不计泵内任何容积损失时，泵在单位时间内应排出的液体容积称为泵的理 论平均流量，简称泵的理论流量。由于不计任何容积损失，单作用泵在单位时间 内吸入和排出的体积，可用下式表示： q = 一砌z ( 2 1 ) 式中 口一泵的理论流量： 4 一柱塞的截面积； 爿：! d z ： 4 s 一泵的行程长度； n 一曲轴转速( 或柱塞每分钟往复次数) ； 2 1 2 泵的实际流量 单位时间内在泵出口处实际测得的液体体积( 包括包含于其中的气体和固体 体积并折算成泵进口状态下的体积) 称为泵的实际平均流量，简称泵的流量。 由于泵内存在容积损失，因此，泵的流量小于泵的理论流量，相互之间的关 系为： q = q ，一q 式中 q 一泵的实际流量： q 一泵的理论流量： q 一泵的流量损失； 2 1 - 3 泵的容积效率 泵的流量与理论流量之比称为泵的容积效率。可表示为： 玑= 詈= 卜筹 c z z ， 式中 ，7 ，一容积效率； 2 2 泵的瞬时流量 4 2 柱塞往复泵设计计算理论 2 2 1 柱塞的运动规律 图l 所示为柱塞泵传动示意图。 令：工一柱塞位移，以远离曲柄旋转中心为正。x 的坐标原点取在柱塞前死点， 即前死点的坐标x = o ，后死点的坐标x = 一s ( s 一行程长度) ，且令： 妒一曲柄转角，逆时针为正，z = 0 时，妒= o ； ，一曲柄半径； 卜一连杆长度； z 一连杆比，a = 三； f 以一曲轴转速； 珊一蓝柄角速度，山：! 呈； d r 曰一连杆夹角。 v p 4妊厶 设：髟 陟 圈1 柱塞泵传动示意圈 f i 9 1p l u n g e r p u n i pn a n s m i s s i o ns c h e m a t i cd n n l ，i n g 柱塞位移工为： x = 心一而= ，c o s 驴+ z c o s 扫一( r + l ) s i n 护2 ；s i l l 伊2 a s j n 妒s i n 。 c o 胡：正磊而= 扛面 将式( 1 2 ) 代入式( 1 一1 ) 得： x ：r ( c o 叩一1 ) + f 昕巧i i 弓一1 ) 柱塞速度“为： ( 2 3 ) ( 2 4 ) 安徽理工大学硕士学位论文 舻砉刊螂悬， 出 、 2 一j 2 t i n 2 m 7 通常五值很小( 五1 ，4 ) ，所以可近似认为： 正j 手面= 1 ，因而柱塞速度可近似地表示为： 非刊s 啦+ 害咖锄 柱塞加速度d 为： 口= 老= 耐( 唧伽。 舍： 兰= 鼬) = 一s 卸+ 鲁s i n 动 ( 2 5 ) 坳z 砉= = 弋c o 埘雩c o ( 2 嘞 r 甜 z 式中妒一柱塞无因次速度； ? 一柱塞无因次加速度； 2 2 2 泵的瞬时流量 在不考虑任何容积损失的前提下，泵在每一瞬间排出或吸入的流量称为理论 瞬时流量，简称瞬时流量。显然，每个工作腔的瞬时流量在数值上应等于工作腔 容积的变化率，但符号相反。 设柱塞在出时间内的位移为出，则在出时间内工作腔的容积变化量为 咖：一出( 4 一柱塞面积) ，工作腔的容积变化率华为： 珊 譬：卅害：一材：刊醐“) = 一月= - a 材= a ，州) 研 出 一7 泵的瞬时流量g 为： 口：一华：爿。：彳嘞) 口一i 利炻丑例婶j 整台泵的瞬时流量应为各工作腔的瞬时流量( 在同一瞬间) 之和。 2 - 3 泵的功率 6 2 柱塞往复泵设计计算理论 单位时间内，被泵排出的液体由泵获得的能量称为有效功率。 