往复泵曲柄连杆机构设计与动力特性研究

论文摘要

往复泵在多种工业领域发挥着重要作用,是一种非常重要的泵形式;曲柄连杆机构在往复泵工作过程中把传动机构的旋转运动转化为柱塞往复运动,是往复泵结构中的关键部件。现代工业技术的发展对曲柄连杆机构的性能提出了更高的要求,以手工计算为主的传统设计方法也已经不能满足企业对市场竞争的需要。本文课题来源于机械传动国家重点实验室与企业合作项目。通过课题的开展,为企业开发出两支点三拐曲轴设计计算与校核程序,使此类机构的设计人员从繁重的手工劳动中摆脱出来,极大提高了工作效率和节省设计费用,提高了企业的市场竞争力,具有较高的实用价值;课题通过采用计算机编程技术、功率键合图方法、CAD和多体动力学仿真对曲轴连杆机构动力学特性作了深入的研究和分析,具有较高的学术价值。本文所做主要工作如下:本文根据机械系统运动学和动力学原理,建立往复泵曲柄连杆机构力学模型,推导出该机构在工作过程中所受内、外力的计算公式和强度、刚度校核的一般方法;在此基础上进行参数化设计,采用Visual Basic6.0语言开发出两支点三拐曲轴设计计算与校核通用程序。本文基于功率键合图和Matlab软件的理论和方法,建立了卧式单联往复泵和卧式三联往复泵曲柄连杆机构的键合图模型,推导出系统的状态方程,并应用Matlab软件对系统进行动态仿真,得出了机构的动态特性并分析参数变化对动态特性的影响。在采用PRO/E软件建立卧式三联往复泵曲柄连杆机构三维实体及装配模型基础上,本文采用多体动力学仿真软件ADAMS对卧式三联往复泵曲柄连杆机构进行了运动学和动力学仿真分析,得到该机构各构件的运动学特性,并验证该机构的动力学性能。本文的研究工作,为企业提供了方便有效的曲轴设计校核工具,大大提高了设计工作的效率;得到机构的动态特性曲线,分析了连杆转化成往复运动质量的转化系数变化λ对连杆力的影响,获得了参数变化时连杆力随曲轴转角变化的规律曲线和活塞、连杆的运动规律,连杆大头的受力情况,两端支反力以及受最大载荷的时刻,为曲轴的设计提供了重要的参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 课题研究的目的和意义
• 1.3 曲柄连杆机构设计方法和研究现状
• 1.3.1 理论方法
• 1.3.2 现代设计方法在往复泵曲柄连杆机构开发中的应用
• 1.4 课题研究的主要内容
• 2 曲轴动力计算及校核方法
• 2.1 引言
• 2.2 曲柄连杆机构运动学
• 2.3 曲柄连杆机构动力学
• 2.3.1 曲柄连杆机构受力
• 2.3.2 两支点三拐曲轴动力计算
• 2.4 曲轴强度校核
• 2.4.1 静强度校核
• 2.4.2 疲劳强度校核
• 2.5 曲轴刚度校核
• 2.6 本章小结
• 3 两支点三拐曲轴动力计算与校核程序开发
• 3.1 引言
• 3.2 VISUAL BASIC 程序开发语言简介
• 3.3 应用程序开发
• 3.3.1 程序设计总体规划
• 3.3.2 密码验证
• 3.3.3 参数计算
• 3.3.4 计算结果输出
• 3.4 程序说明
• 3.4.1 程序工作流程
• 3.4.2 程序主要操作界面
• 3.5 实际算例
• 3.6 本章小结
• 4 键合图法在曲柄连杆机构分析中的应用
• 4.1 引言
• 4.2 状态空间法
• 4.3 键合图基本原理
• 4.3.1 键及其变量
• 4.3.2 功率流方向
• 4.3.3 键合图基本元件
• 4.3.4 通口的因果关系
• 4.4 曲柄连杆机构键合图研究
• 4.4.1 单缸单作用曲柄连杆机构的键合图模型
• 4.4.2 系统的状态方程
• 4.5 系统的动态仿真性能分析
• 4.5.1 微分方程求解
• 4.5.2 仿真分析
• 4.6 本章小结
• 5 曲柄连杆机构动力学仿真
• 5.1 引言
• 5.2 多刚体动力学概述
• 5.3 ADAMS 仿真的算法
• 5.3.1 动力学方程的建立
• 5.3.2 运动学分析
• 5.3.3 动力学分析
• 5.3.4 接触力分析
• 5.3.5 约束分析
• 5.4 曲柄连杆机构多刚体动力学模型
• 5.4.1 曲柄连杆机构三维实体模型的建立
• 5.4.2 曲轴轴系多刚体动力学模型
• 5.4.3 曲轴轴系多刚体动力学仿真分析
• 5.5 本章小结
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录