礦用三缸泥漿泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)及主要零部件運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

邵 琳

（江蘇省淮安市淮安生物工程高等職業(yè)學(xué)校，江蘇 淮安 223000）

1 礦用三缸泥漿泵新型系統(tǒng)組成和工作原理

1.1 礦用三缸泥漿泵新型系統(tǒng)組成

礦用三缸泥漿泵新型系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框架圖

1.2 新型礦用三缸泥漿泵工作原理

新型礦用三缸泥漿泵的工作原理為：調(diào)速電機(jī)提供動(dòng)力經(jīng)聯(lián)軸器輸入凸輪支撐軸并使其運(yùn)轉(zhuǎn)，支撐軸上的偏心輪式凸輪帶動(dòng)平底從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)，與從動(dòng)件固定連接的柱塞被推動(dòng)，從而在各自的柱塞腔內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使吸漿通道和排漿通道處的鋼球密封單向閥交替打開和關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)吸排泥漿過程。通過調(diào)節(jié)調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)排漿流量的調(diào)節(jié)。

1.3 新型礦用三缸泥漿泵優(yōu)點(diǎn)

新型礦用三缸泥漿泵的優(yōu)勢在于。

（1）偏心輪和支撐軸分開制造，且偏心輪支撐軸為直軸，替代了原來的曲軸，結(jié)構(gòu)簡單﹑成本低﹑壽命長和可靠性高；

（2）將原曲軸結(jié)構(gòu)連桿與曲頸之間的剖分式滑動(dòng)軸承，更換為圓柱滾子軸承，安裝于偏心輪外側(cè)和連桿軸承孔，大大提高了負(fù)載能力和使用壽命；

（3）采用低速大扭矩液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)偏心輪支撐軸驅(qū)動(dòng)偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，省略了復(fù)雜的帶傳動(dòng)﹑齒輪傳動(dòng)多級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了泵的制造成本﹑外形尺寸和重量；

（4）實(shí)現(xiàn)了液壓泵站動(dòng)力源和泵體可快速連接與拆卸的組合設(shè)計(jì)，便于地下坑道的移運(yùn)和安裝等等。

2 新型礦用三缸泥漿泵典型零部件介紹

利用Pro/E軟件對(duì)泥漿泵所有零件進(jìn)行三維建模，下面是幾種主要零部件的三維圖。

2.1 十字軸

十字軸是起導(dǎo)向作用的連桿部件，圓筒式結(jié)構(gòu)，一邊連接連桿，另一邊與活塞桿相連接，它傳遞交變應(yīng)力。

圖2 十字軸

2.2 箱體

泥漿泵箱體屬于薄壁箱體類零件，在泥漿泵的工作過程中起到支撐和載荷傳遞作用。它主要承受曲軸旋轉(zhuǎn)過程中的交變載荷作用，其過大的變形會(huì)引起泥漿泵整體效率下降﹑振動(dòng)和噪音過大等危害。在交變應(yīng)力作用下，殼體失效會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。因此，保證殼體的強(qiáng)度和剛度對(duì)泥漿泵整體的工作效率和性能起到至關(guān)重要的作用。

圖3 箱體

2.3 活塞桿

活塞桿是泥漿泵的一個(gè)重要而又易損壞的部件。

圖4 活塞桿

2.4 連桿

連桿是泥漿泵中重要的連接部件。連桿大頭與曲軸相連，小頭與十字銷相連，中間部分為連桿體。桿體截面采用工字形。

圖5 連桿

2.5 偏心輪

圖6 偏心輪

3 各零部件虛擬裝配及動(dòng)力學(xué)分析

由于泥漿泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的解析法只能求得一些簡單部件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，因此在分析中采用ADAMS軟件來對(duì)泥漿泵主要零部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。

3.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

文章采用ADAMS軟件來對(duì)泥漿泵主要零部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。ADAMS，即機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，該軟件是美國MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)開發(fā)的虛擬樣機(jī)分析軟件。ADAMS軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫﹑約束庫﹑力庫，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論中的拉格朗日方程方法，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)﹑運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，輸出位移﹑速度﹑加速度和反作用力曲線。

