三缸单作用往复泵主机构的动力学仿真_李春明

Keywords:Mechanics;Reciprocatingpump;Multi-bodydynamics;Computersimulation
往复泵是厂矿 、 采油企业常用的一种泵型 。它的 工作原理是 借助 柱塞 在 液压 缸的 工作 腔 中的 往复 运
动 , 使工作腔的容积发生周期性变化 , 吸 、 排工作介 质 , 从而将 机械 能 转化 为液 压能 。 它 具有 突 出的 优 点 :输送介质十分广泛 , 吸入性能好 , 效率大 , 可获 得很大的出口压力 , 且流量与压力无关 。目前已广泛 应用于石油 、 化工 、 电力 、 冶金 、 航空 、 汽车 、 微机 械等关系到国民经济发展的各领域 。对其液流固有频 率 [ 1] 、 流量叠 加 [ 2] 的研 究对 于 机械 的 减震 具 有重 要 意义 。对于往复泵的动力 学问题 , 文 献 [ 3] 在 假设 曲柄匀速转动的情况下 , 研究了所需驱动力矩的变化 及运动副反力 。该内容常作为机械原理课程设计的题 目 [ 4] 。为了更真实地反映多缸往复泵的运动规律及受 力情况 , 有必要考虑实际因素对其进行动力学研究 。
l2 cosθ2 θ· 2 ·θ2 -l2 sinθ2 B(1)。
体 2质心的加速度 x¨2O、 y¨2O可由上述方法导出 :
x¨2O =A(3)θ¨1 +B(3) y¨2O =A(4)θ¨1 +B(4)
(13) (14)
其中 , A(3) =-l1 sinθ1 -l2asinθ2 A(1), B(3) =-l1 cosθ1 θ· 1 θ· 1 -
2、 3的输 入 端 分 别 为 A、 B、 C, 输 出 端 分 别 为 B、
C、 D, 其中 D为活塞与缸体的力作 用点 。体 1、 体 2
的输入端至 输出 端的 矢径 方向 与 X轴正 方向 的夹 角
表示其转角 θ1 、 θ2 , 体 3 只沿 X轴 方向做 往复 运动 。 由于存在闭环结构 [ 6] , 可采用降维违约修正方法求得 各体的动力学参数 。 令 IAB1 、 I 、 B1C1 IAC1分别为体 1、 2、 3的方向矢量 , 则
l2acosθ2 θ· 2·θ2 -l2asinθ2 B(1), A(4) =l1 cosθ1 +l2acosθ2 A(1),
B(4) =-l1 sinθ1 ·θ1 ·θ1 -l2asinθ2·θ2·θ2 +l2acosθ2 B(1), l2a为体
2输入端至质心的距离 。
1.3 动力学分析
在体的输入端 , 令其受到的运动副反力沿坐标轴
2010年 8月 第 38卷 第 15期
机床与液压
MACHINETOOL＆ HYDRAULICS
Aug.2010 Vol.38 No.15
DOI:10.3969 /j.issn.1001 -3881.2010.15.024
三缸单作用往复泵主机构的动力学仿真
李春明
(中国石油大学机电工程学院 , 山东东营 257061)
关键词 :机械学 ;往复泵 ;多体动力学 ;计算机仿真 中图分类号 :TH165.3 文献标识码 :A 文章编号 :1001-3881 (2010) 15 -073 -4
DynamicsSimulationoftheMainMechanism forTriplexReciprocatingPump
1 主机构及其动力学模型 油田用某型往复泵的主机构是 3个尺寸相同的对
心曲柄滑块机构 。由 于曲柄 全部 制造在 一个曲 轴上 , 且曲轴的刚度足够大 , 因此在分析中忽略曲轴的扭转 变形 , 认为 3个曲轴的旋转角度 、 角速度和角加速度 相同 。 3 个分机构的曲柄互成 120°对称 布置 , 其机构 运动简图 见图 1。其 中体 1 为 曲 柄 , 属多 端 刚体 [ 5] ; 体 2、 4、 6 为连杆 ;体 3、 5、 7 为活塞 (滑块 )。
LIChunming (CollegeofMechanicalandElectronicEngineering, ChinaUniversity
ofPetroleum, DongyingShandong257061, China)
Abstract:Triplexreciprocatingpumpisthekeyequipmentinoilandminemachine.Inordertomakeintensionanalysis, structuredesignorperformanceoptimizationconveniently, itsmainmechanism wassimplifiedtoamulti-rigid-bodydynamicssystem.Consideringsomepracticalfactors, suchasthemechanicalcharacteristicsofelectromotorandthemediumresistanceonpiston, andtaking theorientingangleofcrankandforcesofkinematicpairsasvariables, thedynamicsmodelwasestablished.Theactualmotionlawof themainmachineandthechangelawoftheforcesofkinematicpairsweregottenwithdynamicsmethodbasedonRunge-Kuttamethod. Themediumresistanceonpistonwithstepcharacteristicshadanunobviouseffectbecauseitappearedattheplacewithzeropistonvelocity.Thespeedfluctuationcoefficientofthecrankis0.049, accordingwiththepracticewell.Thestudyresultsaresignificantfor thespeedfluctuationstudy, balancewheeldesign, componentintensionstudy.
