乳化液泵曲轴

2024-12-10|版权声明|我要投稿

乳化液泵曲轴(通用5篇)

乳化液泵曲轴 篇1

0引言

乳化液泵是综采工作面的重要设备,是支护设备的动力源,曲轴是乳化液泵的关键零件,其工作性能直接影响着乳化液泵的整体性能[1]。在实际工作中,由于曲轴受力情况极为复杂,再加上曲轴的制造及装配误差,致使曲轴的偏心问题总是难以解决。目前对于曲轴偏心问题的改进措施一直局限于传统的基本方法,如采用改进加工工艺、改进装夹方式、优化曲轴的制造结构[2,3,4]。改进夹具及装夹方式可使加工制造的精度提高,或利用三维建模及仿真将曲轴结构进行优化,虽可有效缓解偏心影响,但解决偏心影响的程度有限。

发明问题解决理论[5,6,7]( TRIZ) 总结出各种技术发展进化遵循的规律模式以及解决各种矛盾的创新原理和法则,建立一个实现创新开发综合理论体系。利用TRIZ理论来创新解决曲轴的偏心问题,以一种全新的思路,创造轴颈多维调整的空间,使问题得到初步解决,继而在结构中加入反馈机制使问题得以解决。这种开放性的思维方法可以用在其他多种技术领域,将会带来巨大的技术变革,对提高制造、技术能力具有重大影响。

笔者对乳化液泵曲轴偏心问题进行了研究,展开了基于TRIZ理论的冲突分析。

1乳化液泵曲轴箱概述

影响曲轴偏心的原因贯穿曲轴生产、安装与运行的整个过程。在生产阶段,会由于装夹方式、操作误差等使曲轴产生加工误差; 在安装阶段,由于各部件安装误差的积累,也会导致曲轴产生定位误差; 在曲轴工作运行中,通过误差的综合作用,将会导致曲轴的实际工作位置偏离理论工作位置,产生偏心现象,继而产生扭矩、强度刚度减弱及振动噪音问题。

曲轴原有支撑结构如图1所示。

曲轴于曲轴箱中采用多点支撑,共四套轴承,均匀分布,受力合理,延长了运行寿命。左边三套均采用双列调心滚子轴承,右边采用圆柱滚子轴承。左一轴承通过轴承杯将轴支撑,中间两套轴承直接将曲轴支撑,最右轴承通过轴承套将轴支撑。由于左、右两端轴承杯和轴承套的使用,如此通过支撑结构的层层嵌套使得误差叠加,增加了安装误差,导致左、右两端轴颈产生了位置误差; 并且因为轴承与轴颈是过盈配合,之间没有间隙,没有调整实际轴颈轴心线到理论位置的余地,这就使得误差无法校正。加上通过对曲轴进行考虑偏心的静力学分析,结果两处较大应力分别发生在最左端轴颈和靠近最右曲拐的轴承处,并且最左端轴颈处最易发生较大变形,靠近最右曲拐的轴承处最易发生强度和刚度不足[8]。实践表明,曲轴最左端和最右轴颈处最易出现断裂现象。各种原因显示左、右两端支撑轴颈的轴承处最易出现偏心,曲轴偏心会导致曲轴不满足所需的强度要求。

2利用 TRIZ 分析曲轴轴颈位置的调整

曲轴通过与轴承、轴承杯、轴承套固定于箱体,通过层层嵌套使得装置安装的复杂性提高。现欲改善这一性质,使装置结构变得简单,但这会使系统的稳定性下降,即随之恶化的是系统的稳定性。所以得出欲改善的参数: 36装置的复杂性; 欲恶化的参数: 13稳定性。查矛盾矩阵如表1所示。

得发明原理: 2分离原理,22变有害为有益原理,17维数变化原理,19周期性作用原理。经分析,其中对该问题有明显帮助作用的是17维数变化原理: 将一维空间中运动或静止的物体变成二维空间中运动或静止的物体,将二维空间中的物体变成三维空间中的物体。

由于原来的轴承与曲轴轴颈是过盈配合,轴承与轴颈之间没有间隙,没有调整实际轴径轴线到理论位置的余地。本研究联系TRIZ理论,利用17维数变化原理,寻找一种新的曲轴支撑结构来代替原来曲轴两端的支撑轴承,增加轴颈的自由度数目,使曲轴轴颈处于一个可调的空间中,同时又可以保证曲轴正常工作。

