基于ProE的柱塞泵仿真设计毕业论文.docx
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基于ProE的柱塞泵仿真设计毕业论文
毕业设计(论文)
题目:
基于Pro/E的柱塞泵仿真设计
系别机械与材料工程系
专业名称机械设计制造及其自动化
班级学号0580231
学生姓名
指导教师
二OO年四月
学士学位论文原创性声明
本人声明,所呈交的论文是本人在导师的指导下独立完成的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果,也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式表明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名:
日期:
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。
本人授权XXX大学科技学院可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
作者签名:
日期:
导师签名:
日期:
摘要·················································Ⅰ
Abstract·············································Ⅱ
第一章绪论·········································1
1.1课题背景···········································1
1.2本课题的研究意义·····································1
1.3国内外发展概况······································2
1.4本课题的研究内容和方法································3
第二章轴向柱塞泵···································3
2.1柱塞泵的基本概念·····································3
2.2柱塞泵的分类········································4
2.3轴向柱塞泵简介······································4
2.4轴向柱塞泵工作原理···································5
2.5轴向柱塞泵工作过程···································6
2.6轴向柱塞泵特性······································7
2.7液压泵中的气穴现象···································8
2.8液压泵的噪声·······································10
2.9本章小结··········································11
第三章轴向柱塞泵的仿真设计·························11
3.1前言·············································11
3.2轴向柱塞泵的建模····································13
3.3轴向柱塞泵的装配····································14
3.4轴向柱塞泵的仿真运动································16
3.5轴向柱塞泵的运动分析································16
3.6轴向柱塞泵的参数控制·································18
3.7本章小结··········································18
结论·············································19
参考文献············································20
致谢············································21
基于Pro/E的柱塞泵仿真设计
学生姓名:
班级:
05802
指导老师:
摘要:
轴向柱塞泵是一种利用与传动轴平行的柱塞在柱塞孔内往复运动所产生的容积变化来进行工作的供油装置,常用于机器的润滑系统中。
它具有结构紧凑,工作压力高,容易实现变量,体积比径向柱塞泵要小等优点,在现代工业中有着贵广泛的应用。
本设计课题主要进行柱塞泵的产品设计和基于Pro/E软件的实体仿真设计。
用Pro/E进行柱塞泵的仿真设计可以模拟真实情况,发现问题、分析问题,从而达到最优化最经济的设计目的。
本文在分析柱塞泵的工作原理的基础上,对柱塞泵进行了改进设计和三维实体建模,并进行了柱塞泵的装配和运动仿真,进一步验证了改进设计的正确性。
最后,通过对柱塞泵的运动分析,找出了影响柱塞泵流量和工作性能的因素,为柱塞泵的改良和优化设计奠定了基础。
关键词:
柱塞泵、Pro/E、仿真设计
指导老师签名:
SimulationdesignofthepistonpumpbasedonPro/EAbstract:
Theplungerpumpisafuelsupplydevice,commonlyusedinmachinerylubricationsystems.Itsworkingprincipleis:
Byrotatingthecamwhichfunctioningontheplungerpressedbyaspringandmakingtheplungerreciprocate,thuschangingthevolumeofpumpchamberandthepressuretopump,inhalingoiltothechamber,anddischargingtothelubricationsystem.Plungerpumpcanbedividedintotwoclassifications,namelyradialpistonpumpandaxialpistonpump.Plungerfollowingthecircumferenceoftheradialdistribution(plungerwithverticalshaft)isaradialpistonpump;distributionaccordingtothedirectionofdriveshaft(withshaftparallel)istheaxialpistonpump.Axialpistonpumphasadvantagesofcompactstructure,highpressure,easytoimplementvariableandasizesmallerthantheradialpistonpump.Themainissueofthedesignisabouttheproductdesignofpistonpumpandentities’simulationdesigningbasedonPro/Esoftware.Pro/Esoftwareisbyfarthemostpowerfulfullparametricdesigningsoftware.UsingPro/Eforthesimulationdesigningofplungerpump,wecansimulatetherealsituation,identifyproblemsandanalyzeproblems,soastoachieveoptimalandthemosteconomicalone.Thisarticleexplainsindetailtheentireprocessofmodelingpistonpump,plungerpump’sassembly,aswellastheplunger’smotionsimulation,andwithotherthree-dimensionaldesigningsoftwaretoconductacomparativeanalysisofthemeritsanddemeritsofvarioustypesofdesignsoftware.ThisdiscoursefocusonallpartsofthepistonpumpandmotionsimulationbasedonPro/Esoftware,thuswewillmakeaclearerunderstandingwiththeworkingprincipleofthepistonpump.
