基于Pro／E的車載往復泵運動仿真分析

朱 舟，王雨團，鄭宏乾，唐春玲，李迎科

（寶雞航天動力泵業有限公司，陜西寶雞721000） ①

基于Pro／E的車載往復泵運動仿真分析

朱 舟，王雨團，鄭宏乾，唐春玲，李迎科

（寶雞航天動力泵業有限公司，陜西寶雞721000）①

對車載往復泵的曲柄連桿機構進行運動仿真分析，利用Pro／E Wildfire系列工程軟件完成了車載泵的三維建模；借助Pro／E的運動學分析模塊進行運動學分析和仿真；為車載往復泵整機優化設計提供了有效依據。

車載往復泵；曲柄連桿；齒輪副；運動仿真

車載往復泵以其體積小、質量輕、結構緊湊、工作運行平穩，高泵效、使用可靠、維修方便等特點已廣泛應用于修井、鉆井、洗井、固井、壓裂等作業的循環系統。隨著石油開采技術的不斷提高，油田特種車的功能日益完善，這就要求其車載往復泵必須體積更小、輸出功率更大。對設計者而言，就需要將整泵結構設計更加合理，布置更緊湊，尤其反映在泵動力端的曲柄連桿運動副上。為了能準確解決上述問題，就需要借助三維軟件，在對泵設置模擬工況條件下，進行運動仿真分析，從直觀的角度觀察曲柄、連桿、十字頭、挺桿、柱塞（活塞）等關鍵部件的運動情況，觀察運動中有無干涉。傳統的二維軟件無法實現運動仿真分析，或無法觀測運行中的干涉，因此運用Pro／E的MDX模塊完成給定模擬工況條件下車載往復泵的運動學分析和仿真，對整機的優化設計提供了十分可靠的理論依據。

1 車載泵運動仿真過程的整體思路

基于Pro／E Wildfire提供的一套完整的機械產品解決方案，此次車載往復泵運動仿真運用MDX模塊，在給定的模擬工況下，實現仿真運動，仿真結果還以視頻圖像的形式表現。結合往復泵類產品研制的具體情況，根據用戶層出不窮的個性化需求，選用性能參數較高的車載壓裂泵為此次運動仿真對象，具體展開思路如圖1所示。

圖1 車載泵運動仿真過程的整體思路

2 基本零件的建模

以YLC700型壓裂泵為例，在最初的基本建模的過程中，需要了解此類壓裂泵的結構參數，熟悉了結構和參數后，便可運用Pro／E Wildfire 2.0中零件設計軟件對泵運行過程中運動件逐一建模。曲軸、十字頭、齒輪的仿真模型如圖2～4所示。

圖2 曲軸的仿真模型

圖3 十字頭的仿真模型

圖4 齒輪的仿真模型

YLC700型壓裂泵參數為：

額定功率 296kW（400hp）

沖程長度 160mm

柱塞直徑 90mm

最高壓力 70MPa

最高壓力時的泵沖 75min－1

最大流量 68m3／h

最大流量時的泵沖 371min－1

齒輪傳動比 5.62∶1

單件建模過程中，在根據二維圖紙轉換為三維實體時，可以有效地查找圖紙中的問題，從而提高生產圖紙的質量，同時也提升了設計者對產品的感性認識。但必須按Pro／E正確的畫法建模，這樣才能順利地進行以下步驟。

3 組件模塊下對零件的機構仿真裝配

前面提出的設計理念可保證產品零件在機構仿真裝配的可實現性。雖然從模型成型角度講，機構仿真裝配與零件裝配都是將單個零部件組裝成1個完整的機構模型，但是從裝配方法和最終所要實現結果來看，兩者還是存在本質區別的。下面就機構仿真裝配與零件裝配作比較分析［1］。