效功率是泵对排出的液体所做的有效功。即： 。= ( 易一目。) q y 式中m 一有效功率，s ； 也就是说，有 ( 2 7 ) 占：一单位重量液体在泵出口处所具有的能量，m ；e ：墨+ 芒 yz g 臣一单位重量液体在泵入口处所具有的能量，m ；e = 争+ 丢 q 一泵的流量，删3 ，s 。 ，一液体重度，小3 。 只一排出压力，m 2 只一吸入压力，m 2 。 v 2 一泵出口处的流速， 珊s ； v l 一泵入口处的流速，m ，j ； 将e ，e 2 代入式( 2 7 ) 得： 也= f 学+ 警弦睁警p 通常v ：与v ，相等，即使略有差别也不大，因此兰芋更小，相对多经常可 以忽略不计，所以实用上采用下式已足够精确。 n ：= p q 代入常用单位后可得如下形式； 也= 罴七矿 七矿 式中p 一全压力，m 2 ； q 一流量t 三r n i n 。 2 4 曲柄连杆机构的受力分析 以曲柄连轩机构为传动端的机动往复泵，一方面通过该机构把原动机的旋转 运动转化为柱塞的往复运动，一方面则经它把原动机的机械能传递给输送液体一 安徽理工大学硕士学位论文 往复泵在难常工作时，作用在曲柄连杆机构上的力有：作用在柱塞上的液体 压力；运动构件( 包括柱塞、连杆、十字头、曲炳等) 的惯性力；运动副中的摩 擦力；运动构件的重力以及作用在曲轴上的驱动力。 2 4 1 曲柄连杆机构运动规律及惯性力 1 曲柄连杆机构运动规律 为了获得作用在曲柄连杆机构上的作用力与曲柄转角之问的关系，首先需知 该机构的运动规律。 谴一 工= r o c 。s 妒，+ 考c 一c o s z 妒， 2 柱塞往复泵设计计算理论 用上述各项求得的速度u 和加速度a 值为正值时，其方向则沿柱塞中心线并 指向曲柄旋转中心o 。反之，若为负值畴，其方向则沿柱塞中心线背离曲柄旋转 中心。 2 曲柄连杆机构往复惯性力l ， 曲柄连杆机构中的连杆运动属于平面运动，可以看成由往复运动和旋转运动 的合成运动。 为了确定惯性力，可将曲柄连杆机构的未被平衡的质量分成两部分：作往复 运动部分的质量( 包括柱塞、十字头和连杆部件的小部分质量) 和作旋转运动部 分的质量( 包括曲拐、曲柄和连杆部件大部分质量) 。为了简化计算，把包括连 杆往复运动部分的质量在内的全部往复运动质量都集中于十字头销中心上而不平 衡的旋转质量则全部转化到曲柄销中心上。这样一来： 每联往复运动部分的的质量可按下式计算： m 。= m s + 确g 堍； 式中 m 。一每联往复运动部分质量，堙； 埘；一柱塞、十字头部件质量，堙； 掰。一连秆质量，堙； 、 i 一转化成往复运动质量的系数。一般为_ j = o _ 3 o 4 。对高速泵取 小值，低速或中速泵取大值。 不平锈的旋转运动质量m 。为： m t = m 6 + 聊g ( 1 一七) 姆： 式中 一转化到曲柄销中心的曲拐不平衡质量，堙； 曲轴是绕不通过重心的主轴颈旋转的，如图3 。 o 图3 曲轴结构示意幽 f i 9 3 c r a n ks t r u c t u r es c h e m a t i cd r a w i n g 9 安徽理工大学硕士学位论文 主轴颈中线o o 为对称中心曲拐部分质量m 。集中在o 点。因这部分质量的 重心加速度为零，因此在计算旋转惯性力时不计入，曲拐剩下的不平衡质量为m ， 和珊，。珊，是以曲柄销为对称中心的曲拐部分质量，重心在曲柄销中心上，可以 不必代换，而曲拐的另一部分质量肌，则需代换。按静力代换惯性力相等的条件， 将捌：也转化到d 点的时的m ：。