（流体机械及工程专业论文）往复泵曲轴有限元分析及疲劳寿命计算.pdf

学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密盯。 学位论文作者签名：砌写坪 b i f 年易月c k 日 指导教师躲h 吃欢 沙f 年舌月，年日 往复泵曲轴有限元分析及疲劳寿命计算 f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sa n df a t i g u e l i f ec a l c u l a t i o no f c r a n k s h a f tu s e di nr e c i p r o c a t i n gp u m p 2 0 11 年6 月 学位论文 摘要 曲轴是往复泵中最重要的受力零件之一，曲轴的疲劳失效及断裂将引起其它 零件随之损坏，甚至造成安全事故。随着往复泵向高压、大型化发展，对其可靠 性、寿命以及经济性要求也随之提高，准确计算往复泵曲轴的疲劳寿命显得尤为 重要。目前国内外中小型化肥厂甲铵泵、液氨泵大部分为传统的往复泵产品，其 曲轴采用传统的设计方法，多数都存在选用的安全系数过大，以致整机庞大、价 格高等问题。本文结合中小型化肥厂甲铵泵、液氨泵扩容改造项目，引入现代动 力学仿真及有限元分析技术，对甲铵泵、液氨泵的动力端曲轴进行分析，通过疲 劳强度计算的结果，来判断机组是否具有扩容的可能性，此举对化肥生产企业节 省设备投资具有较强的实际意义。 本文主要完成了以下研究工作。 1 介绍了曲轴的运动学和动力学理论，对曲轴的运动参数和动力参数进行 理论计算，并通过p 删g 矾e e rw i l d f h 中自带的机构运动仿真模块 m e c h a n i s m 对曲轴轴系进行多体动力学仿真。得到了往复泵机组的各个 零件的运动规律曲线和载荷曲线，将理论计算结果和仿真结果进行对比， 结果表明在运动学计算中理论计算和仿真结果吻合很好，动力学理论计 算比仿真结果偏小。将仿真载荷谱作用在相应的曲柄销上，为曲轴瞬态 动力学分析加载奠定了基础。 2 应用有限元分析软件，在不考虑加载的情况下对曲轴进行模态分析。提 取了曲轴的前十个固有频率和振型，并计算临界转速。结果表明，曲轴 在工作范围内不会产生共振，模态分析的振型为瞬态动力学模态叠加分 析做准备。 3 运用实体建模软件建立曲轴的三维模型并计算截面模数，运用有限元法 计算应力分布状况，能准确地求取曲轴主轴圆角和连杆颈圆角的应力集 中系数。 4 介绍了曲轴载荷加载理论，利用有限元分析软件对整体曲轴进行瞬态动 力学。得出曲轴应力云图和应力最大、最小节点应力值，找出最大应力 往复泵曲轴有限元分析及疲劳寿命计算 点及其相应的节点位置，即最危险点。为曲轴的疲劳寿命分析做准备。 5 对曲轴进行疲劳寿命和安全系数计算。计算结果表明，该三缸往复泵用 曲轴安全系数过大，动力端具有扩容空间，甲铵泵、液氨泵产品存在较 大的优化潜力。将柱塞直径由8 0 m m 提高到8 6 m m ，流量由4 0 m 3 h 增大 到4 6 m 3 h ，达到了扩容的目的，这样柱塞力就增加1 5 ，重新计算扩容 后的连杆力，再次进行有限元分析，计算曲轴的安全系数，结果表明曲 轴能满足要求。 经实例验证，基于多体动力学和有限元分析的往复泵曲轴疲劳强度校核方法， 是一种高效、可靠的方法。为往复泵曲轴的优化设计提供了有价值的指导能够 提高传统产业的设计水平，促进产品的更新换代。 关键词：曲轴，有限元，应力，安全系数 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t c r a n k s h a f ti st h em o s ti m p o r t a n tl o a d e dp a r ti nr e c i p r o c a t i n gp u m p ，t h ef a i l u r e b yf a t i g u ea n df r a g m e n t a t i o no fc r a n k s h a f tw i l ll e a dt ot h ed a m a g eo f t h eo t h e rp a r t s a l o n gw i t hi t ，a n de v e ns a f e t ya c c i d e n t a sr e c i p r o c a t i n gp u m pd e v e l o pt o w a r d sh i 。