利用SolidWorks进行单作用叶片泵结构设计及其有限元分析毕业设计论文.doc

利用SolidWorks进行单作用叶片泵结构设计及其有限元分析毕业设计论文1 绪论1.1 课题研究背景1.1.1 CAD技术的发展制造的全球化、信息化和需求的个性化，都需要企业能在最短的时间内推出用户满意的产品，并且能够开速占领市场。为了适应这种瞬息万变的市场，设计方必须要缩短设计周期，提高产品质量，必须要有先进的实际技术。计算机辅助设计(CAD-Computer Aided Design)即利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作，简称CAD。20世纪50年代美国诞生第一台计算机绘图系统，开始出现具有简单绘图输出功能的被动式的计算机辅助设计技术。60年代初期出现了CAD的曲面片技术，中期推出商品化的计算机绘图设备。70年代，完整的CAD系统开始形成，后期出现了能产生逼真图形的光栅扫描显示器，推出了手动游标、图形输入板等多种形式的图形输入设备，促进了CAD技术的发展。80 年代，随着强有力的超大规模集成电路制成的微处理器和存储器件的出现，工程工作站问世，CAD技术在中小型企业逐步普及。80 年代中期以来，CAD技术向标准化、集成化、智能化方向发展。一些标准的图形接口软件和图形功能相继推出，为CAD 技术的推广、软件的移植和数据共享起了重要的促进作用；系统构造由过去的单一功能变成综合功能，出现了计算机辅助设计与辅助制造联成一体的计算机集成制造系统；固化技术、网络技术、多处理机和并行处理技术在CAD中的应用，极大地提高了CAD系统的性能；人工智能和专家系统技术引入CAD，出现了智能CAD技术，使CAD系统的问题求解能力大为增强，设计过程更趋自动化。SolidWorks就是在此历史条件下发展成的一款基于Windows开发的三维CAD系统，SolidWorks自1995年问世以来，以其优异的性能、易用性和创新性，极大地提高了机械设计工程师的设计效率。SolidWorks作为三维设计软件具有全面的零件及装配建模功能，利用该软件还可以快速的生成工程图，SolidWorks软件还包含零件建模、装配设计、工程图与钣金等模块，还与高级图像渲染软件Photo Works高级有限元分析软件Cosmos,结构运动学分析软件Motionworks，产品数据管理软件SmarTeam，以及数控加工软件无缝集成，具有强大的辅助设计功能。1.1.2 SolidWorks软件简介（1）三维实体建模的形成SolidWorks可以建立全相关的三维实体模型，在设计过程中，实体之间可以存在或不存在约束关系，同时，可以利用自动的或用户自定义的约束关系来体现设计意图。实体建模就是在计算机中利用一些基本元素来构造机械零件的完整几何模型，它包含了完整描述模型的边和表面所必须的所有线框和表面几何信息。除了几何信息外，它还包括了把这些几何体关联到一起的拓扑信息。将某些具有代表性的几何形状定义为特征，并将其所有尺寸村委可调参数，进而形成实体，以此为基础来进行更为复杂的几何形体的构造。特征造型就是依次性成各种特征并将其组成所需零件的方法。在进行零件或装配体，SoildWorks软件使用智能化的，易于理解的几何体（如凸台、切除、孔筋、圆角、倒角、拔模等）建立特征，特征建立后可以直接应用于零件中。用于创建的尺寸与关系可以被记录并存于设计模型中。通过编辑尺寸数值来驱动几何形状的改变，尺寸标注就不再是“注释”，而是驱动用的“参数”了，这不仅可以使模具体现设计人员的设计意图，而且还能够快速容易的修改模型。（2）虚拟装配的形成全约束是指将形状和尺寸联合起来考虑，通过尺寸约束来实现对几何形状的控制。SolidWorks支持约束，如平行、垂直、水平、竖直、同轴心和重合这样的几何关系。此外，还可以使用方程式来建立参数之间的数学关系。通过使用约束关系和方程式，设计者可以保证设计过程中实现和维持诸如“通空”或“等半径”之类的设计意图。SolidWorks模型与它的工程图及参考他的装配体的全相关的。对模型的修改会自动反应到与之相关的工程图和装配体中，同样，对工程图和装配体的修改也会反映在当中。（3）SolidWorks运动学及动力学分析 在SolidWorks中进行运动学或动力学仿真，使用的是 Motion（2007及以下版本称 Cosmosmotion）模块，属于SolidWorks里面的设计验证工具， SoildWorks Motion 使用现有的SolidWorks 装配体信息来构建运动模拟算例 。还可以将载荷无缝传入Simulation已进行应力分析，可以直接显示零部件在某个时间点或整个模拟周期内的应力和位移。在分析单作用叶片泵的时候，会用到COSMOSFlo Works高端计算流体力学程序是进行流体分析和传热分析。 