为： 珑：旦州：堙：珑22 一州2船。 式中 ，一曲柄半径，胁。 日一不平衡旋转质量m ，到主轴颈的距离，肼。 这样，转化到曲柄销中心点d 的曲拐不平衡旋转质量。为： 柳。：辨，+ 刖：旦 堙： 柳62 辨3 + 刖2 一昭2 全部转化到曲柄销中心点d 上的不平衡旋转质量为： m 。：m ，+ 坍：譬+ ( 1 一| | ) 肌； 堙； m 2 m ，+ 坍2 + 【l 一七加# 姆； 由于把全部机构的往复运动质量集中于十字头中心线c 点，所以往复惯性力 大小就等于往复运动质量m 。与十字头中心f 点加速度的乘积，方向则与加速度方 向相反。十字头的加速度大小，方向均与柱塞的大小方向相同，故往复馒性力l 为： ，。= 肌。r 甜2 ( c o s p + 兄c o s 2 伊) ： 3 曲柄连杆机构旋转惯性力 由于把全部不平衡旋转质量都集中转化到曲柄销中心( 点) ，所以旋转惯性 力( 亦即离心力) 大小就等于曲柄销中心点的加速度与旋转质量的乘积，其方向 则与加速度方向相反，即沿曲柄半径并背离曲柄旋转中心。 l i = m ，m i n 2 4 2 曲柄连杆机构作用力分析 1 柱塞力 在液缸内液体压力p 的作用下，对柱塞和缸盖则产生大小相等、方向相反的 p 。作用在柱塞端面上的力p ，称之为柱塞力：p = 一4 p ； 式中 一= 三d 2 柱塞的截面积，m 2 ； d 活塞( 柱塞) 直径，m ： 1 0 2 柱塞往复泵设计计算理论 p 一液缸内液体压力，2 。该力也是曲柄转角的函数。 柱塞力的最大值p ： p 一= 一4 p 2 一 ； 式中 p ：。2 泵的最大排出压力，m 2 。负值表示柱塞受压。 2 综合柱塞力 柱塞力p 经柱塞、十字头销中心( c 点) 。故在运动状态下，十字销中心同 时作用着三个力，即柱塞力，往复惯性力和摩擦力； p = p + ，。+ p 。 ； 式中p 。作用在十字头销中心( 点) 的力，。也称为综合柱塞力。是 校核十字头销强度的主要依据。 p 柱塞力，| ； ，。一往复惯性力，； 一摩擦力，： 3 滑道侧向力和连杆力 作用在十字头销中心的综合柱塞力又可进一步分解成两个分力：一个力与十 字头滑道垂直为，称之为侧向力；另一个则是沿连杆中心线的分力，称之为连杆 力，二者在数值上为： n = p t g p n 1 p c = pl 瞄9 拍、 式中口一连杆摆角，r a d 。当曲柄旋转使得十字头中心沿柱塞中心线移向曲柄旋转中心时 舡消舻主删湘应螂k 朝，用一2 志。 安徽理工大学硕士学位论文 3 三柱塞往复泵的主要零件参数化设计 3 1 概述 这节主要讲解三柱塞往复泵主要零件组成，零件设计时应满足的基本要求以 及参数化设计和数据库技术在零件设计过程中的应用。 3 1 1 三柱塞往复泵的液力端和传动端 往复泵的零部件主要包括液力端和传动端的零部件，如图4 所示。 三柱塞往复泵的液力端是在往复泵上把柱塞从十字头处脱开一直到泵的进， 出口法兰处的部件，液力端是介质流过的部分，通常由液缸体，柱塞及其密封， 吸入阀和排出阀组件，缸盖和阀箱、阀箱盖以吸入和排出集合管等组成。 图4 兰柱塞往复泵主要零件的组成 f i 9 4 t h em a ：j o rp a r t sc o m p o s i t i o no f t h r e ep l u m g e 璐r i p m c a t i n gp 眦p 传动端为往复泵传递动力的部件，主要包括机体，曲轴( 主轴) ，连秆，十 字头和润滑、冷却等辅助设备。