g h p r e s s u r ea n dl a r g e s i z e d , a n dt h ei n c r e a s e dr e q u i r eo fr e l i a b i l i t y 、l o n g e v i t ya n d e c o n o m i c a l ，a c c u r a t e l yc o m p u t et h ef a t i g u el i f eo fc r a n k s h a f ：ti nr e c i p r o c a t i n gp u m p b e c o m e st ob ee s p e c i a l l yi m p o r t a n t a tp r e s e n t , m o s to fm e t h y l a m i n ep u m p sa n d a n a m o n i ap u m p sa r et r a d i t i o n a lr e c i p r o c a t i n gp u m p si ns m a l la n dm e d i u mf e r t i l i z e r p l a n t sa th o m ea n da b r o a d b e c a u s eo ft h et r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o d s ，t h es a f e t y f a c t o r so fm o s tc r a n k s h a f t sa e x c e s s i v e ，a n di tw i l ll e a dt os o m ep r o b l e m ss u c ha s t h eh u g em a c h i n ea n dt h eh i g hp r i c e t h i sa r t i c l ec o m b i n e sw i t ht h ed i l a t a t i o na n d r e f o r mp r o j e c to fm e t h y l a m i n ep u m p sa n da m m o n i ap u m p si ns m a l la n dm e d i u m f e r t i l i z e rp l a n t s i n t r o d u c i n gt h em e t h o d so fm o d e md y n a m i c ss i m u l a t i o na n df i n i t e e l e m e n ta n a l y s i st oa n a l y z et h ep o w e re n do fc l a l k s h a ri nm e t h y l a m i n ep u m p sa n d a m m o m ap u m p s t h r o u g ht h ec o m p u t i n gr e s u l t so ff a t i g u es t r e n g t h , t oj u d g et h e p o s s i b i l i t yo fd i l a t a t i o n , a n di tw i l lb es t r o n gp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ef o rf e r t i l i z e r p r o d u c t i o ne n t e r p r i s e st os a v et h ee q u i p m e n ti n v e s t m e n t t h i sa r t i c l em a i n l yc o m p l e t e dt h ef o l l o w i n gr e s e a r c h e s 1 t h ek i n e m a t i c sa n dd y n a m i c st h e o r i e so fc r a l l k s l l a f tw e r ei n t r o d u c e d ，a n d t h e o r e t i c a lm o t i o na n dk i n e t i cp a r a m e t e rw e r ec o m p u t e d t h ek i n e t i c so fr i g i db o d y a n dd y n a m i c ss i m u l a t i o nt oc r a n k s h a f is y s t e m sw e r ec o m p l e t e dt h r o u g hp r o e n g i n e e r w i l d f i r e4 0 ，t h eg r a p h so fm o t i o na n dl o a d i n g so fv a r i o u sp a r t so ft h ec r a n k s h a f