2. 1 解决方案

曲轴的转动由减速器带动,轴承对曲轴轴颈只起支撑作用,根据发明原理的指引寻找符合要求的支撑结构,现找出两种: 分别是空气轴承和磁悬浮轴承。下面针对这两种结构分别进行阐述。

2. 1. 1 空气轴承

空气轴承是一种用气体作为润滑介质的滑动轴承,是一种非接触系统,由于气体的粘度较低、摩擦功耗小,可保持极高的径向和轴向旋转精度。在高速旋转机械、节能环保等领域越来越受到广泛的应用和关注。

为满足轴与轴承的工作表面相对静止的时候也具有承载能力和刚度的要求,该方案以空气静压轴承且应用广泛的小孔节流空气轴承作为研究对象[9]。气膜压力由外部气源供给,压缩空气经节流器进入轴承间隙,形成具有一定压力的静压气膜,产生润滑和支撑作用; 压力空气最后连续地从轴承外边缘排入大气,泄压的缝隙极小,保证了转动轴的悬浮。

当曲轴上作用负载时,轴心会偏离轴承中心产生一偏心量,此时轴承一侧的气膜间隙变小而另一侧间隙变大,流体阻抗也对应地一侧增加而另一侧减小,即在偏心方向附近形成压力差; 同时,由于节流器的阻抗没有变化,轴承间隙减小侧气腔压力升高而另一侧压力降低,此时存在的压力差支承了负载,当压力气膜产生的总浮力与负载相平衡时工作轴承达到平衡位置[10]。轴颈可在该间隙中做轻微的位置调整以达到使轴颈尽量处于正确位置的目的。

2. 1. 2 磁悬浮轴承

磁悬浮轴承是由磁悬浮技术发展而产生的一种高性能机电一体化轴承。其工作原理是利用磁悬浮特性,使轴颈稳定悬浮于磁悬浮轴承中,轴颈得以在空间中调整位置,以达到减小曲轴偏心误差目的。并且无磨损,不需要润滑和密封,结构紧凑; 对轴的加工精度要求低,制造成本较低。

为保证曲轴强度,本研究使用一体式曲轴,材料为42Cr Mo钢,对曲轴左、右两端的支撑轴颈进行淬火后再激磁就会得到硬磁性; 磁悬浮轴承利用磁体的磁性,但磁极间不可避免会产生耦合效应,为降低该负面影响,对定子的数目和结构都有定性的要求; 磁极数一般选为8的倍数,梯形槽可使铁芯齿部的磁通密度分布均匀,并且其径向尺寸小,所以定子槽采用梯形槽。磁悬浮轴承结构简图如图2所示。

3利用 TRIZ 分析轴承的检测控制系统

空气轴承与磁悬浮轴承分别利用其电气比例阀控制系统与电磁控制系统来保证轴颈处于正确位置,前者利用空气来实现其控制功能,后者则利用电磁感应来实现功能,两者具有不同的监测控制机理,致使运用两种控制系统的难易程度不同,装置进行检测控制的简易与否对泵体的工作效率有着直接的关系。笔者利用TRIZ语言来描述这一问题即监控的困难程度与生产率的矛盾,欲改善的参数: 39生产率,欲恶化的参数: 37监控的困难程度; 查矛盾矩阵如表2所示。

得发明原理: 35物理或化学参数的改变、18机械振动、27廉价替代品、2抽取; 经分析对本方案作用最大的是35物理或化学参数的改变: 改变物体的物理状态; 改变物体的浓度或粘度; 改变物体的柔性、温度、压力。

运用到本方案中即考虑改变物体的物理参数。空气轴承与磁悬浮轴承采用不同的物理参数来实现控制,即前者采用介质气体,后者采用电磁感应,所以可以据此在两者中选择最为理想的方案,以下对两者的检测控制机理分别进行阐述。

3. 1 空气轴承检测控制系统

电气比例阀可以在转子运转过程中方便准确的去控制轴承的供气压力,经控制原件对电气比例阀的控制以调节供气量和供气压力,将偏移轴颈迅速调整至正确位置。空气静压轴承的基本设计原理是气体润滑理论,空气轴承反馈控制如图3所示。

润滑膜内气模力分布服从三次多项式,气膜力随偏心量、转速变化的表达式如下[11]:

式中: λ,ω—转子的偏心量和转速; f—气体轴承的气膜力; a,b……m—多项式系数; 该曲轴由减速器带动旋转,转速为一固定值,当 ω 为常数时:

式中: α,β,δ,ε—多项式系数,以此对供气量进行调节。

3. 2 磁悬浮轴承检测控制系统

磁悬浮轴承的调节控制运用机电一体化的方式将机械部分和电气部分结合起来,将运行、检测与控制联系起来,借以达到所需的目的[12]。机械部分由轴颈转子和带线圈的定子组成,电气部分由传感器、控制器和放大器等组成。磁悬浮轴承反馈控制如图4所示。

轴颈悬浮在轴承中,采用数字PID控制算法进行控制[13],由位移传感器监测转子轴心轨迹,一旦转子偏离所要求的位置,传感器就发出信号,伺服控制系统根据参考信号( 转子要求的位置信号) 与传感器信号之差值来调整定子线圈中的电流,迅速调节磁场力,使物体始终稳定在一定的位置范围之内,实现对转子的实时监控。

4结果分析

4. 1 方案选择

综合两次TRIZ的应用,由于空气轴承需要控制气体的量与压力,属于气压的传动与控制,相比之下,磁悬浮轴承采用电磁感应的数字控制系统更为精准;并且空气轴承设备对制造、使用的要求比较高; 且其结构不如磁悬浮轴承紧凑。因此适用于本场合,最佳解决方案为磁悬浮轴承。

4. 2 适用性分析

该乳化液泵曲轴在工作中会受到很大的径向力及较小的轴向力。依据电磁感应原理,曲轴旋转切割磁感线,曲轴磁悬浮轴承支撑结构如图5所示。磁悬浮轴承可以给曲轴提供周向的径向力,即磁悬浮轴承可以满足对曲轴的径向定位需求。左边轴承支撑处,依靠轴承杯、磁悬浮轴承外圈和压盖将曲轴轴向固定; 中间两普通调心滚子轴承依照原来结构依旧保持轴向固定曲轴的能力; 右边轴承支撑处,依靠轴承座、磁悬浮轴承外圈和孔用卡簧将曲轴轴向固定,曲轴系安装结构可以满足曲轴的轴向定位; 所以磁悬浮轴承可以满足所需的功能要求。

5结束语

本研究在明确了解乳化液泵偏心曲轴的基础上,利用TRIZ理论对产生曲轴偏心的原因及方案的选择分别进行矛盾分析,得出了磁悬浮轴承的解决方案。经分析,磁悬浮轴承可以有效作为曲轴的支撑,并且此技术方法与思路也可为其他类似轴的支撑结构的优化设计提供参考。磁悬浮轴承自产生以来,经过快速发展,现已能够满足各种场合的使用; 文中没有涉及磁悬浮轴承的安装使用问题,在实际工作中应详细地加以考虑。

将实际问题与TRIZ理论结合起来,利用TRIZ来寻找问题的突破点,根据发明原理得到问题的新型解决方法。事实表明TRIZ理论为产品创新方案的设计提供了一种切实有效的创新工具,伴随着新材料和新技术的不断产生和发展,相信依据TRIZ理论还会得出更加切实可行的创新方案,能够为产品的改进和创新提供更加宽广的思路。

乳化液泵曲轴 篇2

曲轴是发动机中承受冲击载荷、传递动力的重要零件,是大型机械、乃至整个工程机械不可或缺的重要部件。采煤机械中不可或缺的乳化液泵,其重要的部件就是曲轴,而泵的瞬时流量脉动要求较小,才能够运行比较平稳,故在乳化液泵中常采用多曲拐曲轴。曲轴的运动性能极大地影响着的乳化液泵体可靠性和寿命。然而由于曲轴存在偏心的曲拐,使得曲轴局部的质心总是偏离曲轴的旋转中心,当这种不平衡量较大时,将使得曲轴支撑端受到很大的交变应力,严重地影响曲轴运动精度,同时加剧轴承等支撑部件磨损,极大地降低了泵体的寿命[1]。

行为建模技术是在设计产品时,综合考虑产品所要求的功能行为、设计背景和几何图形等因素,采用知识捕捉和迭代求解的智能化方法,使设计师可以面对不断变化的要求,追求高度创新的、能满足行为和完善性要求的设计[2]。它根据设计所规定的功能行为、设计内容和几何要求,并能在需要改动时演示设计功能和分析设计的稳定性。该技术的强大功能体现在三个方面:智能化建模、目标驱动设计和开放式可扩展设计环境[3]。

