基于solidworks的cb-b125齒輪泵仿真研究

蒲海豐，王曉寅 ，王關(guān)平，張 彬

（1.甘肅廣播電視大學(xué) 理工農(nóng)醫(yī)學(xué)院 甘肅 蘭州 730030 ；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 甘肅 蘭州730070 ；3.白銀有色金屬公司 甘肅 白銀 730090）

齒輪泵是一種廣泛應(yīng)用在航空航天、紡織機械、建筑機械、礦山冶金機械、農(nóng)業(yè)機械、機床等機械領(lǐng)域中的液壓動力元件。與柱塞泵、葉片泵相比其主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單緊湊、體積小、質(zhì)量輕、工藝性好、價格便宜、自吸力強、對油液污染不敏感、維護(hù)方便、工作可靠，等等。當(dāng)前隨著計算機技術(shù)的蓬勃發(fā)展，計算機輔助設(shè)計制造技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)高的水平，如果在齒輪泵產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)中使用這種技術(shù)，那么憑借其強大的有限元分析及參數(shù)化設(shè)計能力[1]，就可以進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變分析及強度校核，同時可以根據(jù)產(chǎn)品使用設(shè)計要求，不斷修改設(shè)計方案和零部件結(jié)構(gòu)尺寸，直到達(dá)到設(shè)計要求。這樣就可以盡最大的可能縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期、降低新產(chǎn)品研發(fā)成本，促使產(chǎn)品快速、高效地投向市場。

利用機械領(lǐng)域優(yōu)秀的設(shè)計軟件solidorks2012就可以實現(xiàn)這個目標(biāo)。現(xiàn)以某企業(yè)使用的cbb125 齒輪泵為例，建立齒輪泵的三維實體模型并在此基礎(chǔ)上利用solidorks2012 軟件所帶插件solidworks motoion 、solidworks simulation 對齒輪泵進(jìn)行運動學(xué)和動力學(xué)仿真。目前這個插件在航空航天、工程機械、模具設(shè)計制造、電子通訊、醫(yī)療器械、石油化工機械等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

一、建立cb-b125 齒輪泵的三維實體模型

首先運用solidorks2012軟件繪制cb-b125齒輪泵每一個零件，然后在裝配模式下進(jìn)行零部件的組裝，其中要注意運用約束配合關(guān)系，如平行、同軸、垂直、相切、重合、對稱等，通過這些約束配合關(guān)系的限定使得整個裝配過程猶如在實際生產(chǎn)現(xiàn)場中進(jìn)行零件組裝一樣[2]，最終得到的cb-b125齒輪泵虛擬樣機模型，如圖1所示。

圖1 齒輪泵的虛擬樣機

solidorks2012 軟件可以實現(xiàn)尺寸驅(qū)動，改變裝配體零件的某些尺寸。在對裝配體進(jìn)行模型重建時，其它零件會根據(jù)約束關(guān)系做出相應(yīng)的變化，例如零件尺寸、位置關(guān)系隨之改變，裝配體并不需要拆卸后重新裝配。此外solidorks2012軟件能夠模擬裝配體在運動過程中，零件與零件之間是否會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象[3]，這種功能可以優(yōu)化生產(chǎn)設(shè)計，節(jié)約材料成本，避免資源浪費，及早發(fā)現(xiàn)問題及時對零部件進(jìn)行修改，避免真正實物安裝時，產(chǎn)生干涉碰撞而無法安裝。

二、運動學(xué)仿真分析

建立好cb-b125 齒輪泵的裝配圖后，可以通過solidworks motoion 進(jìn)行運動學(xué)仿真，進(jìn)而對其進(jìn)行運動學(xué)分析。圖2表示齒輪泵仿真過程，由圖3可以看出，齒輪軸運動的角速度曲線是一條直線，這與理論值完全吻合。

圖2 齒輪泵運動仿真過程圖

三、動力學(xué)仿真分析

齒輪泵的三維模型建立以后，可以通過Solidworks simulation 進(jìn)行動力學(xué)仿真,進(jìn)而對cb-b125齒輪泵的應(yīng)力、應(yīng)變和位移等方面進(jìn)行動力學(xué)分析，其過程主要有以下幾步。

第一，點擊simulation 下拉菜單中的算例，算例類型菜單下有靜態(tài)、頻率、疲勞、線性動力等。選擇確定分析類型。

第二，點擊材料選擇設(shè)置，從材料庫或用戶自定義的材料庫中選出材料。并選定彈性模量、屈服強度等參數(shù)。

第三，點擊載荷/夾具下拉菜單，夾具下拉菜單下有固定幾何體、固定鉸鏈、滾珠等形式，載荷可以施加力和力矩等。

第四，網(wǎng)格劃分。如果零件網(wǎng)格劃分過細(xì)，就會使仿真運算量過大、時間過長，甚至導(dǎo)致計算機死機，而無法求解；網(wǎng)格的劃分過粗又會導(dǎo)致計算機的計算結(jié)果誤差太大。所以用戶可以多嘗試幾次網(wǎng)格劃分形式，選擇比較恰當(dāng)?shù)木W(wǎng)格劃分形式，也可以使用電腦推薦的網(wǎng)格劃分形式。

第五，運行動力學(xué)仿真分析。

第六，查看仿真分析結(jié)果。仿真分析結(jié)果中可以顯示正應(yīng)力、剪應(yīng)力、各個方向上的應(yīng)變、各個方向上的位移以及合位移等。

圖4所示為上述仿真分析結(jié)果中其剪應(yīng)力結(jié)果圖。由仿真圖4可知齒輪泵上平鍵處的剪應(yīng)力為32.849MN/M2。

第七，計算誤差，驗證仿真精度。

圖4 齒輪泵的仿真剪應(yīng)力結(jié)果圖

圖5 齒輪泵鍵受力圖

如圖5所示,設(shè)平鍵上的剪切力為Q，剪應(yīng)力為τ，則

對軸心取矩，由平衡條件

由式（3）得：

所以絕對誤差=32.849-32.42=0.429

相對誤差=0.429/32.42≈0.01≤1%

這充分說明仿真的精度是完全足夠的。

四、結(jié)論

仿真分析結(jié)果為齒輪泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化提供了參考。采用虛擬樣機對齒輪泵進(jìn)行仿真，能夠快速建立實體裝配模型，可以迅速而準(zhǔn)確地得 到齒輪泵的各種參數(shù)圖，如圖6所示。從而大大縮短設(shè)計時間，實現(xiàn)了快速化設(shè)計。

圖6 齒輪泵的位移、應(yīng)變、應(yīng)力比較結(jié)果圖