t w e r eo b t a i n e d 硼1 er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h er e s u l t so ft h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n d s i m u l a t i o na l ei d e n t i c a l ，a n dt h a tt h ef o r m e ri sl e s st h a nt h el a t t e ro nt h es m a l ls i d e t h ee f f e c to fs i m u l a t i o nl o a ds p e c t r u mo nh o m o l o g o u sc r a n k p i nw i l ll a yaf o u n d a t i o n f o rs n a p s h o tm e c h a n i c sa n a l y s i so fc r a n k s h a f t 2 m o d a la n a l y s i so fc r a n k s h a f tw a sc o m p l e t e d t h ef r o n tt e nc r a l l k s h a n i n h e r e n tf r e q u e n c ya n dm o d e so fv i b r a t i o nw e r ep i c k e du p ，a n dt h ec r i t i c a ls p e e dw a s 往复泵曲轴有限元分析及疲劳寿命计算 o b t a i n e d t h er e s u l t ss h o wt h a tc r a n k s h a rw i l ln o tr e s o n a t ea n dp r e p a r ef o rs n a p s h o t m e c h a n i c sa n a l y s i si nw o r k i n ga r e a s 3 t h et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lo fc r a n k s h a f tw a sb u i l t , a n dt oc a l c u l a t e d i s t o r t i o na n ds t r e s sd i s t r i b u t i o nu s ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t h e nw ew i l lg e ta c c u r a t e f l e x u r a lr i g i d i t y , t o r s i o ns t i f f n e s sa n ds t r e s sc o n c e n t r a t i o nf a c t o ro ff i l l e t 4 tr a n s i e n td y n a m i c sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sw a sc o m p l e t e dw i t ht h ew h o l e c r a n k s h a r ，i n t r o d u c e dt h ec r a n k s h a f tl o a d - o nt h e o r y a f t e rt h ea n a l y s i so fc r a n k s h a f i s t r e s sc o u l dp i c t u r ea n dt h eg r e a t e s ta n ds m a l l e s tn o d es t r e s sv a l u e ，if m dt h eg r e a t e s t s t r e s sa n dt h ec o r r e s p o n d i n gn o d e sl o c a t i o n ( t h em o s td a n g e r o u sn o d e ) ，i tw i l lb e p r e p a r e df o rt h ea n a l y s i so fc r a n k s h a f tf a t i g u el i f e 5 t od oc a l c u l a t i o no ff a t i g u el i f ea n ds a f e t yf a c t o ro fc r a n k s h a 缸a n dt