Keywords:
pistonpump,Pro/E,SimulationandDesign
Instructorsignature
第一章绪论
1.1课题背景
随着工业技术的不断发展,液压传动也越来越广,而作为液压传动系统心脏的液压泵就显得更加重要了。
在容积式液压泵中,惟有柱塞泵是实现高压﹑高速化﹑大流量的一种最理想的结构,在相同功率情况下,径向往塞泵的径向尺寸大、径向力也大,常用于大扭矩、低转速工况,作为液压马达使用。
而轴向柱塞泵结构紧凑,径向尺寸小,转动惯量小,故转速较高;另外,轴向柱塞泵易于变量,能用多种方式自动调节流量,流量大。
由于上述特点,轴向柱塞泵被广泛使用于工程机械、起重运输、冶金、船舶等多种领域。
航空上,普遍用于飞机液压系统、操纵系统及航空发动机燃油系统中。
是飞机上所用的液压泵中最主要的一种型式。
本设计对柱塞泵的结构作了详细的研究,在柱塞泵中有阀配流﹑轴配流﹑端面配流三种配流方式。
这些配流方式被广泛应用于柱塞泵中,并对柱塞泵的高压﹑高速化起到了不可估量的作用。
可以说没有这些配流方式,就没有柱塞泵。
但是,由于这些配流方式在柱塞泵中的单一使用,也给柱塞泵带来了一定的不足。
柱塞式液压泵是靠柱塞在柱塞腔内的往复运动,改变柱塞腔容积实现吸油和排油的。
是容积式液压泵的一种。
柱塞式液压泵由于其主要零件柱塞和缸休均为圆柱形,加工方便配合精度高,密封性能好,工作压力高而得到广泛的应用。
柱塞式液压泵种类繁多,前者柱塞平行于缸体轴线,沿轴向按柱塞运动形式可分为轴向柱塞式和径向柱塞式两大类运动,后者柱塞垂直于配油轴,沿径向运动。
这两类泵既可作为液压泵用,也可作为液压马达用。
1.2本课题的研究意义
用Pro/E进行柱塞泵的仿真设计可以模拟真实情况,发现问题、分析问题,从而达到最优化、最经济的设计目的。
本文详细讲解了整个柱塞泵的设计过程,以及柱塞泵的运动仿真,从而对柱塞泵的工作原理有了更清晰的认识。
在柱塞泵的设计制造过程中引进仿真技术可以大大缩短柱塞泵的研发周期、降低研发成本、提高可靠性。
1.3国内外发展概况
泵是通用机械行业的重要组成部分,其产品广泛应用于电力、水利、石油开采、石油化工、城市污水处理及半导体等行业,具有产品产量大,应用范围广的显著特点,是国民经济的重要组成部分。
随着国内经济的发展和国际环境的不断改善,中国的泵设备市场得到了飞速的发展,一方面,国际大型泵及真空设备厂商不断加大在中国的投资力度,建立了一大批高水平的工厂,销售网点及技术支持中心,另一方面,中国泵及真空设备厂商也不断发展优势产品,努力扩大产品出口。
2006年中国泵行业的发展状况良好,资产总计达到了433亿元,比2005年同期增长了14.08%,销售收入为422亿元,比2005年同期增长了17.55%,利润总额为38.7亿元,比2005年同期增长了92.53%。
在看到中国泵行业迅速发展、竞争实力迅猛提升的同时也要看到,与国外大型先进泵设备厂商相比,中国厂商仍具有规模小,技术水平低,在新产品、新技术、新工艺开发等方面投入不足等缺点。
由于中国厂商在高端技术上与国外大厂商存在的较大差距,技术含量较高的泵类产品市场被国外产品占据了较大份额。
国外泵行业正在加快并购重组步伐,泵制造厂家数量会不断减少,跨国泵业公司间的竞争和垄断进一步加剧。
据不完全统计,自2000年以来,国外泵行业已有80起大的合并和收购,通过这种集团化的合作发展战略,不仅可以得到最大的经济规模,还有利于利用原来的商标和知名度实现可持续发展。