在单作用用叶片泵的动力分析时用到的是SolidWorks自带的COSMOSFlo Works，用来给高端计算流体力学程序中提供的强大功能来重新定义流体分析和传热分析。（4）SolidWoks的有限元分析 对于大多数的工程技术问题，由于物体的几何形状比较复杂或者问题具有某些非线性特征，很少能得到解析解。目前这类问题的的解决途径是利用有限元法。借助计算机来满足工程要求的数值解，这就是数值模拟技术。随着计算机技术的快速发展和普及，有限元分析发迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且使用高效的数值分析法。主要分析功能：a)系统及部件级分析以FEA为例，为了实现有价值的分析，设计的几何部件会需要不同的单元类型，实体、壳、梁、杆进行离散。而且需要充分考虑装配体间的连接关系和接触关系。其中连接关系的处理尤其重要，涉及到螺栓连接、销钉连接、弹簧、点焊、轴承等非常复杂的连接关系。b)多领域的全面分析任何一个产品决计不能仅考虑静强度，必须考虑多领域的问题，比如静强度、动强度、模态、疲劳、参数优化等。图5展示了在统一界面下产品的多领域分析。c)面向设计者的多场耦合热-结构、流体-结构、多体动力学-结构等多场分析是目前分析中的一个重要发展方向，他可以解决非常复杂的工程问题。d)特殊行业及领域的需求面对很多行业有很多特殊需求，因此需要特殊的CAE模块。例如面对压力容器，需要符合ASME标准的压力容器校核工具；面对电子和消费品领域，需要解决跌落分析的能力。e)高级分析需求面对日益复杂的使用环境，必须考虑复合材料、材料非线性、高级机械振动、非线性动力学等高级分析的需求。 SolidWorks Simulation 节省了搜索最佳设计所需要的时间和精力，可以最大限度的缩短设计周期，降低测试成本，提高产品质量，大大缩短了产品上市时间，加大利润空间。1.1.3 单作用叶片泵简介（1）单作用叶片泵工作原理及特点单作用叶片泵也是由转子、定子、 叶片和配油盘等零件组成。与双作用叶片泵明显不同之处是，定子的内表面是圆形的， 转子与定子之间有一偏心量e，配油盘只开一个吸油窗口和一个压油窗口。单作用叶片泵的转子回转时，由于离心力的作用，使叶片紧靠在定子内壁，这样在定子、转子、叶片和两侧配油盘间就形成若干个密封的工作区间，当转子按图示的方向回转时，叶片逐渐伸出，叶片间的工作空间逐渐增大，从吸油口吸油，这就是吸油腔。叶片被定子内壁逐渐压进槽内，工作空间逐渐减小，将油液从压油口压出，这就是压油腔。叶片泵转子每转一周，每个工作空间完成一次吸油和压油，称单作用叶片泵。(2) 单作用叶片泵的特点优点：结构工艺简单，可以实现各种形式的变量，流量大、压力大、压力稳定、噪音小。 缺点：作用在转子上的液压力不平衡，从而使轴和轴承上承受很大的负载，是轴承磨损大，泵的寿命较短。所以单作用叶片泵也称之为非卸荷式叶片泵，一般在中低压场合使用。(3) 未来对于单作用叶片的优化 a ) 存在困油现象，通过有限元分析软件对配有盘结构优化，消除困油现象。 b) 通过对叶片槽倾角的有限元分析，保证叶片更容易从叶片槽滑出，提高泵的效率。 c) 转子的径向液压力不平衡，通过对定子转子的有限元分析，减小径向不平衡力提高泵的工作压力和排量。 d) 单作用叶片泵的高压化。 e) 轴向间隙大，容积效率低。 f) 液压泵与原动机合一。 g) 液压油纯度对单作用叶片泵性能的影响较大。 1.2 课题研究的目的与意义油泵作为机电产品中的关键部件，它的性能和寿命在很大程度上决定着整个液压系统的工作能力，因此对油泵的合理设计和正确使用显得格外重要。其结构设计的目的就要使其具有承受更高热负荷和机械负荷的能力，以达到所需的可靠性要求，从而提高机电产品的效率。在SolidWorks的标准菜单中包含了各种用于创建零件特征和基准特征的命令，通过应用这些特征造型技术可以很方便地设计出需要的三维实体,然后对实体特征进行运动学和动力学的分析，达到改善单作用叶片泵性能的目的。机构的运动分析，就是根据给定的原动件的运动规律，求出机构中其他构件的运动规律，根据各构件的位置、速度、加速度等运动参数。其目的在于：通过对机构的位移或轨迹分析，确定各构件在运动过程中所占据的空间大小，判断各构件之间会不会发生干涉，考察其从动件及其上某些点能否实现预定的位置或轨迹要求。基于构件的速度分析可以了解从动件的速度变化规律是否满足工作要求，其次，由于功率是速度和力的乘积，所以在功率一直的条件下，通过速度分析可以了解结构的受力情况。此外，机构的速度分析还是加速度分析的必要前提。由于机构加速度分析，可以确定各构件及其上某些点的加速度变化规律，这是计算构件惯性力和研究机械动力性能的必要前提。在机构运动过程中，其各个构件都受到力的作用，构建运动的过程也是构件传力过程和做功过程。