卧式三联机动泵的传动端一般分为：两支点三拐 曲柄连杆机构传动端和四支点三拐曲柄连杆机构传动端。 两支点三拐曲柄连杆机构传动端机体刚性差一些，但拆装、检修方便。四支 点三拐曲柄连杆机构传动端机体刚性强，但拆装、检修不方便，受力分析复杂。 3 1 2 零部件设计应满足的基本要求 1 有足够的使用寿命( 指大修期应长) ，和足够的运转可靠性： 2 有较高的运转经济性( 效率高，消耗少) ： 3 尽可能提高产品的系列化，标准化，通用化程度； 4 尽可能采用新的结构，新材料，新技术： 5 制造工艺性能好： 1 2 3 三柱塞往复泵主要零件的参数化设计 6 ，使用、维护、检修方便； 7 外形尺寸和重量尽可能小等。 3 1 3 参数化设计过程与优点 参数化设计是现代系统设计的核心任务之一。其一般过程如图5 所示。 图5r 程序驱动法设计零件流程简图 f i 9 5 f 1 0 w p r o c e s sc h a r to f 嘶v ed e s i g i lm e t l l o df 研c o 蜘p o n t s 参数化设计方法与传统的设计方法比较，具有的主要优点为： 1 将零件设计的输入和输出明显分开，对设计者，设计思路清晰，对用户， 使用方便； 2 减小了设计工作量，让大量重复工作由程序来执行，提高工作效率。 3 容易得到更加精确的计算结果。 3 t 4 数据库技术与零件设计 数据库是长期存在于计算机内有组织的大量的共享数据集合。数据库技术是 数据管理的最新技术，已经发展成为计算机学科的一个重要分支。数据库管理系 统( d b m s ) 在数据库建立、运用和维护时对数据库进行统一控制，以保证数据 的完整性，安全性，并在多用户同时使用时进行并发控制，在发生故障后对系统 进行恢复。数据库管理系统主要具有下列特征： i 具有统一数据控制功能。进行数据共享； 2 数据冗余度小，易扩充； 3 具有较高的数据和程序的独立性； 4 对数据加强保护，确保数据的安全性和可靠性。 在往复泵零件设计过程中，要用到大量的数据需要用户去确定。如材料的力 学性能参数、计算系数、尺寸的系列化参数等。其中有的来自于往复泵工程数据 库，有的来自于用户经验。这就使零件设计与数据库紧密连在一起。在现代机械 设计过程中，将数据库技术运用到零件设计中，有利于产品设计的系列化、标准 化和通用化，减小设计的随机性，减化设计过程。 安徽理工大学硕士学位论文 叫夔一j 图6 数据库技术在零件设计中的应用 f i 9 6t h e 印p l i c a 廿0 n0 f d a t a b a t e c h n o l o 蚪i i lc o 呷。眦n t sd 鼯i 弘 3 2 三柱塞往复泵的总体设计 3 2 1 总体设计在往复泵设计中的重要性 1 总体设计的内容 如图7 所示，总体设计的内容是选择的泵型和结构，确定主要结构参数，选 择合适的原动机，或驱动方式和初步确定泵的附属设备和整体布置。 图7 总体设计的内容 f i 9 7 1 1 1 ec o n t e n t so f l o 协1d e s 洒 因此，总体设计是往复泵的设计过程中重要的环节。对往复泵的经济和技术 指标是否先进，运转是否可靠均有较大影响。 2 三柱塞往复泵总体设计与零件设计的关系 总体设计在泵的设计中起到至关重要的作用，是往复泵设计的基础环节。零 件设计只能在总体设计的框架内进行，不能背离总体设计拟定的蓝图。