基于Pro／E的車載往復(fù)泵運(yùn)動(dòng)仿真分析

朱 舟，王雨團(tuán)，鄭宏乾，唐春玲，李迎科

（寶雞航天動(dòng)力泵業(yè)有限公司，陜西寶雞721000） ①

基于Pro／E的車載往復(fù)泵運(yùn)動(dòng)仿真分析

朱 舟，王雨團(tuán)，鄭宏乾，唐春玲，李迎科

（寶雞航天動(dòng)力泵業(yè)有限公司，陜西寶雞721000）①

對(duì)車載往復(fù)泵的曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，利用Pro／E Wildfire系列工程軟件完成了車載泵的三維建模；借助Pro／E的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和仿真；為車載往復(fù)泵整機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有效依據(jù)。

車載往復(fù)泵；曲柄連桿；齒輪副；運(yùn)動(dòng)仿真

車載往復(fù)泵以其體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、工作運(yùn)行平穩(wěn)，高泵效、使用可靠、維修方便等特點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于修井、鉆井、洗井、固井、壓裂等作業(yè)的循環(huán)系統(tǒng)。隨著石油開采技術(shù)的不斷提高，油田特種車的功能日益完善，這就要求其車載往復(fù)泵必須體積更小、輸出功率更大。對(duì)設(shè)計(jì)者而言，就需要將整泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加合理，布置更緊湊，尤其反映在泵動(dòng)力端的曲柄連桿運(yùn)動(dòng)副上。為了能準(zhǔn)確解決上述問(wèn)題，就需要借助三維軟件，在對(duì)泵設(shè)置模擬工況條件下，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，從直觀的角度觀察曲柄、連桿、十字頭、挺桿、柱塞（活塞）等關(guān)鍵部件的運(yùn)動(dòng)情況，觀察運(yùn)動(dòng)中有無(wú)干涉。傳統(tǒng)的二維軟件無(wú)法實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)仿真分析，或無(wú)法觀測(cè)運(yùn)行中的干涉，因此運(yùn)用Pro／E的MDX模塊完成給定模擬工況條件下車載往復(fù)泵的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和仿真，對(duì)整機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了十分可靠的理論依據(jù)。

1 車載泵運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程的整體思路

基于Pro／E Wildfire提供的一套完整的機(jī)械產(chǎn)品解決方案，此次車載往復(fù)泵運(yùn)動(dòng)仿真運(yùn)用MDX模塊，在給定的模擬工況下，實(shí)現(xiàn)仿真運(yùn)動(dòng)，仿真結(jié)果還以視頻圖像的形式表現(xiàn)。結(jié)合往復(fù)泵類產(chǎn)品研制的具體情況，根據(jù)用戶層出不窮的個(gè)性化需求，選用性能參數(shù)較高的車載壓裂泵為此次運(yùn)動(dòng)仿真對(duì)象，具體展開思路如圖1所示。

圖1 車載泵運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程的整體思路

2 基本零件的建模

以YLC700型壓裂泵為例，在最初的基本建模的過(guò)程中，需要了解此類壓裂泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)，熟悉了結(jié)構(gòu)和參數(shù)后，便可運(yùn)用Pro／E Wildfire 2.0中零件設(shè)計(jì)軟件對(duì)泵運(yùn)行過(guò)程中運(yùn)動(dòng)件逐一建模。曲軸、十字頭、齒輪的仿真模型如圖2～4所示。

圖2 曲軸的仿真模型

圖3 十字頭的仿真模型

圖4 齒輪的仿真模型

YLC700型壓裂泵參數(shù)為：

額定功率 296kW（400hp）

沖程長(zhǎng)度 160mm

柱塞直徑 90mm

最高壓力 70MPa

最高壓力時(shí)的泵沖 75min－1

最大流量 68m3／h

最大流量時(shí)的泵沖 371min－1

齒輪傳動(dòng)比 5.62∶1

單件建模過(guò)程中，在根據(jù)二維圖紙轉(zhuǎn)換為三維實(shí)體時(shí)，可以有效地查找圖紙中的問(wèn)題，從而提高生產(chǎn)圖紙的質(zhì)量，同時(shí)也提升了設(shè)計(jì)者對(duì)產(chǎn)品的感性認(rèn)識(shí)。但必須按Pro／E正確的畫法建模，這樣才能順利地進(jìn)行以下步驟。

3 組件模塊下對(duì)零件的機(jī)構(gòu)仿真裝配

前面提出的設(shè)計(jì)理念可保證產(chǎn)品零件在機(jī)構(gòu)仿真裝配的可實(shí)現(xiàn)性。雖然從模型成型角度講，機(jī)構(gòu)仿真裝配與零件裝配都是將單個(gè)零部件組裝成1個(gè)完整的機(jī)構(gòu)模型，但是從裝配方法和最終所要實(shí)現(xiàn)結(jié)果來(lái)看，兩者還是存在本質(zhì)區(qū)別的。下面就機(jī)構(gòu)仿真裝配與零件裝配作比較分析［1］。

3.1 相似點(diǎn)

1） 兩者皆在組件模塊下建模，皆利用“元件放置”對(duì)話框連接或安裝零部件。

2） 裝配和子裝配之間的關(guān)系相同，Pro／E將連接信息保存在裝配文件中，這意味著父裝配繼承了子裝配中的連接定義。

3.2 不同點(diǎn)