作用在机械上的力，不仅是影响机械的运动和动力性能的重要参数，而且也是决定相应构件尺寸及结构形状的重要依据，所以不论是设计新的机械，还是为了合理的使用现有的机械，都必须对现有的机构的受力情况进行分析。研究机构动力分析的目的有二：确定运动副中的反力， 利用SolidWorks设计流程图。SolidWorks Simulation 是一个与SolidWorks完全集成的设计分析系统。它提供了单一屏幕解决方案来进行应力分析、频率分析、扭曲分析、热力分析和优化分析、凭借着强大的功能支持，使用户可以凭借计算机快速解决大型问题。1.3 课题研究的内容 本文利用机械设计中的理论原理和设计思路，包括材料的选取，尺寸的确定，尺寸的校核，零件的润滑，同时也结合了SolidWorks三维建模技术和有限元分析技术的基本理论和方法, 利用SolidWorks三维建模软件和自带的SolidWorks Simulation有限元分析软件，进行单作用叶片泵的整个设计和分析过程。SolidWorks作为专用的机械设计软件，在本文的单作用叶片泵的设计和分析过程中，起到了极其重要的作用本课题主要研究的内容是通过了解单作用叶片泵的工作原理及结构特点，选取适当的单作用叶片泵的工况及相关参数，在相应的工况下设计出单作用叶片泵的结构及基本尺寸和关键尺寸，以及相关零件的校核；根据确定的尺寸利用SolidWorks进行单作用叶片泵零件的三维实体建模零件的虚拟装配以及对装配体进行运动学和动力学分析；最后用SolidWorks进行有限元的分析。 2 单作用叶片泵结构的设计及尺寸参数的初定2.1 单作用叶片泵结构的设计2.1.1 单作用叶片泵的计算中用到的主要技术参数（1） 泵的排量（mL/r）。泵旋转一周所能排出的液体体积。（2） 泵的理论流量（L/min）。在额定转速时，用计算方法得到单位时间内泵能排出的最大流量。（3） 泵的额定压力（L/min）。在正常工作条件下，能保证泵长时间运转所能输出的最大流量。（4） 泵的额定压力（MPa）。在正常工作条件下，保证泵长时间运转的最高压力。（5） 泵的最高压力（MPa）。允许泵在短时间超过额定压力运转时的最高压力。（6） 泵的额定转数（r/min）。在额定压力下，保证长时间运转的最高转速。（7） 泵的最高转速（r/min）。在额定压力下，允许泵在短时间内超过额定转速运转时的最高转速。（8） 泵的容积率（%）。泵的实际输出流量与理论流量的比值。（9） 泵的总效率（%）。泵输出的液压功率与输入的机械功率的比值。（10） 泵的驱动功率（kW）。在正常工作条件下，泵能驱动液压泵的机械功率。2.1.2 确定单作用叶片泵的工况 根据液压技术使用手册得出单作用叶片泵的技术性能范围和应用范围如下:表2.1 单作用叶片泵的技术性能范围和应用范围压力范围排量范围转速范围最大功率容积效率功率重量比16MPa1320mL/r 5002000r/min30KW8592小 最高自吸能力流量脉动噪声油污染敏感度变量能力总功率33.5kPa1中 中能6481应用范围： 机床、注塑机、液压机、起重运输机械、工程机械、飞机。单作用叶片泵的的应用范围及现有的单作用叶片泵的工作场合，确定其工况为注塑机，其主要参数如下； 流量Qmax=1L/s 压力P1=6.4MPa 转速n=1000r/min 容积效率90%2.1.3 被设计的单作用叶片泵的结构分析设计的单作用叶片泵主要由配油装置、压力调节装置、流量调节装置、内反馈装置、箱体几部分组成，由轴传动电机动力，带动转子转动，通过叶片、定子、前后配油盘等完成一系列的配油工作；由流量调节螺钉、活塞及辅助装置完成流量的调节作用；以调节弹簧为主要的装置完成单作用叶片泵的反馈工作；箱体起到固定零件、连接电动机等其他辅助工作。2.1.4 确定单作用叶片泵的结构 根据市场现有的单作用叶片泵的结构以及设定工况下对于单作用叶片泵的具体要求，结合相关机械设计中所学的知识，同时相比较现有有单作用叶片泵的相关结构，设计单作用叶片泵的结构。（见图2.1）图2.1 泵体结构图2.1.5 确定单作用叶片泵的参数 （1）单作用叶片泵的参数选取原则 泵的基本参数是压力，流量，转速，效率。一般根据系统的实际工况来选择，为了延长泵的使用寿命，一般在固定设备中液压系统的正常工作压力可选择泵的额定压力的70%80%选择泵的第二个泵的重要的因素是泵的流量或排量，泵的流量与工况无关，选择泵的流量一般要大于液压系统工作时的最大流量。泵的效率值是泵质量好坏的体现，一般来说应使主机的的正常工作参数处在泵效率曲线的最高区域，泵转速的选择要大于所需工况下的转速。