驱动力矩 MD的作用而吸收能量 。在一个 运动周 期之
内 , 机构输入的能量与输出的能量相等 , 即
∫2π
0 MDdθ1 =3· FZ· 2l1
(1)
式中 :θ1 为曲柄转角 , l1 为曲柄长度 。如果机构受到
常量的等效驱动力矩 MEq作用 , 则 [ 4]
MEq =3·F2Z·π2l1
(2)
动力机的输出转矩通常与转速有关 , 两者的关系
FX B2
-l1 cosθ1
+2π 3
FY B2
+l1 sin
θ1
+4π 3
FX B3
-
第 15期
李春明 :三缸单作用往复泵主机构的动力学仿真
(10)
可导出
θ¨2 =A(1)θ¨1 +B(1)
(11)
x¨ C1
=A(2)θ¨1 +B(2)
(12)
其中 , A(1) =-ll12 ccoossθθ12 , B(1) =l1 sinθ1 θ· 1 ·θl21c+oslθ22sinθ2 ·θ2 θ· 2 ,
A(2) = -l1 sinθ1 -l2 sinθ2 A(1), B(2) = -l1 cosθ1 ·θ1 θ· 1 -
图 1 三缸 往复泵主体机构示意图
收稿日期 :2009 -07 -20 基金项目 :山东省自然科学基金项目 (Q2006A08) 作者简介 :李春明 (1971— ), 男 , 博士后 , 副教授 , 主要研究领域为机械动力学与振动 。电话 :0546 -8399143,
Lchming@。
E-mail:
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机床与液压
第 38卷
1.1 相关假设
为了较好地描述三缸往复泵的运动特性和受力情
况 , 须首先建立其动力学模型 。建模之前有必要对一
些实际情况进行简化和假设 。
首先 , 各 体 在工 作 过程 中 变形 较 小 , 可 视为 刚
体 , 因此 , 将该机 构简 化为 多 (七 )刚体 动 力学 系
方向为正 , 在体的 输出 端 , 令其 逆坐标 轴方向 为正 。
动力学方 程中的 未知量 为 :θ¨1 , A处运 动副反 力 FX A、
FY A,
B1 、 B2 、
B3 处 运 动 副 反 力
FX B1
、
FY B1
、
FX B2
、
FY B2
、
FX B3
、
FY B3
,
C1 、
C2 、
C3 处 运 动 副 反 力
I +I =I AB1
B1 C1
AC1
将其向 X、 Y方向投影 , 得到方程
(5)
xC1 =l1 cosθ1 +l2 cosθ2 yC1 =l1 sinθ1 +l2 sinθ2
(6)
式中 :l1 、 l2 分 别为 体 1、 2 的 长度 , xC1 、 yC1 (yC1 =
0、
y · C1
=0、
y¨ C1
=0)分 别为 点
C1 的
X、
Y方向 位移 。
可导出
θ2 =arcsin -l1 sli2nθ1 ∈
-π2 ,
π 2
将式 (6)对时间求导得
(7)
x · C1
=-l1 sinθ1 θ· 1
-l2 sinθ2 ·θ2
y · C1
=l1 cosθ1 θ· 1
+l2 cosθ2 θ· 2
=0
可导出
(8)
θ· · 2
摘要 :三缸单作用往复泵 是石油矿场机械中的关键机器 。 为便于对其 进行强度 分析 、 结构设 计 、 性能优化 等 , 将其主 机构简化为多刚体动 力学系统 。 考虑电动机的机械特性 、 活塞阻力等实际 因素 , 以泵轴 转角 、 运动副 反力为变 量 , 建立其 动力学模型 。 采用基于龙格 -库塔法的动力学研究方法获得其真实运动规律 和各运动副 反力变化 规律 , 经仿真 验证 , 计算 结果可信 。 介质阻力具有阶跃特性 , 是该力在活 塞速度为 0的位置 变化 , 因此 冲击效果不 明显 。 速度波 动的不均匀 系数为 0.049, 与实际情况符合较好 。 研究结果为进一步考虑摩擦阻 力 、 泵阀开启 和关闭等 实际因素 , 以及 定量地研 究速度波 动 、 飞轮设计 、 构件强度等提供基 础 。