未来3~5年,国内泵行业仍将保持11%~12%的增长速度。
特别是得益于国家实行积极的政策和扩大内需的拉动,电力、钢铁、石化等国民经济主要部门和城市基础设施建设需求的持续增长,中国泵行业还将会以高出机械工业2%~3%的速度持续发展。
“西气东输”“西电东送”“南水北调”等国家重点项目的开工需要大量的泵阀产品配套;随着发达国家调整产业结构,中国正逐渐成为世界制造业转移的主战场,也使泵业面临更大的发展空间。
据中国泵业协会预测到2010年,泵业工业总产值预计达到180亿元,销售收入达190亿元。
当前,轴向柱塞泵的发展趋势是:
高压化,高速化,大流量化.要实现这些目标的关键问题之一是要合理设计轴向柱塞泵中的各种类型的摩擦副,使之形成适当的油膜,以提高柱塞泵的工作效率和寿命.配流副是轴向柱塞泵中最关键的摩擦副之一,也是最容易磨损失效的部件.因此,为了设计性能优良的高压,高速,大流量轴向柱塞泵,研究配流副的润滑特性机理是十分重要的.
1.4本课题的研究内容和方法
本设计课题主要进行柱塞泵的产品设计和基于Pro/E软件的实体仿真设计,用ProE软件进行柱塞泵各零件的设计,并进行装配,再进入ProE的机构模块进行机构分析。
用Pro/E进行柱塞泵的仿真设计可以模拟真实情况,发现问题、分析问题,从而达到最优化最经济的设计目的。
从而对柱塞泵的工作原理有了更清晰的认识。
本设计课题主要是基于美国PTC公司发布的Pro/EngineerWildFire3.0,其次,还要进行广泛的调查、研究等实践工作,用以收集柱塞泵的各种资料。
总的来说,在控制技术高度发展的今天,对柱塞泵的研究及其有关的学科和领域仍是值得深入研究的课题,具有很大的应用价值和现实意义。
第二章轴向柱塞泵
2.1柱塞泵的基本概念
柱塞泵是一种供油装置,常用于机器的润滑系统中。
它的工作原理是:
靠凸轮旋转,由凸轮作用在弹簧压紧的柱塞上,使柱塞做往复运动,因而不断改变泵腔的容积和压力,将润滑油吸入泵腔,并排到润滑系统中。
柱塞往复运动距离,依靠凸轮的偏心距尺寸。
当凸轮按逆时针方向旋转时,凸轮旋转半径逐步减少,柱塞在压缩弹簧的作用力下,逐步向右移动,泵腔的容积逐步增大,而压力逐步减少,润滑油受外界大气压的作用下,推开上方单向阀门(吸油阀)的球体而进入泵腔中。
当凸轮轴继续旋转时,凸轮旋转半径逐步增大,柱塞在凸轮作用下,克服弹簧压力往左移动,上方单向阀中的球体在弹簧作用下,关紧阀门,此时,泵腔容积逐步减少,压力逐步增大,由于润滑油从下方单向阀(排油阀)克服弹簧压力,推开钢球,流到供油润滑系统中,凸轮轴不断旋转达到供油不间断。
柱塞泵是依靠柱塞在缸体孔内作往复运动时产生的容积变化进行吸油和压油的。
由于柱塞和缸体内孔都是圆柱表面,很容易得到高精度的配合,密封性能好,在高压下工作仍能保持较高的容积效率和总效率。
因此,现在柱塞泵的形式众多,性能各异,应用非常广泛。
2.2柱塞泵的分类
根据柱塞的布置和运动方向与传动主轴相对位置的不同,柱塞泵分为轴向柱塞泵和径向柱塞泵两种代表性的结构形式;由于径向柱塞泵属于一种新型的技术含量比较高的高效泵,随着国产化的不断加快,径向柱塞泵必然会成为柱塞泵应用领域的重要组成部分。
2.3轴向柱塞泵简介
轴向柱塞泵是利用与传动轴平行的柱塞在柱塞孔内往复运动所产生的容积变化来进行工作的。
