往復泵機械系統動力學仿真研究

王志旺

(中國有色(沈陽)泵業有限公司，遼寧 沈陽 110144)

0 前言

往復泵廣泛的應用于輸送具有腐蝕性、磨蝕性的固液兩相介質。主要應用在化工、煤炭、電力等行業，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料漿。往復泵具有結構穩定、輸送流量大、壓力高的優點，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、節能、環保等優點。往復泵由動力端、液力端、傳動系統、液壓系統、電控系統等組成。電機通過減速機驅動曲軸旋轉，帶動曲柄滑塊機構把旋轉運動轉化為直線運動，從而帶動活塞做往復運動。礦漿的輸送是通過活塞的往復運動帶動橡膠隔膜借助推進液油介質驅使隔膜室內的容積發生周期性變化來完成。

往復泵已經是工業管道化輸送的核心設備，由于其結構復雜，工況條件多樣，導致產品開發周期長。往復泵在我國起步比較晚，在關鍵技術上和國外的一些知名企業有著明顯的差距，因此對往復泵的優化設計就提出了很大的挑戰。機械工程中的虛擬樣機技術(Virtual Prototyping Technology)又稱為機械系統動態仿真技術，是一項計算機輔助工程技術。虛擬樣機技術是指在產品開發過程中，將各個分散的零部件合并在一起，通過對該產品加載各種工況的仿真分析，不斷的對產品設計方案進行改進，從而提高產品性能的一種新技術。在產品設計開發過程中通過仿真分析就可以確定系統及其各構件在任意時刻的位置、速度和加速度，同時通過求解代數方程組計算各構件的受力情況，從而大大簡化機械產品的設計開發過程，大量減少產品的開發成本，從而獲得最優化和最可靠的設計產品。

ADAMS軟件是由美國MDI(Mechanical Dynamics Inc.)公司開發的機械系統動力學仿真軟件，是目前世界上最具權威性的，使用范圍最廣的機械系統動力學分析軟件。ADAMS軟件可以廣泛應用于航空航天、汽車工程、鐵路車輛及裝備、工業機械、工程機械等領域。

1 往復泵動力系統運動學分析

往復泵的工作原理是電機驅動曲軸旋轉借助曲柄滑塊機構將旋轉運動轉化為直線運動，帶動活塞驅動隔膜完成凸凹運動，同時隔膜腔內的容積發生周期性變化，進而完成料漿的輸送。在料漿輸送過程中十字頭受到的載荷分別是介質壓力、摩擦力以及質量力。介質壓力是由于作用在動力端的基本外載輸送介質，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，同時假設活塞在排出沖程中始終滿載，往回運動過程中活塞不受外載。摩擦力存在于活塞與缸套間，十字頭與導板間，滾動軸承間都存在著摩擦力，但是由于活塞與缸套間，滾動軸承間摩擦力對受力分析影響較小，此處可忽略不計，因此只考慮十字頭和導板間的摩擦力。質量力包括十字頭的自重和慣性力，由于十字頭的慣性力遠大于本身的自重，所以考慮慣性力。連桿的運動為剛體平面運動。連桿的慣性力可以使用剛體平面運動的微分方程計算。選定往復泵的主要參數如下：沖程510 mm；連桿長1 700 mm；沖次43 r/min；曲軸總質量8 400 kg；十字頭質量1 294 kg；連桿質量930 kg；連桿轉動慣量1.585×102kg·mm2；滿載載荷1 176 kN。

通過對往復泵的工作原理以及結構功能的概述，對曲柄滑塊機構進行動力學建模并進行理論分析，借助MATLAB軟件求解得出該機構在一個運動周期中主要零件的受力狀態及力學參數，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 往復泵動力系統仿真模型的建立

在通常情況下，機械系統動力學仿真分析由最初的幾何模型到力學模型最后到數學模型的生成。在幾何模型上加力學四要素包括運動學約束、驅動約束、力元和外力矩，然后再根據運動學約束和初始位置條件進行裝配，最后利用求解器得到系統的力學模型。在力學模型中采用笛卡爾坐標系的建模方法，求解器組裝系統運動方程中的各系數矩陣，得到系統的數學模型，求解器根據這些數學模型進行求解運算，從而得到模型的運動學和動力學特性分析結果。

本文通過CAD建模軟件建立三維模型直接導入仿真軟件，然后對該動力系統模型施加物理屬性以及力學的四個要素。這些零件相互之間沒有任何的關系，只是單獨的一個個零件，需要對模型中的各個零件約束起來，以定義各個零件之間的相對運動。

(1)在ADAMS中為導入模型添加物理屬性

ADAMS/View設有常用材料物性數據庫，這些數據庫中包括了材料的摩擦系數、彈性模量、泊松比和密度等，也可以自行輸入材料特性。以及對質量、轉動慣量和慣性矩及初始位置和方向、初始速度進行修改。

(2)在ADAMS中為導入模型添加約束

轉動副中構件繞軸轉動的方向，符合右手法則，其中First body繞Second body轉動。曲軸和連桿之間是轉動副，十字頭和上下導板之間是滑動副。

(3)在各個運動副之間添加摩擦系數。

執行機構的運動構件只具有相對移動和相對轉動。構成各個運動副的構件材料均為不同類型的合金鋼，其實際工作環境需要潤滑油支持，因此設定其動摩擦系數為鋼材在有潤滑條件下的動摩擦系數0.08、靜摩擦系0.12。

(4)施加外力與驅動

載荷取十字頭最大負載1 176 kN，曲軸順時針以43 r/min勻速轉動，設定驅動類型為：Displacement。在十字頭上施加液體對十字頭的壓力，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函數進行加載來模擬近似的加載壓力。

4 往復泵機械系統動力學仿真

(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 結論

通過ADAMS仿真軟件對往復泵動力系統進行仿真分析，分析結果與理論分析結果基本一致如表1所示。由仿真分析可以得出十字頭滑履的運動學參數及受力情況，確定了銷軸有限元分析時需要的正壓力載荷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的載荷作為十字頭最大負載，對導板滑板進行接觸分析。采用十字頭最大合力對連桿進行有限元分析。

表1 仿真結果與理論計算對比表

注：上表中計算結果和仿真結果為整理后數據。

通過對比分析發現借助ADAMS仿真軟件分析得出的結論和通過理論計算的結果基本一致，可以運用分析的數據為有限元分析提供可靠的載荷依據。運用虛擬樣機技術，可以明顯簡化機械產品的設計開發過程，大幅度縮短產品的開發周期，減少產品開發成本，從而顯著提高產品質量，提高產品的系統級性能，獲得最優化的設計產品。