这种关系 主要表现在下列几个方面： 1 ) 总体设计中确定了液力端和传动端的结构形式，这就确定了液力端和传动 端零件的结构选型。 2 ) 总体设计确定了一些零件的重要尺寸，如柱塞直径d ，就是在总体设计过 程确定的。 4 闻曼坚 磊? 霉鎏蒸 3 三柱塞往复泵主要零件的参数化设计 3 ) 在零件设计过程中，不论是尺寸确定，还是强度校核，随时都可能用到总 体设计参数。 3 2 2 三柱塞往复泵的总体设计过程 1 液力端和传动端采用的方式：本设计采用柱塞式三缸单作用往复泵，柱塞 中心线布置为水平( 卧式) ，用电动机驱动。即三柱塞单作用卧式机动往复泵。 其传动端采用两支点三拐曲柄连杆机构传动端。 2 总体设计确定的具体参数： 总体设计在泵的设计过程中占居重要地位，它基本上确定了泵的基本性能， 如泵的流量、功率、出口压力和效率等，它确定泵的具体参数如图8 所示： 图8 总体设计确定的具体参数 f 吨8 t h es p e s i 丘cp a 咖e t e r sd e f i n i t e db yt o t a ld e s i g n 在进行泵的总体设计时，泵的基本性能参数一排出压力p 和流量q 是由用户 提供的。往复泵的排出压力额定值仅决于结构强度、液力端密封质量及电动机的 额定功率，而与流量几乎无关。流量应满足下列表达式： 驴等仉= 等一华一等研心叫 式中q 一泵的实际流量，3 s ； q f 一泵的理论流量，m 3 s ： n 。一泵的容积效率； 4 = 兰d 2 一柱塞截面积，m 2 ； 4 d 一拄塞直径，聊； s 一柱塞行程长度，聊； 安徽理工大学硕士学位论文 n 一曲轴转数( r p m ) 或柱塞每分钟往复次数，s p m z _ 一泵的连数( 或柱塞数) ： u 一柱塞平均速度，m ，5 ； 舻：羔程径比。 。 d 表1 柱塞平均速度系数k t 和柱塞的平均速度u m t a b la v 啪g e v e l o c n y c o e 壤c i e n tk t 柚da v e m g e v e l o c i t y u m t o p h m g e r 弧“ _ _ 、泵。囊奢 二j 谨j 誊。 r fu 抽二( m ，s ) o | -一霉曩i l ；! ! ! ! ! ! = = 一= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = 1 l 化工用三联泵( 一股介质) 1 10 1 8 _ 0 8 化工用三跌卧式机动泵( 强腐蚀、挥发性介质)0 50 1 4 l 各种计量泵 0 _ 30 1 5 0 5 0 液压机_ l ： j 三联泵或多联机动泵2 00 2 l - 0 7 0 三联单作用大型钻井泥浆泵1 30 0 l - 0 丑 三联单作用大型压裂泵2 70 0 9 _ 0 3 0 由式( 3 1 ) 可知，流量q 由n 、s 、d 、z 等与结构参数确定，对于三联柱塞 泵( z = 3 】，则只有n 、s 、d 三个主要结构参数来确定流量。 要确定流量q ，可能有n 、s 、d 的不同组合。越三者的组合的好坏对总体设 计有重要影响，由往复泵的设计经验得知，为了确定n 、s 、d 组合的最佳方案 应从选择合适的u 。入手，再确定n ，进而再比较1 l r ，由此而逐步确定组合的最佳 方案，如图9 所示。 