乳化液泵曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真與有限元分析

乳化液泵曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真與有限元分析MotionSimulationandFiniteElementAnalysisforSlider-CrankMechanismofEmulsionpump趙玉剛，王占軍，蔡天賜，劉新玉ZHAOYu-gang,WANGZhan-jun,CAITian-ci,LIUXin-yu（山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東淄博，255049）（SchoolofMechanicalEngineering,ShandongUniversityofTechnology,Zibo,255049)摘要：以BRK500/37.5型乳化液泵曲柄滑塊機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，對(duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，求解滑塊的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。并利用UG軟件的運(yùn)動(dòng)仿真模塊對(duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)作運(yùn)動(dòng)仿真分析，得出滑塊在工作時(shí)的位移、速度和加速度仿真曲線圖。最后利用ANSYSWORKBENCH軟件對(duì)滑塊進(jìn)行有限元分析，得出滑塊在最大工作壓力下的應(yīng)力應(yīng)變值，為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的改進(jìn)奠定了理論基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：乳化液泵；曲柄滑塊機(jī)構(gòu)；UG；運(yùn)動(dòng)仿真；ANSYSWORKBENCH；有限元分析中圖分類號(hào)：TH161；文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51375285）資助Abstract:Takingslider-crankmechanismoftheBRK500/37.5emulsionpumpastheresearchobject,thekinematicsanalysisiscarriesout,andthekinematicequationsareobtained.ThenUGareusedforkinematicssimulationoftheslider-crankmechanism,andthemotionsimulationgraphsofthedisplacement,velocityandaccelerationofthesliderareobtained.Finally,thefiniteelementanalysisoftheslideriscarriedoutthroughtheANSYSWORKBENCHsoftware,sothestressandstrainconditionsoftheslideblockinthemaximumworkingpressureareobtained.Theresultsprovideatheoreticalbasisfortheimprovementoftheslider-crankmechanism.Keywords:EmulsionPump;Slider-CrankMechanism;UG;MotionSimulation;ANSYSWORKBENCH;FiniteElementAnalysis0引言隨著煤礦行業(yè)機(jī)械化程度的迅速發(fā)展，液壓支架在煤礦行業(yè)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，乳化液泵站已成為煤礦設(shè)備的重要組成部分[1]。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是乳化液泵的重要零部件之一,由若干剛性構(gòu)件用低副(回轉(zhuǎn)副、移動(dòng)副)聯(lián)接而成的一種機(jī)構(gòu)[2]。在乳化液泵工作過(guò)程中，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為柱塞的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，承受著周期性變化的載荷，是乳化液泵結(jié)構(gòu)中容易發(fā)生故障的零部件之一。它的結(jié)構(gòu)和性能很大程度上影響著乳化液泵的可靠性和壽命。因此，對(duì)乳化液泵曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的分析和計(jì)算極為重要。根據(jù)BRK500/37.5型乳化液泵曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的作業(yè)環(huán)境和受力情況，對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)理論分析，并利用UG軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。