（2）确定单作用叶片泵的参数 单作用叶片泵压力的确定 Pp=P1+p=6.9MPa(p为泵到执行元件间的管路损失，取0.5MPa） 泵流量的确定 QKQmax=1.21L/s=72L/min(K为泄露系数） 转速的确定 n=1460r/min 电动机的选取 取泵的总效率为p=0.8，泵的总驱动功率为P=PpQ/p= 10.35kW 根据电动机功率和电动机转速查（机械设计简明手册）符合条件的电动机有： 表2.2 电动机的选取型号功率/KW转速（r/min）Y160M-4111460 2.2 单作用叶片泵的零件尺寸的初定 2.2.1 配油装置尺寸的确定(1)确定叶片数z 一般在715之间取奇数 选去11叶片采用W6Mo5Cr4V2合金钢(2) 确定叶片的厚度=1.82.5mm 取2.30mm，叶片倾角初定=20(3)确定转子的半径Rp和转子的宽度B转子的半径有转子的强度，叶片的工作高度（R-r）和花键轴孔的大小而定，通常设计时可以参考母性选用与其流量相似的现有流量泵的尺寸，取Rp=43mm 转子的宽度等于叶片的宽度等于转子的宽度，且取值范为B=2060mm之间，故选取B=40mm(4)偏心距的选取 初定为e=8mm. (5)定子半径R的计算 由公式Q=4RBnev得R=Q/4nBev=72/414600.40.90.008=0.545m=54.5mm R定子的半径（m）；e定子相对转子的偏心距（m）；B定子的厚度（m）；v容积效率。(6) 定子的厚度 取D=12mm，定子采用耐磨合金钢(7) 配油盘尺寸 半径R1=D+R=72.5mm ，厚度B1=5mm （8） 弹簧挡圈的选取由机械设计课程设计手册可知, ,d=36.5mm,h=1.5mm,d=2.5mm。 图2.2 弹簧挡圈 2.2.2 轴尺寸的初步确定选择轴的材料为45钢，正火处理，由机械设计手册得其强度值：许用应力由表15-6查得：，计算轴的载荷 由T=9549P/n=954911/1460=71.9N.m得 D=0.0395m=39.5mm取泵轴的直径为40mm 考虑到轴上零件从轴的两端依次安装，轴从右侧装入（轴承轴承、卡环，轴上零件 依次从左侧装入(轴间套、右配油盘、转子、定子、左配油盘、O型圈)。 轴承处直径：d1=40mm轴承处长度：(轴承宽度B+2mm+卡环厚度5mm+2mm=27mm)转子处直径：d2=40mm转子处长度：（转子宽度40mm+2配油盘厚度5mm=50mm)后盖到左配油盘之间的长度（插入后盖的长度为30mm）右配油盘到轴承左端之间的长度箱体内部总长度箱体外部轴径d3=36mm 长度=40mm选用普通键连接，按机械设计课程设计手册轴径查相应键的尺寸为：，其中，轴上槽深毂上槽深按机械设计课程设计手册轴径d3=36mm查相应键的尺寸为其中，轴上槽深毂上槽深2.2.3 轴承的选取考虑用到滑动轴承，由机械设计课程设计手册，若选用圆柱滚子轴承轴承，型号为NF208，由参考书3查得有关数据为：外径D=80mm，孔径，基本额定动载荷Cr=51.5kN，基本额定静载荷Cor=53kN。轴承采用脂润滑，根据机械设计课程设计手册选用毡圈密封。2.2.4 轴的受力分析及校核先对叶片泵理论应力值进行粗略计算，由于忽略液体对转子的作用。即可得输入转子的扭矩约为T= PpQ =1.2L/s6.9MPa=8280 Nm对转子进行受力分析及力的分解，排油压力对转子的力可以分解为轴向力F和径向力F（单位均为N），分解示意图如2.3。图2.1 转子受力分析图(1)轴的受力分析圆周力F=414KN径向力F= Ftan=414tan20=150.68KN（2）确定跨度L=305+40=40mmL=405+40+27=78.5mm（3）求轴的支反力，做轴的受力图=139.75KNF=F-=414-139.75=274.25N （3）该截面轴径，槽宽，槽深，则此截面的抗弯、抗扭截面模量W、WT分别为：=10728.8mm=5364.4mm查机械设计手册得等效系数：，由表1-7尺寸系数：，由表1-8表面质量系数：由表1-12许用安全系数：由表1-4应力集中系数：键槽处: ，；配合处： ，；按规定取中最大值,则，（4）扭矩作用下的安全系数=3.82转矩作用下的安全系数=3.7综合安全系数满足疲劳强度要求2.2.5轴承寿命的校核轴向载荷为：F=414-139.75=274.25N径向载荷为：F= Ftan=274.25tan20=99.81N由机械设计可知，对于NF208型轴承，F=91.87N。故右侧轴承有“压紧“的趋势，左侧轴承有被”放松“的趋势，于是由机械设计知轴承NF208（）的判别系数，故 再由机械设计表13-5，查得,因而轴承的当量动载荷为，取中间值，又上文已经确定Cor=53kN，假设轴承一年大修一次，=56331930h符合使用寿命要求。2.2.6压力调节端零件尺寸的确定(1)大活塞确定材料45钢弹簧所受力为F= Ftan=414tan20=150.68KN最大压力P=6.9Mp有公式PA= F可知，A= 218mm受压端直径d=23.56mm(2).