1） 創(chuàng)建機(jī)構(gòu)是應(yīng)用“元件放置”對(duì)話框的“連接”功能連接機(jī)構(gòu)中的各個(gè)構(gòu)件；而零件裝配直接在“元件放置”對(duì)話框中通過(guò)定義裝配約束來(lái)安裝各個(gè)零部件。

2） 由零件裝配得到裝配體，其內(nèi)部的零部件之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)；而由連接得到的機(jī)構(gòu)，其內(nèi)部的構(gòu)件之間可以產(chǎn)生一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)以上對(duì)比，必須按照對(duì)話框的“連接”功能連接壓裂泵運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，而且還需依靠Pro／E組件的裝配基本概念完成運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的裝配（如圖5所示），再將外圍相對(duì)靜止的零件逐一按零件裝配組裝，形成完整的機(jī)構(gòu)模型（如圖6所示）。

圖5 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的裝配

圖6 完整的機(jī)構(gòu)模型

4 創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)器 輸入實(shí)際轉(zhuǎn)速

完成裝配后，進(jìn)入“機(jī)構(gòu)”工作環(huán)境，同時(shí)點(diǎn)擊機(jī)構(gòu)中“連接”選項(xiàng)，此時(shí)系統(tǒng)將彈出“連接組件”對(duì)話框，單擊對(duì)話框中的“運(yùn)行”按鈕，檢查裝配的連接情況。若連接成功，系統(tǒng)將彈出如圖7所示的“確認(rèn)”對(duì)話框。單擊對(duì)話框中的“是”，確認(rèn)檢查結(jié)果，根據(jù)特征操作，創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)器（如圖8所示）。

圖8中，速度常數(shù)A按下式計(jì)算，即

式中，A為速度常數(shù)，（°）／s；n為原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r／min；i為泵齒輪傳動(dòng)比；m為外圍減速比。

圖7 確認(rèn)對(duì)話框

圖8 驅(qū)動(dòng)器創(chuàng)建界面

5 模擬仿真運(yùn)行

按以上所創(chuàng)建的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，在分析定義時(shí)注意終止時(shí)間的定義（最好能保證曲軸完成幾次轉(zhuǎn)動(dòng)），然后再回放以前的運(yùn)動(dòng)分析，仔細(xì)觀察運(yùn)動(dòng)過(guò)程，查看運(yùn)動(dòng)有無(wú)干涉現(xiàn)象，捕獲運(yùn)動(dòng)過(guò)程，制作成MPEG格式的視頻動(dòng)畫。同時(shí)在曲軸曲拐處，取一點(diǎn)再做“測(cè)量分析”，繪制圖形如圖9。

圖9 曲軸運(yùn)動(dòng)軌跡

由圖9可見：運(yùn)動(dòng)軌跡為規(guī)則的余弦曲線，從而證明運(yùn)動(dòng)中無(wú)干涉現(xiàn)象，而且說(shuō)明從零件設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)裝配到運(yùn)行分析，都符合壓裂泵實(shí)體真實(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)所表現(xiàn)的特性。

6 結(jié)論

1） 利用三維軟件對(duì)車載泵的結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體的三維建模。

2） 通過(guò)對(duì)模型的運(yùn)動(dòng)仿真分析，利用三維軟件的功能特性，觀測(cè)出干涉情況，根據(jù)采集的運(yùn)動(dòng)圖形分析車載泵整體結(jié)構(gòu)的合理性。

3） 將運(yùn)動(dòng)仿真的結(jié)果導(dǎo)出，制作成視頻動(dòng)畫，利于直觀觀察，同時(shí)也能與實(shí)體對(duì)比，起到更全面觀測(cè)作用。

［1］ 余 林，李 華.Pro／E輔助設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)教程［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2007.

［2］ 朱俊華，站長(zhǎng)松.往復(fù)泵［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992：70－120.

［4］ 方建軍，劉仕良.機(jī)械動(dòng)態(tài)仿真與工程分析——Pro／ENGINEER Wildfire工程應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［4］ 祝凌云，李 斌.Pro／ENGINEER運(yùn)動(dòng)仿真和有限元仿真［M］.北京：人民郵電出版社，2004.

Vehicle of Reciprocating Pump for Motion Simulation Based on Pro／E

ZHU Zhou，WANG Yu－tuan，ZHENG Hong－qian，TANG Chun－ling，LI Ying－ke（Baoji Aerospace Power Pump Co.，Ltd.，Baoji 721000，China）

The force on vehicle of reciprocating pump for the motion simulation of crank linkage of the crankshaft were analyzed and three－dimensional model of vehicle of reciprocating pump with engineering software Pro／E Wildfire was completed.The analysis and simulate movement were made for the movement mechanism simulation by using Pro／E.This result provides the basis for vehicle of reciprocating pump whole design.

vehicle of reciprocating pump；crank linkage；gear mechanism；motion simulation

1001－3482（2011）12－0055－04

TE926

A

2011－06－27

朱 舟（1983－），男，陜西安康人，主要從事往復(fù)泵研究，E－mail：zhuzhou1983927＠163.com。