窿蝥黼陲蘩矮 图9 往复泵参数确定流程图 f i 驴 d e f m i t en o wc h a n f o r 伸c i p r o c “i l g p u m p 岬e t e r 3 三柱塞往复泵总体设计程序流程及说明( 如图l o 所示) 从程序流程图中可以看莹j 杵复泵总体设计分为三种设计方式： 新泵设计方式： 在设计新泵时，要求用户首先确定泵的流最q ，输出压力p 2 ，选择确定泵的 转速n ，咀及查表或根据经验确定泵的柱塞平均速度系数k t ，连杆比x ，容积效 率nv 。然后，由程序分别计算出轴功率n z ，柱塞平均速度u 。，柱塞直径d ，柱 塞行程s ，柱塞程径比，最大柱塞力p 。最后根据校验条件： 3 三柱塞往复泵主要零件的参数化设计 ( 1 ) 柱塞程径比v ( 1 0 7 o ) ( 2 ) 柱塞的平均速度u 。 2 om s ( 3 ) 柱塞所受的最大柱塞力p 。( 1 4 9 6 k n ) 来确定计算出的基本参数轴功率n z ，柱塞平均速度u 。，柱塞直径d ，柱塞 行程s ，柱塞和程径比，最大柱塞力p 。是否满足要求。 2 1 泵的系列化设计方式： 随着机械工业的通用化，标准化和系列化的发展，往复泵的系列化设计日益显得 更加突出。由于往复泵的行程s 在很大程度上决定了泵的总体尺寸和重量，故一 般情况下，以泵的行程s 作为参数进行系列化划分。其设计原理是： 首先确定泵的行程s ，然后调整压力p 、转速n 及柱塞直径d 来形成泵的系 列。如3 d p 6 0 型系列泵，它的行程为6 0 i i l m ，但泵转速n 、柱塞直径d 、压力p 、 流量q 可以有不同的组合。根据上述原则，首先确定往复泵的系列型号，以确定 泵的行程s ，再输入泵的出口压力p ，连杆比 ，泵的转速n ，容积效率r i ，速 度系数k t 和柱塞直径d 。然后，由程序分别计算出泵的流量q ，轴功率n 2 ，柱塞 平均速度u 。，柱塞程径比v 和最大柱塞力p 。，最后由总体参数约束条件来验证 这组参数是否满足要求。 3 1 已定型泵的设计方式： 该设计方式是为了厂家对已经投入生产的往复泵总体参数进行校验。验证该 型号泵的总体参数是否有改进的余地。首先输入泵的出口压力p ，连杆比x ，泵 的流量q ，泵的转速n ，容积效率f l “速度系数k 和柱塞直径d 。再由程序分别 计算出泵柱塞平均速度u 。，程径比v 和最大柱塞力p 。是否满足往复泵总体校 验的约束条件。从而进一步提出该型号的泵的改进方案。 程序设计了三种泵的总体设计方式，这不仅满足机械设计的系列化趋势，同 时这更好地满足了生产厂家实际设计的需要。 同时，程序设计了约束条件校验，由于受到制造工艺、材料性能等限制，任 何机械零件的设计均是在一定范围内进行的，本设计设置了三个约束条件对设计 参数进行校验，保证了设计的科学性及合理性。 最后根据校验条件( 柱塞程径比v 、柱塞的平均速度u 。和柱塞所受的最大 的柱塞的力p 。) 是否满足设计要求，来判断总体设计的合理性。如满足要求， 将总体设计的参数输入到总体参数库中，以备零件参数化设计时调用。如不满足 校验条件，则提示用户重新选择参数进行总体设计。 安徽理工大学硕士学位论文 圈1 0 三柱塞往复泵的总体设计流程图 f i 9 1 0 1 kt o “d e s i g l ln 0 wc h a no f t h r e ep l u n g c r e c i p m c a t i i l gp u l p 3 2 3 总体设计的用户界面 1 总体设计的用户界面( 如图1 1 所示) 1 8 3 三柱塞往复泵主要零件的参数化设计 图1 l 三柱塞往复泵的憩律设计界面 f i 9 1 1 1 1 l et d t a ld i 驴姻确晒蛳e e p 妞姆酾i p 嗽a t i n gp 啪驴 2 总体设计的用户界面介绍 总体设计的用户界面由确定设计方式、一参数输入、约束条件校验等几个框架 ( f r 枷e ) 和命令( b u t t ) 按钮组成。 