弹簧的确定由GB/T1239.6-92 可知，选取材料为65Mn,外径取D=30mm,可得内径d=15mm,自由长度l=65mm,压缩量l=26mm。(3).调压螺栓的选取 选取M12的螺栓，公称长度l=30mm(4).垫圈的确定 外径，内径d=27mm,厚度H=5mm注：零件配合时，满足的工艺要求（1）叶片和转子槽内的配合间隙机要室叶片和槽间的泄漏很小，又要使叶片在槽内能自由滑动，当叶片厚度一定时，其配合间隙为0.010.02mm。（2）叶片的宽度比转子的宽度小0.01mm，转子的宽度比定子的宽度小0.020.04mm.。 (3) 定子两端面的平行度允差0.002mm。（4）定子两段和空垂直度允差0.008mm。（5）转子两端面平行度允许差0.003mm。（6）叶片槽对转子端面垂直度允许差0.02mm。（7）叶片槽两端面平行度允许差0.01mm。（8）定子内表面曲面粗糙度0.00040.0001mm。（9）叶片滑动表面粗糙度0.1。（10）配油盘表粗糙度0.2。3 单作用叶片泵零件的三维实体建模零件的结构形状是根据零件在装配体中的功能进行设计的，尽管结构形状千变万化，但却都是有一些基本体组合而成。比如拉伸体、旋转体、扫描体、放样体。这些基本体在SolidWorks软件中称为特征，可以从无到有建立特征，也可以编辑特征。3.1箱体类零件建模 1 上端盖的建模 （1）单击标准工具栏上的“新建”，弹出“新建SolidWorks文件”的对话框。单击“零件” 按钮，再单击窗口中的“确定”按钮，单击工具栏中的“文件”命令及下拉菜单中的“保存”，输入文件名“上端盖”，再单击“保存”完成文件命名。(以下各尺寸均默认单位mm)（2）选择工具栏中的“草图绘制”按钮，选择绘图界面中的“前视基准面”，确定绘图基准面，单击“直线”按钮，在下拉菜单中选择“中心线”，以原点为中心，绘制一条水平线和竖直线。再单击“直线”按钮，绘制以原点为中心的长方形。再单击“直线”按钮，在下拉菜单中选择“中心线”，连接长方形的对角线，单击圆按钮，在对角线上的四个定点方向换四个圆，选择“智能尺寸”按钮，分别单击长方形边线的顶点，确定长度为50*60，选中绘制的四个圆，确定圆心的半径为3,圆心到中心的距离为32，单击“退出草图”，选择“特征”中的“凸台拉伸” ，拉伸长度设置为15，完成拉伸如图3.1。图3.1 上端盖螺纹孔拉伸 （3）选中凸台拉伸2面，单击绘制草图，单击圆按钮，以中心为圆心，绘制半径为15的圆，单击“退出草图”， 选择“特征”中的“凸台拉伸” ，拉伸长度设置为5，完成拉伸。选中凸台拉伸3面，单击绘制草图，单击“圆”按钮，以直线顶点为圆心，绘制半径为6的圆，单击“退出草图”， 选择“特征”中的“拉伸切除”，选择“完全贯穿”，铸造面倒圆角，完成如图3.2的零件图。3.2 上端盖三维建模生成图2 前端盖的建模 （1）单击标准工具栏上的“新建”，弹出“新建SolidWorks文件”的对话框。单击“零件” 按钮，再单击窗口中的“确定”按钮，单击工具栏中的“文件”命令及下拉菜单中的“保存”，输入文件名“前端盖”，再单击“保存”完成文件命名。 （2）选择工具栏中的“草图绘制”按钮，选择绘图界面中的“前视基准面”， 单击“直线”按钮，在下拉菜单中选择“中心线”，以原点为中心，绘制一条水平线和竖直线。再单击“直线”按钮，绘制以原点为中心的长方形。再单击“直线”按钮，在下拉菜单中选择“中心线”， 择“智能尺寸”按钮，分别确定草图长方形的长度，如图3.3，单击“退出草图”， （3）选择“特征”中的“凸台拉伸” ，拉伸长度设置为40，选中凸台拉伸面1，选择工具栏中的“草图绘制”按钮，单击“圆”按钮，以原点为圆心，绘制半径为20mm的圆，单击“退出草图”， 选择“特征”中的“拉伸切除”，深度为55mm,选择“特征”中的“凸台拉伸” ，拉伸长度设置为40，选中凸台拉伸面1，选择工具栏中的“草图绘制”按钮，单击“圆”按钮，以原点为圆心，绘制半径为80mm的圆，选择“特征”中的“凸台拉伸” ，拉伸长度设置为15mm。生成图3.4。50 图3.3 前端盖草图 图3.4前端盖三维建模生成图3.2 调流量端零件的建模 （1）单击标准工具栏上的“新建”，弹出“新建SolidWorks文件”的对话框。单击“零件” 按钮，再单击窗口中的“确定”按钮，单击工具栏中的“文件”命令及下拉菜单中的“保存”，输入文件名“调压弹簧”，再单击“保存”完成文件命名。 （2）选择工具栏中的“草图绘制”按钮，选择绘图界面中的“前视基准面”，选中圆按钮，将指针移动到草图原点，单击并移动指针，再次单击，完成元的绘制。 单击工具栏中的“智能尺寸”按钮，。选择圆，在左侧弹出的对话框中输入圆的半径为22.5mm，单击。 