h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h ec r a n k s h a f ts a f e t yf a c t o ro fr e c i p r o c a t i n gp u m pi st o ol a r g e ，t h ep o w e r e n d s h a v eg r e a t e ro p t i m i z a t i o np o t e n t i a l t h ep l u n g e rd i a m e t e rf r o m8 0 m mt o8 6 r a m ， t h ep u m pp l u n g e rf o r c ee x p a n d15 w a sc o m p u t e da g a i n , t h er e s u l t ss h o wt h a t c r a n k s h a f ts a f e t yf a c t o rm e e td e m a n d a f t e rv e r i f i c a t i o n , t h ec h e c km e t h o do ff a t i g u es t r e n g t hi nr e c i p r o c a t i n gp u m p s ， b a s e do nm u l t id y n a m i c sm o d e l i n ga n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，i sa ne f f i c i e n ta n d r e l i a b l em e t h o d i tw i l l p r o v i d ev a l u a b l eg u i d a n c ew i t ho p t i m i z a t i o nd e s i g no f r e c i p r o c a t i n gp u m p sc r a n k s h a f t ，a n di tw i l lb eu s e dt oi m p r o v et h ed e s i g nl e v e lo f t r a d i t i o n a li n d u s t r i e sa n dt op r o m o t et h eu p g r a d i n go f p r o d u c t s k e yw o r d s ：c r a n k s h a f t ；f i n i t ee l e m e n t ；s t r e s s ；s a f e t yf a c t o r i v 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 目录 1 1 1 课题来源和意义l 1 2 国内外曲轴强度研究综述2 1 2 1国内外曲轴强度研究情况2 1 2 2 目前曲轴强度研究重点分析3 1 3 曲轴强度的研究方法3 1 3 1 试验分析3 1 3 2 计算分析。4 1 4 本课题的研究内容一4 第二章曲轴动力计算与运动仿真6 2 1机构仿真的工作流程。7 2 1 1 机构运动设计工作流程7 2 1 2 机构动力分析流程8 2 2 曲柄连杆机构运动学8 2 2 1曲轴轴系运动学模型的建立8 2 2 2 伺服机的定义及曲轴轴系运动学分析1 0 2 3 曲柄连杆机构动力学。1 4 2 3 1 曲柄连杆机构受力分析1 4 2 3 2 曲轴轴系动力学仿真1 5 2 4 本章小结l7 第三章曲轴三维模型的建立和有限元模态分析1 8 3 1 曲轴模态的分析意义和原理1 8 3 2a n s y s 固有特性的计算方法1 9 3 3 曲轴有限元模型2 0 3 3 1 曲轴三维模型的建立2 0 3 3 2 曲轴模态计算结果及分析2 1 本章小结2 3 第四章应力集中系数计算 4 1 圆角扭转应力集中系数的计算。2 4 4 2 圆角弯曲应力集中系数的计算。2 5 4 3 载荷状况和边界条件2 5 v 往复泵曲轴有限元分析及疲劳寿命计算 4 4 计算结果一2 7 4 5 本章小结2 8 第五章曲轴瞬态动力学分析和疲劳强度计算 5 1 原机组的瞬态动力学分析。3 0 5 2 计算结果的提取及危险相位的判定3 4 5 2 1 计算结果的提取3 4 5 2 2 危险截面的判定3 5 5 3 静强度校核。3 7 5 4 疲劳强度校核。3 8 5 4 1 仃n 、f 口的选择3 9 5 4 2 疲劳安全系数计算4 0 5 5 曲轴疲劳寿命计算4 1 5 5 1 疲劳设计准则及方法。4 2 5 5 2 基于a n s y s 的疲劳寿命计算。4 3 5 6 机组扩容计算4 7 5 7 第六章 6 1 6 2 参考文献 致谢 5 6 1 静强度校核4 7 5 6 2 疲劳强度校核4 9 本章小结5 0 总结与展望5 1 总结。