1 ) 在确定设计方式框架中要求用户选择确定泵的设计方式：设计新的往复 泵、设计系列化往复泵还是对现有的往复泵进行总体参数校验。 2 ) 在参数输入框架中有三个子框架，其中在基本性能参数框架中要求用户输 入设计泵的流量和出口压力，泵的功率是通过流量和压力由程序计算出来不需要 用户输入。 中间设计参数框架中要求用户确定泵的连杼比、容积效率和速度统计系数， 程序给出默认值，一般情况下用户采用默认值即可。 在泵的主要结构参数框架中要求用户确定泵的转速、柱塞直径和泵的行程。 其中在用户选择系列化设计方式时，泵的行程与数据库相关联，用户可以在组合 框( c o m b o b o x ) 中选择泵的行程，当然用户可以直接输入泵的行程值。如图1 2 所示。 1 9 安徽理工大学硕士学位论文 图1 2 总体参数设计一一设计系列化泵界面 飚1 2 t h et o t a lp a r 撇e t c rd e s i 印一t l l ed e s i 弘i n t e r i 沁eo f s e r i e sp u m p 3 ) 在约束条件校验框架中，程序显示给用户所设计的总体参数是否满足三个 约束校验条件。如满足约束条件。系统弹出对话框如图1 3 所示： 图1 3 满足条件系统对话框 f i 9 1 3 t h es y g t e md i a l o gb o xo f t h ec e 撕f i a b l ec o n d i t i o n s 如不满足约束条件，系统给出不满足条件的具体参数，并给出原因供用户参考。 同时相应参数与判别条件用红色显示以提醒用户。如图1 4 所示。 图1 4 不满足条件时系统对话框 f i 9 1 4 t h es y s t e md i a l o gb o xo f t h ei m v e r i f i a b l ec o n d i t i o n 钔命令按钮主要由“返回”、“计算”、“更新参数库”、“重新输入”和 “帮助”五个组成。 3 三柱塞往复泵主要零件的参数化设计 “返回”命令按钮是提供给用户退出总体设计对话框。返回到程序设计的主 窗口。 “计算”命令按钮是根据用户选择的设计方式和输入参数进行相应计算，并 在约束条件校验框架中显示其计算结果是否满足要求。 “更新参数库”命令按钮是将满足约束校验条件的总体设计参数添加到数据 库中( 具体设计请参见第三章) 。以供其它零件设计时调用。 “重新输入”命令按钮清空参数输入文本框。 “帮助”命令按钮为用户如何进行总体参数选择提供帮助以及如何使用该界 面提供帮助。其界面如图1 5 所示： 图1 5 总体设计帮助用户界面 f i g l 5 1 1 1 eh e l pi n t e r 血c eo f t o 诅ld e s i g nf o ru s c r s 4 3 三柱塞往复泵主要零件参数化设计 4 3 1 三柱塞往复泵的主要零件参数化设计 1 主要零件设计的程序流程 主要零件参数化设计采用的模块化设计的方式。每一个零件用一个设计模块， 模块之间的数据交换是通过数据库管理系统来实现。