单击菜单栏“插入”“曲线”“螺旋线/涡旋线”，在弹出的螺旋线属性对话框中，设“定义方式”为“螺距”为4和“圈数”为10，单击确定。（3）选择右视基准面，单击草图工具栏中的“圆”按钮，将指针移动到螺旋线起点捕捉到该点，并单击移动指针完成圆的绘制。单击智能尺寸按钮设置圆的半径为3.5mm，单击，然后单击工具栏中的退出草图按钮。 （4）在command manager 特征中单击“扫描”按钮，将螺旋线设置为路径，同时将簧条圆设置为轮廓，在“扫描”对话框中单击确定。如图3.5，完成弹簧的三维造型，如图3.6。 图3.5 弹簧路径生成 图3.6 调节弹簧三维图3.3 定子环定位端零件的建模定子环固定端选用的是一个紧定螺钉，而紧定螺钉属于标准件，所以直接可以从solidworks工具库中选取。（1）单击标准工具栏上的“新建”，弹出“新建SolidWorks文件”的对话框。单击“零件” 按钮，再单击窗口中的“确定”按钮，单击工具栏中的“文件”命令及下拉菜单中的“保存”，输入文件名“紧定螺钉”，再单击“保存”完成文件命名。 （2）单击菜单栏“工具”“插件”，如图3.7在插件对话框软件产品中选择Solidworks Toolbox 和 SolidWorks Toolbox Browser,选择确定。图3.7 插件的选取 （3）单击绘图界面右侧的“设计库”按钮，然后依次在零件库中选择“Toolbox”“GB” “screws” “紧定螺钉”，选择“带长爪开槽定位螺钉”，右击选择生成零件，在左侧弹出的对话框中选择类型为M12，长度定为60mm。，单击确定。如图3.8。图3.8 紧定螺钉对于与之对应的六角螺母可以用同样的方法完成三维建模，选择时选用“螺母”“六角螺母”“球面六角螺母”如图3.9，在这里就不做介绍。图3.9 六角螺母的调用3.4 配油零件的建模（1） 转子三维图的建模图3.10 定子环（2）叶片三维图的模型图3.11叶片（3）配油盘的三维建模图3.12 叶片（4）转子的三维建模图3.13转子图4 单作用叶片泵的虚拟装配4.1 配油装置的装配（1）单击标准工具栏上的“新建”，弹出“新建SolidWorks文件”的对话框。单击“装配体” 按钮，再单击窗口中的“确定”按钮，单击工具栏中的“文件”命令及下拉菜单中的“保存”，输入文件名“装配体1”，再单击“保存”完成文件的命名。 （2）单击“插入零部件” ，在左侧“插入零部件”对话框中选择打开文档的“浏览”，在轴所在的文件夹中选取轴的零件图，将光标移至界面中央，单击鼠标插入轴零件，用同样方法插入键零件和转子零件图。 （3）单击装配体工具栏中的配合按钮，界面的左侧出现Property Manager,如图4.1，在界面的图形区域中选择轴上的键槽侧面和键的侧面，单击“重合”按钮，然后单击按钮完成键与轴之间侧面的配合。 用相同的方法，选取键与键槽地面，配合关系选择重合，键端面和键槽侧面，配合关系选择重合。 （4）选中转子轴配合的圆柱面，同时选中轴的圆柱面，单击“轴同心”按钮，再单击完成轴与转子同轴心的配合关系。 选取转子的上端面，在选择轴大直径端的端面，单击“距离”选项，设定距离值为55mm,再单击后完成整个轴与转子的配合。如图4.2。 图4.1配合关系的确定 图4.2 装配体14.2 调压装置零件之间的配合 调压装置主要是用来调压和单作用叶片泵的反馈工作的完成，在实体造型的过程中主要考虑到零件的密封性和弹簧的压力调节大小，来决定弹簧的长度和其承载压力的大小，所以调压端零件的尺寸主要是根据上面通过压力的计算而得到的尺寸完成图形的三维造型。 （1）单击标准工具栏上的“新建”，弹出“新建SolidWorks文件”的对话框。单击“装配体” 按钮，再单击窗口中的“确定”按钮，单击工具栏中的“文件”命令及下拉菜单中的“保存”，输入文件名“装配体2”，再单击“保存”完成文件的命名。 （2）单击“插入零部件” ，在左侧“插入零部件”对话框中选择打开文档的“浏览”，在调压装置所在的文件夹中选取弹簧的零件图，将光标移至界面中央，单击鼠标插入弹簧零件，用同样方法插入垫片垫圈和活塞的零件图。 （3）单击装配体工具栏中的配合按钮，界面的左侧出现Property Manager,在界面的图形区域中选择垫圈的圆柱面和垫片的圆柱面，单击“轴同心”按钮，然后单击按钮完成垫片1与垫圈的同心配合。用同样的方法完成垫片2的同心配合。 （4）选中垫片1和垫圈中的任意一个端面，在Property Manager中选中配合关系为“重合”，然后单击按钮完成垫片1和垫圈的重合关系的配合。用同样的方法确定垫圈和垫片2的重合关系，在选取垫片2的重合面时，选择没有凸台拉伸的一端即可。（5）选中活塞的圆柱面，再选取垫片1的圆柱面，配合关系为同心，单击按钮。 （6）选择设计树Feature Manager中的“前视基准面”，选中装配体中的“参考几何体” ，分别设置向上和向下的距离为32.5mm生成新的基准面，基准面4和基准面5。