由于柱塞和柱塞孔都是圆形零件,加工时可以达到很高的精度配合,因此容积效率高,运转平稳,流量均匀性好,噪声低,工作压力高等优点,但对液压油的污染较敏感,结构较复杂,造价较高。
柱塞泵是液压驱动系统中常用的压力油提供元件,被广泛应用于各类工程机械中。
由于现在我国国内自行设计生产的柱塞泵普遍存在结构老化、控制方法单一的问题,现状促使我们开发一款在结构功能上能够适应现代化生产高要求的柱塞泵。
柱塞泵有许多结构形式,斜盘式轴向柱塞变量泵是诸多柱塞泵结构中结构比较先进,最能适应现代作业大流量、高压力、体积小要求的柱塞泵结构形式;并且对于实现多种流量、压力控制有着较大的优势
柱塞泵的泵油机构包括两套精密偶件:
柱塞和柱塞套构成柱塞偶件、出油阀和出油阀座构成出油阀偶件柱塞和柱塞套是一对精密偶件,经配对研磨后不能互换,要求有高的精度和光洁度和好的耐磨性,其径向间隙为0.002~0.003mm柱塞头部圆柱面上切有斜槽,并通过径向孔、轴向孔与顶部相通,其目的是改变循环供油量;柱塞套上制有进、回油孔,均与泵上体内低压油腔相通,柱塞套装入泵上体后,应用定位螺钉定位。
柱塞头部斜槽的位置不同,改变供油量的方法也不同。
出油阀和出油阀座也是一对精密偶件,配对研磨后不能互换,其配合间隙为0.01mm。
出油阀是一个单向阀,在弹簧压力作用下,阀上部圆锥面与阀座严密配合,其作用是在停供时,将高压油管与柱塞上端空腔隔绝,防止高压油管内的油倒流入喷油泵内。
出油阀的下部呈十字断面,既能导向,又能通过柴油。
出油阀的锥面下有一个小的圆柱面,称为减压环带,其作用是在供油终了时,使高压油管内的油压迅速下降,避免喷孔处产生滴油现象。
当环带落入阀座内时则使上方容积很快增大,压力迅速减小,停喷迅速。
工作时,在喷油泵凸轮轴上的凸轮与柱塞弹簧的作用下,迫使柱塞作上、下往复运动,从而完成泵油任务,泵油过程可分为以下三个阶段。
进油过程、供油过程、回油过程。
2.4轴向柱塞泵工作原理
(柱塞泵工作原理)图2-1柱塞泵工作原理
一个柱塞泵上有两个单向阀,并且方向相反,柱塞向一个方向运动时,缸内出现负压,这时一个单向阀打开液体被吸入缸内,柱塞向另一个方向运动时,将液体压缩后另一个单向阀被打开,被吸入缸内的液体被排出.这种工作方式连续运动后就形成连续供油.。
柱塞泵是一种供油装置,常用于机器的润滑系统中。
它的工作原理(见图2-1)是:
靠凸轮旋转,由凸轮作用在弹簧压紧的柱塞上,使柱塞做往复运动,因而不断改变泵腔的容积和压力,将润滑油吸入泵腔,并排到润滑系统中。
柱塞往复运动距离,依靠凸轮的偏心距尺寸。
当凸轮按逆时针方向旋转时,凸轮旋转半径逐步减少,柱塞在压缩弹簧的作用力下,逐步向右移动,泵腔的容积逐步增大,而压力逐步减少,润滑油受外界大气压的作用下,推开上方单向阀门(吸油阀)的球体而进入泵腔中。
当凸轮轴继续旋转时,凸轮旋转半径逐步增大,柱塞在凸轮作用下,克服弹簧压力往左移动,上方单向阀中的球体在弹簧作用下,关紧阀门,此时,泵腔容积逐步减少,压力逐步增大,由于润滑油从下方单向阀(排油阀)克服弹簧压力,推开钢球,流到供油润滑系统中,凸轮轴不断旋转达到供油不间断。
柱塞泵是依靠柱塞在缸体孔内作往复运动时产生的容积变化进行吸油和压油的。
由于柱塞和缸体内孔都是圆柱表面,很容易得到高精度的配合,密封性能好,在高压下工作仍能保持较高的容积效率和总效率。
因此,现在柱塞泵的形式众多,性能各异,应用非常广泛。
