往復(fù)泵機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真研究

王志旺

(中國有色(沈陽)泵業(yè)有限公司，遼寧 沈陽 110144)

0 前言

往復(fù)泵廣泛的應(yīng)用于輸送具有腐蝕性、磨蝕性的固液兩相介質(zhì)。主要應(yīng)用在化工、煤炭、電力等行業(yè)，可以輸送高溫氧化鋁礦漿、各種尾礦礦漿、城市污水等各種工業(yè)料漿。往復(fù)泵具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、輸送流量大、壓力高的優(yōu)點(diǎn)，還有耐高溫、耐腐蝕性，密封件、易損件使用周期長、維修方便、高效、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。往復(fù)泵由動(dòng)力端、液力端、傳動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等組成。電機(jī)通過減速機(jī)驅(qū)動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。礦漿的輸送是通過活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)橡膠隔膜借助推進(jìn)液油介質(zhì)驅(qū)使隔膜室內(nèi)的容積發(fā)生周期性變化來完成。

往復(fù)泵已經(jīng)是工業(yè)管道化輸送的核心設(shè)備，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工況條件多樣，導(dǎo)致產(chǎn)品開發(fā)周期長。往復(fù)泵在我國起步比較晚，在關(guān)鍵技術(shù)上和國外的一些知名企業(yè)有著明顯的差距，因此對(duì)往復(fù)泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)就提出了很大的挑戰(zhàn)。機(jī)械工程中的虛擬樣機(jī)技術(shù)(Virtual Prototyping Technology)又稱為機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)，是一項(xiàng)計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)。虛擬樣機(jī)技術(shù)是指在產(chǎn)品開發(fā)過程中，將各個(gè)分散的零部件合并在一起，通過對(duì)該產(chǎn)品加載各種工況的仿真分析，不斷的對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)，從而提高產(chǎn)品性能的一種新技術(shù)。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過程中通過仿真分析就可以確定系統(tǒng)及其各構(gòu)件在任意時(shí)刻的位置、速度和加速度，同時(shí)通過求解代數(shù)方程組計(jì)算各構(gòu)件的受力情況，從而大大簡化機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)過程，大量減少產(chǎn)品的開發(fā)成本，從而獲得最優(yōu)化和最可靠的設(shè)計(jì)產(chǎn)品。

ADAMS軟件是由美國MDI(Mechanical Dynamics Inc.)公司開發(fā)的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件，是目前世界上最具權(quán)威性的，使用范圍最廣的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件。ADAMS軟件可以廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車工程、鐵路車輛及裝備、工業(yè)機(jī)械、工程機(jī)械等領(lǐng)域。

1 往復(fù)泵動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

往復(fù)泵的工作原理是電機(jī)驅(qū)動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)借助曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)活塞驅(qū)動(dòng)隔膜完成凸凹運(yùn)動(dòng)，同時(shí)隔膜腔內(nèi)的容積發(fā)生周期性變化，進(jìn)而完成料漿的輸送。在料漿輸送過程中十字頭受到的載荷分別是介質(zhì)壓力、摩擦力以及質(zhì)量力。介質(zhì)壓力是由于作用在動(dòng)力端的基本外載輸送介質(zhì)，它是壓向活塞的活塞力。在理想的情況下不考慮泵閥的滯后，同時(shí)假設(shè)活塞在排出沖程中始終滿載，往回運(yùn)動(dòng)過程中活塞不受外載。摩擦力存在于活塞與缸套間，十字頭與導(dǎo)板間，滾動(dòng)軸承間都存在著摩擦力，但是由于活塞與缸套間，滾動(dòng)軸承間摩擦力對(duì)受力分析影響較小，此處可忽略不計(jì)，因此只考慮十字頭和導(dǎo)板間的摩擦力。質(zhì)量力包括十字頭的自重和慣性力，由于十字頭的慣性力遠(yuǎn)大于本身的自重，所以考慮慣性力。連桿的運(yùn)動(dòng)為剛體平面運(yùn)動(dòng)。連桿的慣性力可以使用剛體平面運(yùn)動(dòng)的微分方程計(jì)算。選定往復(fù)泵的主要參數(shù)如下：沖程510 mm；連桿長1 700 mm；沖次43 r/min；曲軸總質(zhì)量8 400 kg；十字頭質(zhì)量1 294 kg；連桿質(zhì)量930 kg；連桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量1.585×102kg·mm2；滿載載荷1 176 kN。

通過對(duì)往復(fù)泵的工作原理以及結(jié)構(gòu)功能的概述，對(duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模并進(jìn)行理論分析，借助MATLAB軟件求解得出該機(jī)構(gòu)在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期中主要零件的受力狀態(tài)及力學(xué)參數(shù)，十字銷軸正壓力的最大值為183 400 N，十字銷軸的最大水平力1 201 000 N，連桿的最大正壓力值為179 100 N，連桿水平力最大值為1 205 000 N。

