偏心柱塞泵仿真分析

机构运动与仿真课程论文机构仿真技术与实例—偏心柱塞泵仿真分析

专业：机械设计制造及其自动化

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目录

1概述 (1)

1.1柱塞泵的工作原理 (1)

1.3实现软件简介 (2)

2柱塞泵的结构设计 (3)

2. 1柱塞泵实体造型 (4)

2. 2柱塞泵装配 (5)

2.3 仿真及仿真结果分析 (6)

2. 4有限元分析 (8)

3结语 (9)

4课程感受 (9)

参考文献： (10)

偏心柱塞泵仿真分析

随着计算机辅助设计技术的飞速发展与功能的不断完善，工程技术人员的设计方法和手段越来越丰富。尤其是三维CAD/CAM软件的广泛应用与普及，使现代机械产品设计逐步进入了三维时代。三维设计具有形象、直观、精确、快速的特点，在新产品开发的方案设计、结构分析、产品性能的评估、确定和优化物理样机参数的过程中能够起到决定性作用，并为新产品研发一次成功，提供了强有力的技术支持。

Solidworks motion是基于Windows环境的参数化三维实体造型软件。为广大工程技术人员在单一的Windows界面上无缝集成了实体造型、有限元分析和优化设计、虚拟装配、三维机构运动仿真、运动干涉检查、工艺规程生成、数控加工、三维实体图转化二维工程图和产品数据共享与集成等多种多样的功能。

1概述

1.1偏心柱塞泵的工作原理

柱塞泵是液压系统的一个重要装置。它依靠柱塞在缸体中往复运动，使密封工作容腔的容积发生变化来实现吸油、压油。柱塞泵具有额定压力高、结构紧凑、效率高和流量调节方便等优点，被广泛应用于高压、大流量和流量需要调节的场合，诸如液压机、工程机械和船舶中。

柱塞泵是往复泵的一种，属于体积泵，其柱塞靠泵轴的偏心转动驱动，往复运动，其吸入和排出阀都是单向阀。当柱塞外拉时，工作室内压力降低，出口阀关闭，低于进口压力时，进口阀打开，液体进入；柱塞内推时，工作室压力升高，进口阀关闭，高于出口压力时，出口阀打开，液体排出。当传动轴带动缸体旋转时，斜盘将柱塞从缸体中拉出或推回，完成吸排油过程。柱塞与缸孔组成的工作容腔中的油液通过配油盘分别与泵的吸、排油腔相通。变量机构用来改变斜盘的倾角，通过调节斜盘的倾角可改变泵的排量。

偏心柱塞泵是曲轴的旋转运动，并通过曲轴上的偏心销带动柱塞做往复运动，同时又迫使圆盘做摇摆运动，从而使泵体内液体增压。泵体上方有吸油口和排油口。

图1 偏心柱塞泵机构简图

1.2实现软件简介

solidwork软件功能强大，组件繁多。Solidworks有功能强大、易学易用和技术创新三大特点，这使得SolidWorks 成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，而且对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。

对于熟悉Windows系统的用户，基本上就可以用SolidWorks 来搞设计了。SolidWorks 独有的拖拽功能使用户在比较短的时间内完成大型装配设计。SolidWorks资源管理器是同Windows资源管理器一样的CAD文件管理器，用它可以方便地管理CAD文件。使用SolidWorks ，用户能在比较短的时间内完成更多的工作，能够更快地将高质量的产品投放市场。在目前市场上所见到的三维CAD解决方案中，SolidWorks是设计过程比较简便而方便的软件之一。”在强大的设计功能和易学易用的操作协同下，使用SolidWorks ，整个产品设计是可百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的。

2偏心柱塞泵的结构设计

2. 1柱塞泵实体造型

solidworks是以基于特征、参数化设计和单一数据库而著称于世,工程设计人员采用具有智能特性的特征生成模型, 如凸台( Pad ) 、筋( Ribs) 、倒角(Chamfers)和抽壳( Shells)等,特征的参数通过符号式赋予形体尺寸,任何一个参数改变,其也相关的特征也会自动修正,这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。

齿轮泵造型的过程就是对每个零部件进行三维模型设计的过程。按照设计的要求,利用solidworks中的凸台、旋转、阵列、圆角等基本操作建立齿轮泵各个零件三维模型。当模型参数尺寸进行更改时,三维模型的形状,也会随之做相应的改变。进行实体造型后,零件的体积、重心及质量只要通过查看物理特性就可以列表形式表示出来,提高了设计的工作效率。所建零件模型如图2所示。

图二曲轴

图3 泵体三维零件模型图

2. 2偏心柱塞泵装配

solidworks是一个参数化组装管理系统,能提供用户自定义手段去生成一组组装系列及可自动地更换零件。柱塞泵是一个复杂的部件,包含泵体、泵盖、轴和曲轴、标准件等,根据已经建立的零件3D模型,按照各零部件装配位置关系,利用对齐、重合、同轴等约束关系,在工作台上建立柱塞泵虚拟装配体系结构。所建的柱塞泵装配模型如图3所示。柱塞泵装配模型爆炸视图如图4所示。

图4 偏心柱塞泵装配模型 图5 柱塞泵装配模型爆炸视图

2.3仿真及仿真结果分析

采用solidworks 进行三维设计，然后用Motion/simulation 进行运动和动力学仿真分析，从而验证、修改、优化设计方案，使得以前需要组织研究团队，进行复杂设计计算，制造物理样机验证结果的设计过程大大简化，一个人在极短的时间就可以完成完整且具有说服力的机械设计方案。

仿真步骤一般为：首先，用solidworks 进行三维造型、装配；其次，转到Motion ，装配约束将自动转化为仿真模型约束；最后，添加必要的驱动力、工作阻力以及Motion 特有的其它约束，建立仿真模型，就可以模拟机械运行状况，对机器进行运动和动力分析。

作用在曲轴上的旋转马达100RPM,作用在柱塞上阻力1000N 。

图6 驱动曲轴所需的力矩,

图7驱动曲轴所需的能量102W

基于转矩和能量信息，可以选择一电动机驱动曲轴。

图8柱塞在Y 方向的位移L 为20mm

柱塞每往复一次的理论排液体积V 为L V D 24

π

==AL=9812.5mm 3 柱塞泵的理论流量q 为 q=60

v n =16354s mm 3 2. 4 有限元分析

有限元分析结果已经成为工业界所承认的事实标准, simulations 是集静态、动态结构分析于一体的有限元模块,它使我们对柱塞泵关键部件(如泵体、曲轴、柱塞等)设计模型在真实的环境下的结构性能进行评估、研究和优化。齿轮有限元分析结果如图11所示,通过对齿轮零件模型进行材料、载荷、约束等定义,分别建立齿轮的静态和模态分析,从分析的结果中寻找齿轮破坏的敏感参数,针对这些敏感参数进行优化设计,从而得到改进后的齿轮结构。

图9 曲轴有限元分析云图

曲轴材料为合金钢，最大应力505MPa ，