51 展望。51 攻读硕士期间发表的学术论文 v i 5 3 5 6 5 7 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题来源和意义 第一章绪论 近年来，随着粮食价格的上涨，农民为了提高产量，增加收入，导致农业对 化肥需求量的持续增长，很多化肥生产企业纷纷扩大生产规模，来满足国内、国 际市场的需求。但由于市场对氮肥需求的不稳定性，很多中、小化肥生产企业是 通过对现有装置的设备进行扩容改造来增加产能。甲铵泵、液氨泵是合成氨和尿 素生产装置中的关键设备，其可靠性、寿命以及经济性影响整个化肥生产安全及 产品的生产成本，目前在用的很多都是传统的往复泵产品。 曲轴作为往复泵动力端中关键的受力零件，它的可靠性严重影响着往复泵整 机的可靠性、寿命以及经济性。我国往复泵整机庞大、成本过高。随着原材料价 格的不断上涨以及建设资源节约型社会的要求，迫切需要寻找一种高效、可靠的 疲劳安全系数和寿命计算方法，以提高传统产业的设计水平，促进产品的更新换 代。同时，当企业需要对现有设备进行扩容改造时，需要能快速、准确的提供判 断依据的分析方法。 本文就是在这样的背景下，通过对某化肥厂一套机座能力为2 0 k n 柱塞力的 三缸液氨泵曲轴的分析计算，给出了可安全扩容的范围。 往复泵机组扩容液力端改造，是目前很多中、小化肥生产企业用于扩大产能 的比较快捷、经济的方法，对于甲铵泵、液氨泵，除增加电机功率外，主要是通 过增加往复泵液力端柱塞直径来达到增大流量的目的。随着柱塞直径的加大，柱 塞力增加，动力端曲轴所受连杆力也增加，因此有必要对曲轴进行疲劳强度计算 来判断机组扩容是否可行。往复泵机组扩容液力端改造不仅为企业节省了设备投 入资金，而且又避免了需求淡季设备闲置，符合国家节能减排的要求。通过理论 分析计算出的安全系数，经过现场验证合格后，可以为后续曲轴设计提供参考， 降低曲轴和整机的重量和生产成本。表l 是改造前液氨泵的主要参数，表2 是改 造后液氨泵的主要参数。 往复泵曲轴有限元分析及疲劳寿命计算 表1本课题所改造的液氨泵扩容前的主要参数为： 排出压力( m p a )柱塞直径( 哪) 柱塞力( n ) 4 08 0 2 0 1 0 6 2 行程( m m )转速( r r a i n )流量( m 讪 1 8 0 2 6 5 4 0 表2 扩容后液氨泵的主要参数 排出压力0 v t p a )柱塞直径( 衄) 柱塞力o r ) 4 08 62 3 1 2 2 1 行程( 衄)转速( r r a i n ) 流量( m 3 h ) 1 8 02 6 54 6 1 2 国内外曲轴强度研究综述 1 2 1国内外曲轴强度研究情况 国外对曲轴的研究起步较早，上世纪由于航空业的迅猛发展，掀起了发动机 曲轴疲劳强度研究的热潮。前联邦德国的斯塔耳( g s t a i d ) 在1 9 5 7 5 8 年对曲 轴进行了最早的比较系统的参数试验【1 】【2 】，他通过测量得到了曲轴单拐的四个主 要参数对圆角形状系数( 即理论应力集中系数) 的影响曲线。前苏联的列金很早 就从事以曲轴为重点的结构强度研究工作，他在1 9 6 0 年发表了关于曲轴圆角处 形状系数的计算方法，该方法的突出优点之一是包含了空心轴颈的研究，并且它 是建立在比较系统的理论研究的基础上的，因此列金所提出的计算方法得到了广 泛应用。 近年来随着计算技术的发展，国外对曲轴强度的研究主要集中在利用大型有 限元软件对曲轴进行动态特性分析，这种分析方法与试验测量结果吻合度较高。 l i d a 3 j 和b u c k e n s 4 j 等研究了由于传动比变化引起的横振动和扭转振动的耦 合，其研究表明轴系的固有振动频率会因为耦合效应而发生变化。 国内曲轴强度的研究起步较晚。而且早期的曲轴强度研究主要通过试验的方 法对曲轴进行应力的测量和圆角应力集中系数的计算，由于试验费高、试件少， 计算结果差异较大，没有建立起系统的计算方法。近年来王海丽、华吴【5 】等人通 过有限元分析软件对曲轴的圆角集中系数进行了计算，这种方法与传统的试验方 法相比更经济、准确。 2 江苏大学硕士学位论文 为了提高往复泵曲轴的设计和计算效率，蒋小平、朱传修等人【6 】开发了往复 泵设计计算系统，把人们从繁琐的计算中解放出来。倪孟岩【刀对曲柄连杆的动态 特性进行了研究，更深入的研究了曲轴的受力状况。 1 2 2 目前曲轴强度研究重点分析 当前曲轴轴系研究的焦点主要集中在轴系的动态特性上。曲轴振动特性的研 究概括起来有以下几点： 1 计算模型越来越精确，从集中参数模型逐步向分布参数模型过渡； 2 考虑到了多物理场的耦合问题，分析模型涉及的物理问题越来越复杂。 3 老的计算方法不断被完善，新的高精度、高效算法也不断被开发出来。 这些都为曲轴动态特性的深入研究打下了坚实的基础。