2 往復(fù)泵動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型的建立

在通常情況下，機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析由最初的幾何模型到力學(xué)模型最后到數(shù)學(xué)模型的生成。在幾何模型上加力學(xué)四要素包括運(yùn)動(dòng)學(xué)約束、驅(qū)動(dòng)約束、力元和外力矩，然后再根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)約束和初始位置條件進(jìn)行裝配，最后利用求解器得到系統(tǒng)的力學(xué)模型。在力學(xué)模型中采用笛卡爾坐標(biāo)系的建模方法，求解器組裝系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程中的各系數(shù)矩陣，得到系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，求解器根據(jù)這些數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解運(yùn)算，從而得到模型的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性分析結(jié)果。

本文通過CAD建模軟件建立三維模型直接導(dǎo)入仿真軟件，然后對(duì)該動(dòng)力系統(tǒng)模型施加物理屬性以及力學(xué)的四個(gè)要素。這些零件相互之間沒有任何的關(guān)系，只是單獨(dú)的一個(gè)個(gè)零件，需要對(duì)模型中的各個(gè)零件約束起來，以定義各個(gè)零件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

(1)在ADAMS中為導(dǎo)入模型添加物理屬性

ADAMS/View設(shè)有常用材料物性數(shù)據(jù)庫，這些數(shù)據(jù)庫中包括了材料的摩擦系數(shù)、彈性模量、泊松比和密度等，也可以自行輸入材料特性。以及對(duì)質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和慣性矩及初始位置和方向、初始速度進(jìn)行修改。

(2)在ADAMS中為導(dǎo)入模型添加約束

轉(zhuǎn)動(dòng)副中構(gòu)件繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，符合右手法則，其中First body繞Second body轉(zhuǎn)動(dòng)。曲軸和連桿之間是轉(zhuǎn)動(dòng)副，十字頭和上下導(dǎo)板之間是滑動(dòng)副。

(3)在各個(gè)運(yùn)動(dòng)副之間添加摩擦系數(shù)。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)構(gòu)件只具有相對(duì)移動(dòng)和相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。構(gòu)成各個(gè)運(yùn)動(dòng)副的構(gòu)件材料均為不同類型的合金鋼，其實(shí)際工作環(huán)境需要潤滑油支持，因此設(shè)定其動(dòng)摩擦系數(shù)為鋼材在有潤滑條件下的動(dòng)摩擦系數(shù)0.08、靜摩擦系0.12。

(4)施加外力與驅(qū)動(dòng)

載荷取十字頭最大負(fù)載1 176 kN，曲軸順時(shí)針以43 r/min勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)定驅(qū)動(dòng)類型為：Displacement。在十字頭上施加液體對(duì)十字頭的壓力，由于在不同位置的十字頭承受的壓力不一樣，在這里采用ADAMS中的STEP函數(shù)進(jìn)行加載來模擬近似的加載壓力。

4 往復(fù)泵機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真

(1)作用于十字頭銷的正壓力曲線如圖1所示，由圖中可知：最大正壓力為1.826 8×105N。

圖1 十字頭銷正壓力曲線

(2)連桿作用于十字頭銷的水平方向力如圖2所示。由圖可知：最大水平力為1.180 8×106N。

圖2 十字頭銷水平受力曲線

(3)曲軸作用于連桿壓力如圖3所示。由圖可知：連桿最大壓力為1.745×105N。

圖3 連桿力壓力曲線

(4)曲軸作用于連桿水平力如圖4所示。由圖可知：最大連桿水平力為1.188×106N。

圖4 連桿水平力曲線

4 結(jié)論

通過ADAMS仿真軟件對(duì)往復(fù)泵動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，分析結(jié)果與理論分析結(jié)果基本一致如表1所示。由仿真分析可以得出十字頭滑履的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)及受力情況，確定了銷軸有限元分析時(shí)需要的正壓力載荷1.826 8×105N，水平載荷1.18×106N，合力1.191 8×106N，加速度載荷702 mm/s2。連桿承受的最大壓力1.745×105N，連桿水平力1.18×106N，合力1.193×106N。最大連桿力為1.193×106N，而銷軸受最大正壓力時(shí)連桿力為1.1918×106N，為最大連桿力的99.89%。因此，采用十字頭受最大正壓力時(shí)的載荷作為十字頭最大負(fù)載，對(duì)導(dǎo)板滑板進(jìn)行接觸分析。采用十字頭最大合力對(duì)連桿進(jìn)行有限元分析。

表1 仿真結(jié)果與理論計(jì)算對(duì)比表

注：上表中計(jì)算結(jié)果和仿真結(jié)果為整理后數(shù)據(jù)。

通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)借助ADAMS仿真軟件分析得出的結(jié)論和通過理論計(jì)算的結(jié)果基本一致，可以運(yùn)用分析的數(shù)據(jù)為有限元分析提供可靠的載荷依據(jù)。運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)，可以明顯簡化機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)過程，大幅度縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，減少產(chǎn)品開發(fā)成本，從而顯著提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品的系統(tǒng)級(jí)性能，獲得最優(yōu)化的設(shè)計(jì)產(chǎn)品。