单螺杆泵运动学仿真及转子动力特性研究

论文摘要

单螺杆泵是一种内啮合的密闭式螺杆泵,与其他类型泵相比具有诸多不可替代的优点,广泛适用于石油、化工和污水处理等工业。如今单螺杆泵的应用范围越来越广,对单螺杆泵的使用要求越来越高,社会上需求多品种高性能单螺杆泵的用户也越来越多,因此对单螺杆泵的基础理论研究是非常必要的。本文引入现代设计和分析方法对单螺杆泵的运动学和转子的动力特性进行研究,其研究结论对于泵的设计计算、结构优化和选择使用都具有重要意义。根据单螺杆泵定、转子型面成型原理,在Pro/Engineer软件中建立了转子和定子的实体模型并进行了虚拟装配。对装配体进行了空载状态下的静态和动态干涉检查,验证了所建立的实体模型及其装配关系的正确性。理论分析了转子在定子中的运动特点及转子上点的速度分布规律,并利用Pro/Engineer软件的机构运动分析模块对转子在定子中的运动进行了仿真分析,得到了转子断面中心及其外表面上各点的轨迹、位移、速度、加速度以及它们的变化规律。建立了转子力学模型,对转子的基本力学特性进行了较深入的分析,确定了单螺杆泵工作时转子的综合受力状况。单螺杆泵转子工作时,将受到由其旋转产生的惯性力、摩擦扭矩,以及由液压力所产生的轴向力、横向力、负载扭矩、倾倒力矩的作用,力和力矩的大小由泵的结构参数和工作参数决定。分析了单螺杆泵密封腔压力分布特征,以周期变化的压力载荷为激振力,采用有限元思想将连续变化的压力承载面离散处理,建立了转子瞬态特性分析的有限元模型。利用ANSYS软件对转子进行瞬态动力学分析,结合APDL程序实现了动压力的加载,得到了转子的动位移和动应力响应。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 螺杆泵的应用及分类
• 1.1.1 螺杆泵的应用
• 1.1.2 螺杆泵的分类
• 1.2 单螺杆泵的结构、类型、工作原理及特点
• 1.2.1 单螺杆泵的结构及类型
• 1.2.2 单螺杆泵的工作原理
• 1.2.3 单螺杆泵的特点
• 1.3 单螺杆泵的发展及研究概述
• 1.3.1 单螺杆泵的发展
• 1.3.2 单螺杆泵基础理论研究概述
• 1.3.3 单螺杆泵工作特性研究概述
• 1.4 本文研究背景及意义
• 1.5 本文研究的主要内容
• 第二章 单螺杆泵转子和定子型面成型原理及线型方程
• 2.1 转子和定子型面成型原理
• 2.2 螺杆—衬套副的线型方程
• 2.2.1 螺杆的轴向线型及其方程
• 2.2.2 衬套的轴向线型及其方程
• 2.3 本章小结
• 第三章 单螺杆泵转子和定子实体建模及干涉检查
• 3.1 定子和转子实体建模的建立
• 3.1.1 Pro/Engineer Wildfire简介
• 3.1.2 转子实体建模
• 3.1.3 定子实体建模
• 3.2 碰撞干涉检查常用方法
• 3.3 转子和定子空载静态干涉检查
• 3.3.1 定子与转子的正确装配
• 3.3.2 转子和定子空载静态干涉检查
• 3.4 空载动态干涉检查
• 3.4.1 Pro/Mechanism简介
• 3.4.2 添加运动辅助工具
• 3.4.3 运动分析模型的创建
• 3.4.4 空载动态干涉检查
• 3.5 本章小结
• 第四章 单螺杆泵运动学分析
• 4.1 转子的自转和公转
• 4.2 转子在衬套中的运动特点
• 4.3 转子上点的运动学分析
• 4.3.1 转子断面中心点运动学分析
• 4.3.2 转子外表面上点运动学分析
• 4.3.3 定子与转子啮合点速度分析
• 4.4 基于Pro/Mechanism的单螺杆泵运动学分析
• 4.4.1 转子外表面上点的运动轨迹分析
• 4.4.2 转子上点的位移分析
• 4.4.3 转子上点的速度分析
• 4.4.4 转子上点的加速度分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 单螺杆泵转子力学特性分析
• 5.1 转子液压力分析
• 5.1.1 分析模型的确定
• 5.1.2 转子所受液压力分析
• 5.2 液压力施压的转子转矩分析
• 5.2.1 负载扭矩
• 5.2.2 倾倒力矩
• 5.3 正压力轴向力分析
• 5.4 转子摩擦扭矩的计算
• 5.5 惯性力的计算
• 5.6 转子综合受力状况
• 5.7 本章小结
• 第六章 单螺杆泵转子瞬态动力学分析
• 6.1 密封腔压力分布特征
• 6.1.1 密封腔室的分布
• 6.1.2 封闭腔室压力的分布特征
• 6.2 有限元分析方法
• 6.2.1 有限元法理论
• 6.2.2 结构动力学有限元解法
• 6.2.3 瞬态动力学问题及解法
• 6.2.4 ANSYS软件简介
• 6.3 转子瞬态动力学模型的建立
• 6.3.1 转子三维实体模型的建立
• 6.3.2 ANSYS与 Pro/Engineer接口设置
• 6.3.3 转子有限元分析模型的建立
• 6.4 瞬态动力学边界处理及加载
• 6.4.1 加载模型的简化与常规载荷、约束的加载
• 6.4.2 压力载荷的加载
• 6.5 瞬态过程求解及结果分析
• 6.5.1 转子位移变化结果
• 6.5.2 转子应力变化结果
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果
• 致谢