当然以目前的研究水 平来看，按现有的计算模型和计算方法所做的曲轴疲劳强度计算和直长轴疲劳强 度计算相比，还有一定差距，主要体现在以下两点： 1 未考虑曲轴轴承对轴系的影响，目前国内的曲轴疲劳研究中较少考虑曲 轴轴承油膜的刚度和阻尼，只是把轴承当作刚性支点考虑。有的文献虽然考 虑了轴承的阻尼和刚度，但是所用数据的准确性也存在问题。 2 进行疲劳寿命分析时很难找到与曲轴形状完全匹配的s - n 曲线。s - n 曲 线的试验费时费力，大多的s - n 曲线循环次数较少，不能对使用寿命较长的 构件进行有效的校核。 1 3 曲轴强度的研究方法 研究曲轴疲劳强度的方法有以下两种：一种是试验分析方法；另一种是计算 分析方法。 1 3 1 试验分析 实物试验是研究曲轴强度的一种有效方法。通过静态试验能够全面地研究曲 轴中应力的分布状况以及各种相关因素对曲轴强度的影响，通过动态试验则可以 得到曲轴在实际支承和润滑条件及受载工况下的真实强度，试验研究方法一般可 以分为下列三种： 1 电阻应变片测量法【阳 3 往复泵曲轴有限元分析及疲劳寿命计算 该方法可以测量在受到实际载荷时的应力分布，但它只能测量粘贴应力片表 面处的平均应力，而不能测量构件内部的应力，故只用于对理论计算的验证。 2 三维光弹性应力分析【9 1 该方法能够比较准确地提供曲轴在弯、扭载荷下的应力分布状况。可以方便 地求出曲轴主轴颈圆角和连杆圆角的应力集中系数，操作简单、试验费用低。但 是试验精度低，只能进行定性分析，多用来比较多种方案的优劣。 3 疲劳强度试验【1 0 】【l l 】 曲轴疲劳强度试验是最为可靠和直观的一种曲轴强度研究方法。该方法在试 验台架上模拟往复泵运转时曲轴的实际工作状况，可以较完整地考核曲轴在一定 材料、结构和工艺处理下的真实承载能力，直接得到曲轴的实际疲劳极限和安全 系数。常见的曲轴疲劳强度试验方法包括机械激振法和电磁共振法等。目前国内 机构多采用机械激振法，该方法的优点是设备费用低廉并且实现容易，但其缺点 是载荷及试件失效监测困难、控制精度低、试验费用较高及工作效率低。电磁共 振法能够高效率、高精度、低能耗( 成本) 地进行疲劳试验，其加载稳定直观， 且能自动监测初始裂纹，可以实现自动化试验，目前在国内外已被广泛应用。 1 3 2 计算分析 曲轴强度的试验研究固然具有直观、可靠、贴近实际等特点，但只能在试件 制造完成后进行试验，不能在曲轴设计之初对曲轴的强度进行预测，影响产品开 发的周期。所以，研究者们很早就致力于用计算分析的方法来预测和研究曲轴强 度。目前曲轴强度的计算分析都归结为疲劳强度计算，常用的分析软件如： a d a m s 、a n a s y s 等，其分析步骤可以分为两步： 1 计算作用于曲轴危险截面上的各种内力内力矩，进而求出危险点的名义应 力和实际工作应力； 2 在应力计算的基础上进行疲劳强度( 疲劳安全系数和疲劳寿命) 的计算。 1 4 本课题的研究内容 本文结合某化肥厂液氨泵扩容改造项目，根据客户提出的要求，在转速不变 的情况下，使流量由4 0 m 3 h 提高到4 6 m 3 h 。流量增大后曲轴所受的柱塞力增加 了1 5 ，连杆力也随之增加，为了确保扩容后机组能稳定运行，需要对曲轴进行 4 江苏大学硕士学位论文 静强度和疲劳强度校核，本文根据校核要求主要完成了以下内容。 1 介绍了曲轴的运动学和动力学理论，对曲轴的运动参数和动力参数进行 理论计算，并通过p r o e n g i n e e rw i l d f i r e4 0 中自带的机构运动仿真模 块m e c h a n i s m 对曲轴轴系进行了刚体运动学和动力学仿真。得到了曲轴 的各个零件的运动规律曲线和载荷曲线，将理论计算结果和仿真结果进 行对比，结果表明在运动学计算中理论计算和仿真结果吻合很好，动力 学理论计算比仿真结果偏小，将仿真载荷谱作用在相应的曲柄销上，为 曲轴瞬态动力学分析加载奠定了基础。 2 应用有限元分析软件，在不考虑施加载荷的情况下对曲轴进行模态分析。 提取了曲轴的前十个固有频率和振型，并得到临界转速。结果表明，曲 轴在工作范围内不会产生共振并为瞬态动力学分析做准备。 3 运用实体建模软件建立曲轴的三维模型并计算截面模数，运用有限元法 计算应力分布状况，能准确地求取曲轴主轴圆角和连杆颈圆角的应力集 中系数。 4 介绍了曲轴载荷加载理论，对整体曲轴进行瞬态动力学有限元分析。对 有限元分析得出的曲轴应力云图和应力最大、最小节点应力值进行了分 析，找到了最大应力点及其相应的节点位置，即最危险点。为曲轴的疲 劳寿命分析做准备。 5 对曲轴进行疲劳寿命和安全系数计算。计算结果表明，该三缸往复泵用 曲轴安全系数过大，动力端具有扩容空间，在甲铵泵、液氨泵产品扩容 改造时，存在较大的优化潜力。柱塞力增加1 5 再进行计算，计算曲轴 的安全系数，结果表明安全系数仍能满足要求。 