3.1 相似點

1） 兩者皆在組件模塊下建模，皆利用“元件放置”對話框連接或安裝零部件。

2） 裝配和子裝配之間的關系相同，Pro／E將連接信息保存在裝配文件中，這意味著父裝配繼承了子裝配中的連接定義。

3.2 不同點

1） 創建機構是應用“元件放置”對話框的“連接”功能連接機構中的各個構件；而零件裝配直接在“元件放置”對話框中通過定義裝配約束來安裝各個零部件。

2） 由零件裝配得到裝配體，其內部的零部件之間沒有相對運動；而由連接得到的機構，其內部的構件之間可以產生一定的相對運動。

根據以上對比，必須按照對話框的“連接”功能連接壓裂泵運動機構，而且還需依靠Pro／E組件的裝配基本概念完成運動機構的裝配（如圖5所示），再將外圍相對靜止的零件逐一按零件裝配組裝，形成完整的機構模型（如圖6所示）。

圖5 運動機構的裝配

圖6 完整的機構模型

4 創建驅動器 輸入實際轉速

完成裝配后，進入“機構”工作環境，同時點擊機構中“連接”選項，此時系統將彈出“連接組件”對話框，單擊對話框中的“運行”按鈕，檢查裝配的連接情況。若連接成功，系統將彈出如圖7所示的“確認”對話框。單擊對話框中的“是”，確認檢查結果，根據特征操作，創建驅動器（如圖8所示）。

圖8中，速度常數A按下式計算，即

式中，A為速度常數，（°）／s；n為原動機轉速，r／min；i為泵齒輪傳動比；m為外圍減速比。

圖7 確認對話框

圖8 驅動器創建界面

5 模擬仿真運行

按以上所創建的驅動器進行運動分析，在分析定義時注意終止時間的定義（最好能保證曲軸完成幾次轉動），然后再回放以前的運動分析，仔細觀察運動過程，查看運動有無干涉現象，捕獲運動過程，制作成MPEG格式的視頻動畫。同時在曲軸曲拐處，取一點再做“測量分析”，繪制圖形如圖9。

圖9 曲軸運動軌跡

由圖9可見：運動軌跡為規則的余弦曲線，從而證明運動中無干涉現象，而且說明從零件設計、機構裝配到運行分析，都符合壓裂泵實體真實運轉所表現的特性。

6 結論

1） 利用三維軟件對車載泵的結構進行整體的三維建模。

2） 通過對模型的運動仿真分析，利用三維軟件的功能特性，觀測出干涉情況，根據采集的運動圖形分析車載泵整體結構的合理性。

3） 將運動仿真的結果導出，制作成視頻動畫，利于直觀觀察，同時也能與實體對比，起到更全面觀測作用。

［1］ 余 林，李 華.Pro／E輔助設計標準教程［M］.北京：北京理工大學出版社，2007.

［2］ 朱俊華，站長松.往復泵［M］.北京：機械工業出版社，1992：70－120.

［4］ 方建軍，劉仕良.機械動態仿真與工程分析——Pro／ENGINEER Wildfire工程應用［M］.北京：化學工業出版社，2004.

［4］ 祝凌云，李 斌.Pro／ENGINEER運動仿真和有限元仿真［M］.北京：人民郵電出版社，2004.

Vehicle of Reciprocating Pump for Motion Simulation Based on Pro／E

ZHU Zhou，WANG Yu－tuan，ZHENG Hong－qian，TANG Chun－ling，LI Ying－ke（Baoji Aerospace Power Pump Co.，Ltd.，Baoji 721000，China）

The force on vehicle of reciprocating pump for the motion simulation of crank linkage of the crankshaft were analyzed and three－dimensional model of vehicle of reciprocating pump with engineering software Pro／E Wildfire was completed.The analysis and simulate movement were made for the movement mechanism simulation by using Pro／E.This result provides the basis for vehicle of reciprocating pump whole design.

vehicle of reciprocating pump；crank linkage；gear mechanism；motion simulation

1001－3482（2011）12－0055－04

TE926

A

2011－06－27

朱 舟（1983－），男，陜西安康人，主要從事往復泵研究，E－mail：zhuzhou1983927＠163.com。