这样每一个零件设计具有相 互的独立性，同时，各模块又相互联系，满足总体设计要求，构成统一的三柱塞 往复泵零件参数化设计子系统。零件设计的一般步骤如下： 2 安徽理工大学硕士学位论文 1 ) 参数输入：首先要求用户选择或输入零件的材料及其许用应力，零件尺寸 计算的相关系数和与其相关零件的尺寸参数。其中大部分的参数都是直接取自于 数据库，用户只需要从用户界面选择，而不需要查找手册。 2 ) 参数合理性判别：输入参数后，程序自动判别输入的参数是否合理，如不 合理，要求用户重新输入相应参数，并给出相应提示信息。 3 ) 计算：计算出设计零件的尺寸参数和强度值，并根据材料的许用应力判别 零件是否满足强度要求，如不满足强度要求，要求用户重新设计。 4 ) 计算结果加入数据库：当满足强度要求时，要求用户是否将这组设计参数 加入到数据库中，供参数化绘图或设计其它零件时调用。 详细的零件参数化设计翟序流程如图1 7 所示 2 以泵阀参数化设计为例说明主要零件参数化设计的一般过程 1 ) 泵阀的种类和结构形式特点及选择 ( 1 ) 阀的种类 泵阀主要是自动阀( 只有在输送高粘度介质时，才采用强制阀) ，它分为弹 簧阀( 多为盘形阀和环形阊) 和自重阀( 多为球阔) 。本设计采用锥形阀，是属于 弹簧阔中的盘形阀。 ( 2 ) 锥形阀的结构与特点 锥形阀是属于弹簧阀中的盘形阀，较盘形阀中平扳阀在制造上略复杂，但流 道较平稳，流量系数大，水力阻力小，过流能力强，密封性能好，不论介质粘度 高低，都比较合适。而且阀的刚废大，适用于高压和超高压的泵。锥形阀的结构 如图1 6 所示： 图1 6 锥形阀结构示意图 f 培1 6 t h es t r u c t u i | es c h e m a t i cd r a w i n gf o rc 叫ev a l v e 3 三柱塞往复泵主要零件的参数化设计 1 阀座，2 阀板，3 弹簧，4 一阀导向杆，5 升程限制器 锥形阀的密封是靠阀板2 和阀座1 金属与金属或金属与非金属间环形接触面 来实现。其中金属与非金属间环形接触在阀关闭时，起到一定的缓冲作用。 弹簧3 的作用在于增加阀的载荷，削弱阕板运动惯性力的影响，保证较小的 关闭速度和关闭滞后角，减小冲击和回流损失，增加泵阀的使用寿命。 泵阀的导向机构5 作用在于使阀板关闭时勿使阀板偏斜，并保证良好的密封 性能。 2 ) 锥形阀的结构参数设计计算 ( 1 ) 阀座孔径d 。的确定 阀座孔径d ，可按经验，根据阀座孔最大流速初步确定： d k = 2 i m 单作用泵： 卿= 盖 c m 3 s j 式中q 0 一通过一个阀( 吸八阔或排出阀) 的理论平均流薰，c 一s z ，一一个缸( 工作腔) 中，吸入阀或排出阀的数目i 爿一柱塞截面积， 嘶2 ； s 一柱塞行程，胍； n 一柱塞每分钟往复次数，s p m ； v 。；一阀座孔最大瞬时流速，m s a v 。一般按经验选取。流速过大，阻力损失大，影响泵的吸入性能；流速选 取过小，泵阀尺寸过大，泵阀质量也增大。总的范围可在一= l 一3 埘s 内选取。 由上式计算所得的九值，应控制在呔1 2 0 1 5 0 m m 。 安徽理工大学硕士学位论文 并始 一1 零件参数库1 1 。士“一r 一 选择奉才料和捆砬 礴囊纛麟蔫咎i i 磐爨蓐鳃与案件胡蓁1 材料鹊许用庳嘉：参蜘媳毒数量1i 萁它零抟的参数鬈- 1 f + 一 。v锻 i i 结i ：| = 繁磐委警雾熏1 否 j 判断滤择鞘输 i i 求的棼鼗萄用只