為證明其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，建立滑塊的三維模型，并導(dǎo)入到ANSYSWORKBENCH中進(jìn)行強(qiáng)度分析，確?；瑝K在正常工作時(shí)的強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)要求。1曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)理論分析BRK500/37.5型乳化液泵的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)主要有曲軸曲柄、連桿和滑塊組成，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。曲柄繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)連桿帶動(dòng)滑塊作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。圖1曲柄滑塊機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖圖中，O為曲軸中心，a為曲軸曲柄旋轉(zhuǎn)半徑，b為連桿長(zhǎng)度，A為連桿與滑塊鉸接點(diǎn)，設(shè)λ=a/b。乳化液泵工作時(shí)的往復(fù)次數(shù)為每分鐘650次，由此可得出曲柄旋轉(zhuǎn)的角速度ω為10.8r/s，在時(shí)間t內(nèi)的轉(zhuǎn)角θ=ωt。由此可得出滑塊的位移為：(1)其中，，即可得出滑塊的位移為(2)滑塊的速度為(3)滑塊的加速度為(4)為計(jì)算方便，在保證計(jì)算精度的基礎(chǔ)上，將按二次展開(kāi)式展開(kāi)并舍去高階項(xiàng)，則滑塊的位移、速度和加速度公式如下[3-4]:(5)(6)(7)通過(guò)理論分析，得到了滑塊的位移、速度和加速度運(yùn)動(dòng)分析方程，可以計(jì)算出滑塊在每一時(shí)刻的位移、速度和加速度值。2曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真分析利用三維建模軟件建立乳化液泵的幾何模型，并在運(yùn)動(dòng)仿真模塊下對(duì)曲柄滑塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，得到曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真動(dòng)畫(huà)模型及滑塊的位移、速度和加速度曲線圖。2.1曲柄滑塊幾何模型的建立首先，在UG模型模塊下分別建立乳化液泵各個(gè)零件的幾何模型，然后在裝配模塊下將上述零件裝配到一起，BRK500/37.5型乳化液泵為五柱塞乳化液泵，為方便計(jì)算和求解，對(duì)其中一組曲柄滑塊模型進(jìn)行求解。乳化液泵的幾何模型如圖2所示。1-殼體；2-曲軸；3-連桿；4-滑塊；5-柱塞；6-泵頭圖2乳化液泵幾何模型2.2運(yùn)動(dòng)仿真分析前處理建立好乳化液泵的三維模型后，將模型導(dǎo)入到運(yùn)動(dòng)仿真模塊。將殼體固定，并將曲軸、連桿和滑塊分別定義為連桿L001、L002和L003。然后定義曲軸為旋轉(zhuǎn)副，連桿與曲軸之間為旋轉(zhuǎn)副，連桿與滑塊之間為旋轉(zhuǎn)副，滑塊自身為滑動(dòng)副[5]。并將曲軸定義為恒定運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，乳化液泵的往復(fù)次數(shù)為650次/min，即曲軸的轉(zhuǎn)速為10.8r/s。2.3求解與結(jié)果分析對(duì)仿真分析前處理完成后對(duì)模型進(jìn)行求解，得到曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的動(dòng)畫(huà)仿真圖，并可以繪制出滑塊的位移、速度和加速度曲線圖，如圖3所示。圖3（a）位移曲線圖圖3（b）速度曲線圖圖3（c）加速度曲線圖圖3滑塊運(yùn)動(dòng)曲線圖由圖3可知，滑塊的位移在705mm~780mm之間，位移量為75mm；滑塊速度約為-2.7×103mm/s~2.7×103mm/s；滑塊加速度為-1.7×105mm/s2~1.7×105mm/s2。與理論計(jì)算結(jié)果基本相符。為乳化液泵實(shí)體的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。3滑塊有限元分析滑塊在工作過(guò)程中受到的載荷較大，為防止滑塊在作業(yè)過(guò)程中出現(xiàn)斷裂和變形等現(xiàn)象，利用ANSYSWORKBENCH軟件對(duì)滑塊進(jìn)行強(qiáng)度分析，得出滑塊在最大壓力下的應(yīng)力應(yīng)變值，找到結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)部位，為結(jié)構(gòu)的改進(jìn)奠定基礎(chǔ)[6]。