往复泵曲轴有限元分析及疲劳寿命计算 第二章曲轴动力计算与运动仿真 动力学研究的目的在于确定曲柄连杆机构中的作用力以及不同类型的惯性力。 为零部件刚度校核、设计及强度和稳定性分析提供依据。以曲柄连杆机构为传动端 的往复泵。一方面通过该机构把原动机的旋转运动转化为活塞的往复运动；一方面把 原动机的机械能传递给被输送液体。往复泵正常工作时，作用在曲柄连杆机构上的力 有：运动构件( 包括活塞、活塞杆、十字头、曲柄锎的惯性力；作用在活塞上的液体 压力：运动副的摩擦力；运动构件的重力以及作用在曲轴上的驱动力等。 在往复泵运转过程中，曲轴轴系中各构件的运动状态非常复杂，而且这些力 随着曲轴的转动还在不停的变化。如果按照传统方法建立力学模型和数学模型， 就需要进行大量的简化，模型的求解过程也相当困难，所得结果也欠准确。随着 运动学理论和计算机技术的发展，为了提高结果的准确性，本章运用三维建模软 件p r o e 建立曲轴轴系的多体动力学模型，并通过其自带的p r o m e c h a n i s m 仿真 模块进行运动学和动力学仿真。p r o e n g i n e e rw i l d f i r e 中的机构运动仿真模块 m e c h a n i s m 可以进行运动学和动力学分析和仿真，使得原来在二维图纸上难以表 达和设计的运动变得非常直观和易于修改，并且能够大大简化机构的设计开发过 程，缩短其开发周期，减少开发费用，同时提高产品质量。在p r o e n g i n e e r w i l 础中，运动仿真的结果不但可以以动画的形式表现出来，还可以以参数的 形式输出，从而可以获知零件之间是否干涉、干涉的体积有多大等。根据仿真结 果对所设计的零件进行修改，直到不产生干涉为止。分析结束后，可观察并记录 分析，测量诸如位置、速度、加速度或力等量，然后以图形表示这些量。也可以 创建轨迹曲线和运动包络，以用物理方法描述运动。 运动学仿真技术的核心是多体系统运动学与动力学建模理论及其实现技术，多 体系统动力学由多刚体系统动力学与多柔性体系统动力学组成。多刚体动力学仿真 是近十年发展起来的机械动力系统计算机数值仿真技术，它建立在多刚体动力学理 论基础之上，应用多刚体动力学模型和仿真机械系统运动过程中的运动学和动力学 特性。多刚体系统动力学的研究对象是由加载约束连接的装配体，这些约束可以是 理想完整的约束，非完整的定常约束或非定常的约束。研究这些动力学需要建立非 线性运动方程，能量表达式，运动学表达式以及其他一些的表达式。 6 江苏大学硕士学位论文 多体动力学分析以欧拉、拉格朗日等人为经典代表，至今已有二百多年的历 史。两个世纪以来经典刚体动力学，在天体运动研究、陀螺理论及简单机构的定 点运动研究等方面取得了众多的成果。但由于现代工程技术中，大多数实际问题 的对象是由多个物体组成的复杂系统，要对它们进行运动学和动力学分析仅靠古 典的理论和方法已很难解决，迫切地需要发展新的理论来完成这个任务。六十年 代末至七十年代初，美国的r e 罗伯森、t r 凯恩、联邦德国的j 维登伯格、苏 联的e n 波波夫等人，先后提出了各自的方法来解决这些复杂系统的动力学问题。 他们的方法虽各不相同，但有一个共同的特点：所推导出的数学模型都适用于电 子计算机进行建模和计算。于是将古典的刚体力学分析与现代的电子计算机技术 相结合的力学新分支多刚体系统动力学便诞生了。多刚体系统动力学中有下 述几种研究方法： 1 牛顿欧拉方法； 2 凯恩方法； 3 拉格朗日方程方法； 4 图论方法； 5 变分方法。 以上几种多刚体系统动力学研究方法体系虽然着眼点不同，但它们的共同点 是实现一种高度的程式化，适于编制计算。 2 i机构仿真的工作流型1 2 1 2 i i 机构运动设计工作流程 在机构运动设计研究中，用户可以通过对机械添加运动副，使其随伺服电动 机一起移动，并且在不考虑作用于系统上的力的情况下分析其运动。使用运动分 析可观察机构的运动，并测量主体位置、加速度和速度的改变。然后用图形表示 这些测量。 机构运动仿真总体上可以分为6 个部分：创建图元、检测模型、添加建模图 元、准备分析、分析模型和获取结果。 7 往复泵曲轴有限元分析及疲劳寿命计算 2 1 2 机构动力分析流程 机构动力分析研究施加的力对机构运动产生的影响。机构动力分析总体上可 以分成6 个部分：创建模型、检测模型、增加建模图元、准备分析、分析模型和 获取结果。机构动力分析的工作流程与机构运动分析的工作流程大体相同，但机 构动力分析中增加了许多功能，比如可以添加力扭矩负荷、重力以及执行电动 机等建模图元，除了可以对机构进行运动和位置分析，还可以对机构进行动态分 析。 2 2 曲柄连杆机构运动学 2 2 1 曲轴轴系运动学模型的建立【1 3 2 0 】 本课题研究的对象是一个三缸往复泵曲轴，曲轴尺寸图如图2 1 ，图2 2 为 十字头和柱塞模型图、2 3 为连杆模型图、图2 _ 4 为箱体模型图、图2 5 为曲轴 模型图、图2 - 6 为曲轴轴系装配、约束模型图。