（7）单击装配体工具栏中的配合按钮，选择基准面4和垫片2的下端面，配合关系选为“重合”，单击按钮。用同样的方法确定活塞和基准面5的重合关系，完成调压装置零件之间的配合。如图4.3。 图4.3 装配体24.3 箱体配合零件的装配（1）单击标准工具栏上的“新建”，弹出“新建SolidWorks文件”的对话框。单击“装配体” 按钮，再单击窗口中的“确定”按钮，单击工具栏中的“文件”命令及下拉菜单中的“保存”，输入文件名“装配体3”，再单击“保存”完成文件的命名。（2）单击“插入零部件” ，在左侧“插入零部件”对话框中选择打开文档的“浏览”，在箱体装置所在的文件夹中选取前端盖、上端盖、后箱体的零件图，将光标移至界面中央，单击鼠标插入后箱体零件，用同样方法插入前端盖和上端盖的零件图。（3）单击装配体工具栏中的配合按钮，选中上端盖的圆柱面和后箱体配油端的圆柱面，配合关系选为“轴同心”，单击选项；再选中上端盖的底面和后箱体配油端的上端面，配合关系选为“重合” ，单击选项；最后选中上端盖的侧面面和后箱体配油端的侧面，配合关系选为“平行” ，单击选项。（4）单击装配体工具栏中的只能装配按钮，单击Porterty Manager中的“选择”对话框，如图4.4。将光标移至图形区域，并选中上端盖的四个螺纹孔，单击“添加”，选择“自动更新长度”，单击单击选项，完成智能扣件。 （5）重复上述操作，用同样的方法，就可以完成前端盖和后箱体的配合，最终生成装配体3。如图4.5。 图4.4 箱体智能扣件 图4.5 装配体34.4 总装配（1）单击标准工具栏上的“新建”，弹出“新建SolidWorks文件”的对话框。单击“装配体” 按钮，再单击窗口中的“确定”按钮，单击工具栏中的“文件”命令及下拉菜单中的“保存”，输入文件名“总装图”，再单击“保存”完成文件的命名。（2）单击“插入零部件” ，在左侧“插入零部件”对话框中选择打开文档的“浏览”，在三维零件装置所在的文件夹中选取装配体1、装配体2、装配体3的装配图、后配油盘、定位销，将光标移至界面中央，单击鼠标插入装配体1，用同样方法插入装配体2和装配体3的装配图。（3）单击装配体工具栏中的配合按钮，选取定位销的圆柱面和后箱体上销孔的圆柱面，配合关系选为“轴同心”，单击选项确定，选中定位销的端面和后箱体上销孔的端面，配合关系选为“重合” ，单击选项确定。用同样的方法确定另外一个定位销的配合关系。（4）进行装配体1和装配体3的装配，为了便于装配，需要将前端盖隐藏，具体方法是先选择设计树Feature Manager中的前端盖选中，后右击选中“隐藏零部件”选项，显示隐藏。 单击装配体工具栏中的配合按钮，选中轴的圆柱面，同时选中装配体3中后箱体直径为40mm的圆柱面，配合关系选为“轴同心”，单击选项确定，选中转子的右端面，同时选中后配油盘的左端面，配合关系选为“重合” ，单击选项确定。 （5）单击“插入零部件” ，在左侧“插入零部件”对话框中选择打开文档的“浏览”，插入轴承和弹簧卡环的零件图，如图4.6和图4.7，轴承和弹簧卡环是从标准件中调入，单击装配体工具栏中的配合按钮，选择轴承的内圆柱面与轴的圆柱面，配合关系选为“轴同心”，单击选项确定，选中轴承的内圆柱面的端面与轴的直径为40mm的端面，配合关系选为“重合” ，单击选项确定，完成轴承的配合关系。在选择弹簧卡环的内圆柱面和轴承的外圆柱面，配合关系选为“轴同心”，单击选项确定，选中弹簧卡环的端面和轴承外圈的端面，配合关系选为“重合” ，单击选项确定，完成卡环与轴承的配合。 图4.6 滚子轴承 图4.7 弹簧挡圈 （6）上端盖和后箱体的配合属于智能扣件，通过配合关系为“轴同心”确定同轴关系，选择四个螺纹孔，用智能扣件即可完成其配合，在这里不多做介绍。 （7）单击“插入零部件” ，在左侧“插入零部件”对话框中选择打开文档的“浏览”，插入调节螺杆和调节螺母的零件图，同时插入装配体2，单击装配体工具栏中的配合按钮，选择调节螺杆的螺纹和螺母的螺纹，选择“配合”“机械配合”“螺旋”，如图4.8，“圈数”为18，“距离/圈数”为2，单击选项确定，单击“插入零部件” ，在左侧“插入零部件”对话框中选择打开文档的“浏览”，选取装配体2的装配图，单击装配体工具栏中的配合按钮，选取垫片的端面，和螺杆的下端，配合关系选为“重合”如图4.9，单击选项确定，完成整个流量调节端的配合。 图4.8 螺栓的配合选取 图4.9螺母的定位（8）重复上述螺旋配合的方法，就可以完成固定端螺纹固定端和流量调节端螺纹的配合，同时用插入零件的方法插入定子环零件后，选择流量调节端和压力调节端的配合关系为“相切” ，完成定子环的配合。