由于泥漿泵三個(gè)缸同時(shí)運(yùn)動(dòng)，在相位上僅相差120度，故選取一個(gè)缸進(jìn)行仿真分析。

3.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析結(jié)果

運(yùn)動(dòng)學(xué)分析結(jié)果如圖7～圖12所示。

圖7 柱塞位置曲線

圖8 柱塞速度曲線

圖9 柱塞加速度曲線

圖10 連桿相對(duì)于十字軸的擺角位移曲線

圖11 連桿相對(duì)于十字軸的擺角角速度曲線

圖12 連桿相對(duì)于十字軸的擺角角加速度曲線

由圖7可知：柱塞最遠(yuǎn)位置為567.5mm，最近位置為487.5mm，沖程為80mm，從初始位置工作行程時(shí)間為0.1275s。

由圖8可知：柱塞最大速度為991.93mm/s，最小速度為-990.97mm/s。

由圖9可知：柱塞最大加速度為21196.3mm/s2，最小加速度為-27220.7mm/s2。

由圖10可知：連桿相對(duì)于十字軸的擺角位移最大值為7.1807度，最小值為-7.1807度。

由圖11可知：連桿相對(duì)于十字軸的擺角角速度最大值為176.25rad/s，最小值為-176.25rad/s。

由圖12可知：連桿相對(duì)于十字軸的擺角角加速度最大值為4371.6rad/s，最小值為-4371.6rad/s。

由運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)分析可知，泥漿泵的主要結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)合理，柱塞位移空間滿足設(shè)計(jì)要求，連桿擺角小，柱塞及連桿的速度和加速度均較低，動(dòng)載荷小。

3.3 力學(xué)分析

分析時(shí)，若考慮摩擦力，則取各運(yùn)動(dòng)副的動(dòng)靜摩擦系數(shù)為0.15。分析結(jié)果如圖13～圖19所示。

圖13 柱塞工作行程負(fù)載加載曲線

圖14 連桿與十字軸連接銷軸X方向工作載荷曲線

圖15 連桿與十字軸連接銷軸Y方向工作載荷曲線

圖16 連桿與十字軸連接銷軸總工作載荷曲線

圖17 偏心輪支撐軸X方向工作載荷曲線

圖18 偏心輪支撐軸Y方向工作載荷曲線

圖19 偏心輪支撐軸總工作載荷曲線

由圖13可知：柱塞工作行程負(fù)載加載一恒定力，約為20185N。

由上述圖13～圖16動(dòng)態(tài)受力結(jié)果分析可知，十字軸或連桿進(jìn)行強(qiáng)度﹑剛度﹑疲勞壽命分析時(shí)可以取最大載荷為20845.6N，方向可沿X方向進(jìn)行加載。

由上述圖17～圖19的動(dòng)態(tài)受力結(jié)果分析可知，偏心輪支撐軸進(jìn)行強(qiáng)度﹑剛度﹑疲勞壽命分析時(shí)可以取最大載荷21541.4N為單缸反作用力，方向可沿X方向進(jìn)行加載。

當(dāng)各零部件所受應(yīng)力高于最大載荷時(shí)，每一次載荷循環(huán)都對(duì)零部件造成一定量的損傷，并且這種損傷是可以積累的；當(dāng)損傷積累到臨界值時(shí)，零部件將發(fā)生疲勞破壞。

對(duì)于新型礦用三缸泥漿泵結(jié)構(gòu)圖，利用Pro/E軟件對(duì)泥漿泵所有零件進(jìn)行三維建模并進(jìn)行模擬裝配，之后再利用ADAMS軟件對(duì)泥漿泵進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，由此可知新型礦用三缸泥漿泵的主要結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)合理，柱塞位移空間滿足設(shè)計(jì)要求，連桿擺角小，柱塞及連桿的速度和加速度均較低，動(dòng)載荷小。