从长轴端开始依次是第一柱塞、 江苏大学硕士学位论文 图2 - 4 箱体模型图 。， j 、 。一j 。，j ，魏 图2 - 5 曲轴模型图 弛一一，? 。? 。 。? ，。i ? ? ，一 - 。j ，g 。m t ，荔 图2 - 6 曲轴轴系装配、约束模型图 在p r o e n g i n e e rw i l d l f h 装配好后，用p r o e n g i n e e rw i l d f i r e 自带的机 构仿真模块对装配好的模型进行约束设置。在约束设置的过程中，确定各个部件 的连接形式，从曲轴的输入端看过去，曲轴总共有五个连接，全部为销钉连接， 分别为曲轴长端和箱体的销钉连接，曲轴第一曲拐和对应连杆的销钉连接，曲轴 第二曲拐和对应连杆的销钉连接，曲轴第三曲拐和对应连杆的销钉连接，曲轴短 端和箱体的连接，伺服电动机作用于曲轴长端的轴线上。第一曲拐连杆和第一曲 拐十字头的连接为销钉连接，柱塞和缸体为圆柱连接，第二曲拐连杆和第二曲拐 十字头的连接为销钉连接，柱塞和缸体为圆柱连接，第三曲拐连杆和第三曲拐十 9 往复泵曲轴有限元分析及疲劳寿命计算 字头的连接为销钉连接，柱塞和缸体为圆柱连接。定义好两支承三拐往复泵的 1 1 个约束后，通过p r o e n g i n e e rw i l d f i r e 应用程序一机构，可以查看约束定义 是否正确。图2 - 6 为定义好约束后查看的结果，可以看出约束总数，约束类型都 是正确的。 2 2 2 伺服机的定义及曲轴轴系运动学分析 运动学分析是在不考虑作用在曲轴轴系机构上的力，对它的柱塞位移、速度、 加速度进行分析。曲轴转动一周即可测出各柱塞的位移、速度、加速度。用伺服 机来模拟曲轴的转动，它转动一周所需要的时间t 为： =竺=02264st 02 2 6 4 s ( 2 _ 1 ) = 而= 、7 二0 3 = 2 6 5 磊x 一3 6 0 = 1 5 9 0 d e r ( 2 - 2 l b g u c l e f l s ) = 鬲一= 实际模拟时设置伺服机的终止时间为o 3 秒。伺服机的运动参数设为角速度， 速度为1 5 9 0 d e g s ，伺服机参数设置界面如图2 - 7 - - 2 8 所示。设置完上面两个参数后， 即可以对曲轴轴系进行运动学分析，分析定义界面如图2 8 所示，名称为o n e - c y c l e ， 类型为运动学。分析结束后，定义要测量的参数，测量出各柱塞的位移、速度、加 速度，定义测量界面如图2 - 9 所示，定义测量第一柱塞速度界面，名称为v e l o c i t y1 ， 点或运动轴为第一柱塞的前端柱塞面中点，速度分量为方向，评估方法为每_ y 个时 间步长。定义完运动学分析的所有测量参数的界面，在测量一栏在选择v e l o c i t yl 如图2 - 1 0 ，在结果集中选 ，对速度进行测量，然后对其它参数v e l o c i t y _ 3o n e - c y c l e 进行 测量，测量结果用其自动生成的曲线图表示，如图2 1 1 - 一2 1 3 。 1 1 8 0 o o i is o 0 0 i lj o o o l l2 0 o o l io o o o 1 0 8 0 o o 1 0 6 0 o o 1 0 4 0 0 0 1 0 2 0 d o i o o o o 口 口8 0 ，o o 江苏大学硕士学位论文 图2 - 9 定义测量参数 c 鄹燃 瑚酷嘲 稚 0 铸 矿 嗡 x 铸 翳格翱钢曩田酵 # 瓤 ，；，漱ji 。盎 图2 1 0 运动学分析参数测量界面 o o o 3 0 0 0 o o 2 口o o o o o o o ，o o o o o i o o o o o 一2 0 0 d o o 一3 0 0 d 0 0 ；i 0 5 6 。0 t - ：宇爹， 6 2 06 2 5 6 3 0 冲一( 爹， o i r l e c yci 暑：d i3 p ia ce r i f l en il f r i l l l 】 o n e c y i e ：d i5 p ia cer l t 1 n t 一2l m m , 1 1 o i t e c ，ti t ：d i3 b i 口ce m en t 一3i m mj 图2 11 往复泵柱塞位移测量图 o 0 0矗0 56 10 ：二：；：喜：；y ，一- - 2 i 篇； 口n 七一c ，ct ：y el 口tl j r 一3n ”， 6 i 辱 6 2 06 2 56 0 t 问( 母) s e c s e c 3 e c 图2 1 2 往复泵柱塞速度测量图 1 l 往复泵曲轴有限元分析及疲劳寿命计算 o oo 0 50 t 00 150 2 0o 2 5 蝈( 轳， o n e t y cit ：a c c e lt t a tlo n ll m r n s e c 2 i on e c 叠