（9）用插入零件的方法插入叶片零件后，单击装配体工具栏中的配合按钮选择叶片的侧面和转子的端面，配合关系选为“重合” ，单击选项确定，选择叶片的正面和叶片槽面，配合关系选为“重合” ，单击选项确定，选择叶片的顶端的轮廓线，和叶片槽的内圆柱面，配合关系为“相切” ，单击选项确定，重复同样的操作后，可以完成其余十个叶片的装配。 至此，所有的装配都已完成，总装图如图4.10。图4.10总装图5 单作用叶片泵运动学及动力学分析5.1 对于叶片顶端的运动学分析 （1） 单击“工具”“插件”，如图3.20，选择SolidWorks Motion插件，然后单击确定按钮。 图5.1 运行插件 （2）单击“打开” ，选择“总装图”，导入要分析分析的装配体。 （3）选择1200选项卡，在Motion Manager中的算例类型中选“Motion分析”。（4）单击“马达” ，由于选定的电动机的转速为1460r/min，换算成频率为232.36RPM，“马达类型”选旋转马达，“零部件/方向”选轴端面，“运动”选等速，“速度”232.36RPM，单击选项确定。如图5.2。 （5）单击“阻尼”选项，“阻尼类型”选扭转阻尼，“阻尼端点“选取叶片1的顶端轮廓线和转子的内圆柱面，其余参数默认，单击选项确定，其余10个叶片的扭转阻尼，用同样的方法添加。 （6）单击选取“力/力矩”选项，类型选“力矩”，方向“作用力与反作用力”，“作用零件和零件作用点”选叶片和叶片槽重合的面，“相对于此的力”选所选零部件，其余默认，如图5.3，单击选项确定。 （7）至此，完成整个装配体的作用，如图5.4。 图5.1 添加马达 图5.2 添加力矩图5.3 motion分析的生成（8）单击结果和图例，“选取类别”选“位移/速度/加速度”，“选取子类别”选“线性速度”，“选取结果分量”选“X轴”，在选取叶片顶端的轮廓线，单击单击选项确定，单击“计算” ，生成叶片顶端的线性速度算例图解，如图5.4。 图5.4 线性速度曲线 单击结果和图例，“选取类别”选“位移/速度/加速度”，“选取子类别”选“线性加速度”，“选取结果分量”选“X轴”，在选取叶片顶端的轮廓线，单击单击选项确定，单击“计算” ，生成叶片顶端的线性加速度算例图解，如图5.5。 图5.5 线性加速度曲线单击结果和图例，“选取类别”选“位移/速度/加速度”，“选取子类别”选“角位移”，“选取结果分量”选“X轴”，在选取叶片顶端的轮廓线，单击单击选项确定，单击“计算” ，生成叶片顶端的角位移算例图解，如图5.6。图5.6 角位移曲线（9）验证速度方程，速度方程为位移方程对时间的一阶导数，即v=R,这与线性速度曲线相符。 验证加速度方程，速度方程为速度方程对时间的一阶导数，即，这与线性加速度曲线相符。5.2 转子动力学分析 （1）创建算例 我们要分析的是转子动力学的内容，因为Simulation作为SolidWorks的一款插件，在创建前需载入Simulation插件才能使用，在类型中选择“频率”，如图5.7，图5.7 Simulation新建算例界面（2）材料定义 在Simulation中，软件提供了许多常用材料供用户使用，操作者可以直接使用SolidWorks中的材料，在本例中所有零件的材料出箱体为铸造碳钢外，全部定义为“普通碳钢”，材料属性窗口见图5.8，（3）转子轴连接和支撑定义 本算例分析的是转子和轴键连接机构，为了保证运算精度，必须考虑到键的连接机制，对于轴的支撑使用到的是轴承，在机械设计手册中介绍，轴承的支撑属于刚性支撑，而在Simulation中，关于轴承的支撑定义为柔性支撑（见图5.9），使用者可根据精度要求全面的计算出来。其中径向载荷为79.42N.m,轴向载荷为218.24N.m。（4）外部载荷的定义 本算例中根据根据转子轴的实际运动情况，定义了一下三个外部载荷。 第一个载荷是转子所受的引力，对于引力的定义比较简单，选中转子模型，添加引力即可，引力值为默认值9.81m/s。 第二个载荷为离心力，由于转子轴做的是旋转运动，所以会产生离心力的作用，由上文可知电机的转速为1460r/min，即24.3r/min，同时确定轴的旋转方向即离心力的方向。 第三个载荷为为转子在轴两端的支撑载荷，默认100N/m。 （5）求解及结果分析 在设定好预定的载荷和约束之后，即可对模型进行求解，求解前要定义求解器的频率数，最终生成动力学图解。（见图5.9） 图5.8材料属性窗口图5.9 动力学图解 6 有限元分析6.1 转子的静态应力有限元分析（1） 创建算例打开“总装”文件，选择Simulation创建“新算例”，右击“算例1”，类型选“静应力分析”，选择重命名，输入“应力”(见图6.1)。 图 6.1 创建新算例（2） 指定材料属性在Simulation中，软件提供了许多常用材料供用户使用，操作者可以直接使用SolidWorks中的材料，在本例中所有零件的材料出箱体为铸造碳钢外，全部定义为“普通碳钢”