2.5轴向柱塞泵的工作过程
进油过程:
当凸轮的凸起部分转过去后,在弹簧力的作用下,柱塞向下运动,柱塞上部
(吸油过程)图2-2吸油过程,
空间(称为泵油室)产生真空度,当柱塞上端面把柱塞套上的进油孔打开后,充满在油泵上体油道内的柴油经油孔进入泵油室,柱塞运动到下止点,进油结束。
具体见图2-2。
供油过程:
当凸轮轴转到凸轮的凸起部分顶起滚轮体时,柱塞弹簧被压缩,柱塞向上运动,燃油受压,一部分燃油经油孔流回喷油泵上体油腔。
当柱塞顶面遮住套筒上进油孔的上缘时,由于柱塞和套筒的配合间隙很小(0.0015-0.0025mm)使柱塞顶部的泵油室成为一个密封油腔,柱塞继续上升,泵油室内的油压迅速升高,泵油压力>出油阀弹簧力+高压油管剩余压力时,推开出油阀,高压柴油经出油阀进入高压油管,通过喷油器喷入燃烧室。
(供油过程)
回油过程:
柱塞向上供油,当上行到柱塞上的斜槽(停供边)与套筒上的回油孔相通时,泵油室低压油路便与柱塞头部的中孔和径向孔及斜槽沟通,油压骤然下降,出油阀在弹簧力的作用下迅速关闭,停止供油。
此后柱塞还要上行,当凸轮的凸起部分转过去后,在弹簧的作用下,柱塞又下行。
此时便开始了下一个循环。
2.6轴向柱塞泵特性
柱塞泵是一种供油装置,常用于机器的润滑系统中。
它的工作原理是:
靠凸轮旋转,由凸轮作用在弹簧压紧的柱塞上,使柱塞做往复运动,因而不断改变泵腔的容积和压力,将润滑油吸入泵腔,并排到润滑系统中。
斜轴式轴向柱塞泵与直轴式轴向柱塞泵相比,具有如下优点:
1)柱塞的侧向力小,因而由此引起的摩擦损失很小。
2)主轴与缸体的轴线夹角较大,斜轴式泵一般为25°,最大达40°;而直轴式是15°,最大20°,所以斜轴式泵变量范围大。
3)主轴不穿过配油盘,故其球面配油盘的分布圆直径可以设计得较小,在同样工作压力下摩擦副的比功率(pv)较小,因此可以提高泵的转速。
4)连杆球头和主轴盘连接比较牢固,故自吸能力较强。
5)转动部件的转动惯量小,其动特性好,启动效率高。
(液压泵的特性曲线)
2.7液压泵中的气穴现象
液压泵在吸油过程中,吸油腔中的绝对压力会低于大气压。
如果液压泵离油面很高,吸油口处过滤器和管道阻力大,油液的粘度过大,则液压泵吸油腔中的压力就很容易低于油液的空气分离压,从而出现气穴现象,产生噪声,引起振动,使泵的零件腐蚀损坏。
如图为液压泵的吸油管路,可以用来计算液压泵不产生气穴的条件。
按伯努利方程,泵入口处的能量位(取动能修正系α=1)
式中
----大气绝对压力;
----吸入高度;
----泵吸入口绝对压力;
----泵吸入口处的流速;
----吸入管道内的总损失。
设油液的空气分离压为
(绝对压力),则式中必须大于才不会产生气穴。
定义有效吸入压力头NSPH为
该值表征了液压泵产生气穴的倾向。
如果在泵内由于液压加速或其他损失引起的压力降为ΔP,且在NSPH时泵内最低压力达到,即产生气穴现象,故不产生气穴现象的条件为:
NSPH>Δp/ρg
图2……
液压泵的NSPH值可以从图中求出。
例如,泵的流量为38L/min,转速为1800r/min时,由图可球的NSPH=1.58m液柱(绝对压力)
液压泵是否谄上欺下亦可由图加以判定。
图中的气穴因子e与油液在泵内达到泵运转部件速度所要求的加速度有关。
E值越大
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