3.1滑塊有限元模型的建立ANSYSWOEKBENCH軟件的主要功能是進(jìn)行有限元分析，其建模功能不如UG等軟件方便。因此，利用三維建模軟件UG建立滑塊的幾何模型，忽略對(duì)滑塊應(yīng)力變形影響很小的過(guò)渡圓角和潤(rùn)滑油孔等。由于滑塊的整體結(jié)構(gòu)和載荷分布均勻?qū)ΨQ，在保證分析精度的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化滑塊的幾何模型，滑塊簡(jiǎn)化模型如圖4所示。建立好滑塊模型后導(dǎo)入ANSYSWOEKBENCH中，進(jìn)行單元屬性設(shè)置。滑塊材料為ZL108，其彈性模量為70GPa，泊松比為0.32，密度為2.68×10-3g/mm3。圖4滑塊三維模型3.2網(wǎng)格劃分劃分網(wǎng)格是建立有限元模型的一個(gè)重要環(huán)節(jié),它要求考慮的問(wèn)題較多,需要的工作量較大,所劃分的網(wǎng)格形式對(duì)計(jì)算精度和計(jì)算規(guī)模將產(chǎn)生直接影響[7]。本文采用ANSYSWOEKBENCH程序提供的自由網(wǎng)格劃分方法對(duì)滑塊整體幾何模型劃分網(wǎng)格，由于滑塊與連桿連接的銷孔處受力較大，因此需要對(duì)滑塊孔徑處進(jìn)行細(xì)化[8]。劃分后的滑塊網(wǎng)格模型如圖5所示。圖5滑塊網(wǎng)格模型3.3邊界條件設(shè)置滑塊所受到的載荷位于滑塊與連桿連接的銷孔處，為非均布載荷，計(jì)算較為復(fù)雜。為簡(jiǎn)化計(jì)算和節(jié)省計(jì)算時(shí)間，在保證分析精度的基礎(chǔ)上，假設(shè)接觸面上的非均布載荷按照余弦規(guī)律分布在接觸面上[9-10]。將載荷施加到相應(yīng)的位置。同時(shí)對(duì)滑塊與柱塞接觸的端面添加固定約束。3.4結(jié)果分析從滑塊的應(yīng)力應(yīng)變分布圖6可知：滑塊應(yīng)力的最大值集中在滑塊靠近柱塞一側(cè)的銷孔處，最大應(yīng)力值為40.472MPa；最大變形位置位于滑塊靠近柱塞一側(cè)的銷孔邊緣處，最大位移量為0.0079081mm。均小于滑塊材料的屈服極限和彈性變形，滿足設(shè)計(jì)要求。(a)滑塊應(yīng)力云圖（b）滑塊應(yīng)變?cè)茍D圖6滑塊應(yīng)力應(yīng)變分布圖4結(jié)論以BRK500/37.5型高壓乳化液泵曲柄滑塊機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)理論分析，得到了滑塊的位移、速度和加速度運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。并利用UG軟件對(duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，得到了運(yùn)動(dòng)仿真動(dòng)畫(huà)及滑塊的運(yùn)動(dòng)曲線圖。最后利用ANSYSWORKBENCH軟件對(duì)滑塊進(jìn)行了有限元強(qiáng)度分析，得到滑塊的應(yīng)力應(yīng)變值。為乳化液泵曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)[1]史春祥，苪冰.煤礦液壓支架用乳化液泵站[J].流體傳動(dòng)與控制，2007(02):35-36.[2]劉善林，胡鵬浩.曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性分析及仿真實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2008（05）：79-80.[3]高奇.基于Pro/E的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2011（04）：45-47.[4]上官林建，杜蔚瓊，嚴(yán)大考.SolidWorks在JB23-63開(kāi)式曲柄壓力機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2012（10）：112-115.[5]呂洋波，胡仁喜，呂小波等.UGNX7.0動(dòng)力學(xué)與有限元分析從入門(mén)到精髓[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.[6]陳知泰.基于疲勞強(qiáng)度的柔性曲柄滑塊機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2009(01):28-30.[7]杜平安.有限元網(wǎng)格劃分的基本原則[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2000(01):34-36.[8]丁毓峰等．ANSYS12.0有限元分析完全手冊(cè)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011．[9]曹春玲，祁偉，吳國(guó)強(qiáng).乳化液泵滑塊的有限元分析[J].煤礦機(jī)械，2006（10）：96-97.[10]趙經(jīng)文，王宏鈺.結(jié)構(gòu)有限元分析[M].北京：科學(xué)出版社，2001.第一作者：趙