1 RHB315/40乳化液泵曲轴的三维建模

曲拐的存在使得曲轴的质心不可避免地偏离曲轴的旋转中心,因此在曲轴设计阶段,应对曲轴进行动平衡计算,由于曲轴轴径、曲拐的偏心量和曲拐轴径数值的不同以及曲拐数的不同,曲轴结构可以有所不同。

一般汽车行业发动机的曲轴曲拐的偏心量与曲轴、曲拐轴径比值较大,并且曲拐数为偶数(四拐),其平衡块计算较简单,在一个曲拐单元中结构上采用一个曲拐配两个曲柄结构,平衡块的设计在两曲柄上,从而导致曲柄截面形状很复杂,而曲拐单元之间则用一定长度中轴连接,长度由柱塞缸之间的距离确定。如图1所示为内燃机KE495曲轴三维模型图[4]。

然而高压、大流量的乳化液泵由于泵体结构的限制,其曲轴的中轴、和曲拐轴的直径较大,但曲拐的偏心量与曲拐直径的比值相对小,曲拐单元间的连接中轴长度值相对于曲拐长度比值也比较小。如果还采用传统的方法设计乳化液泵的曲轴结构,不仅显得笨重、结构复杂,而且对曲轴加工带来很大困难。如图2所示是按照传统方法设计的RHB315/40型乳化液泵曲轴三维模型。

2 RHB315/40乳化液泵曲轴结构设计优化

2.1 RHB315/40型乳化液泵曲轴建模

由于曲轴在实际使用过程中在曲拐上还要连接连杆大端,必定增加一定偏心惯量,故在设计计算时对已配重平衡块乘上一定系数,从而导致曲轴实际上在工作时,更加剧了偏心量[6]。(曲轴旋转轴为Z轴)现给出RB315/40型乳化液泵曲轴模型信息:体积为9.3151212×106 mm3,惯性张量Ixx为2.899 330 3×1010 kg·mm2;质量为9.312 370 142×10 kg,惯性张量Ixy为-1.490 467 1×108 kg·mm2;X轴坐标为-3.591 636 3×10 mm,惯性张量Ixz为2.899 582 8×1011 kg·mm2;Y轴坐标为 -3.861 600 7×10 mm,惯性张量Iyx为-5.303 884 1×108 kg·mm2;Z轴坐标为-3.942 566 0×10 mm,惯性张量Iyy为4.212 182 8×1011 kg·mm2;回旋半径R1为5.576 910 0×10 mm,惯性张量Iyz为-2.382 922 7×104 kg·mm2;回旋半径R2为2.125 273 8×102 mm,惯性张量Izx为2.899 582 8×109 kg·mm2;回旋半径R3为2.127 974 4×102 mm,惯性张量Izy为-5.303 884 1×108 kg·mm2;主惯性力矩I1为2.897 182 0×1010 kg·mm2,惯性张量Izz为4.213 188 9×1011 kg·mm2。

由以上数据可知:该曲轴旋转惯性力没有完全平衡。另外,虽然曲轴的一级往复惯性力和力矩对外是平衡的,但是曲轴内部存在着很大的内弯矩,其回旋半径和惯性张量都较大。

2.2 曲轴的结构优化

基于以上原因,对高压、大流量乳化液泵曲轴结构提出新的设计思想,主要内容为:

1)基于曲轴整体结构简单,将两曲拐之间的曲柄和连接中轴设计成一体,作为新的曲柄;

2)将曲柄基块设计为圆柱体,且它的轴线与曲轴旋转轴重合;而曲柄平衡块则为平衡块圆柱体减去曲柄基块圆柱体所得的差,且平衡块截面圆的直径等于平衡块截面圆与曲柄基块截面圆公共弦长;如图3阴影部分所示。

根据原来曲轴的尺寸参数改进后得到新曲轴的各项尺寸参数,其加平衡块后三维模型图如图4所示。

3 RB315/40型乳化液泵曲轴行为建模

RB315/40型乳化液泵曲轴是由五个曲柄曲拐单元与曲轴轴径组成,为了简化优化运算现将曲轴划分为三个相同双曲拐曲柄单元和两个相同单曲拐曲柄单元及曲轴中径构成如图6所示。

图6中曲轴各尺寸的含义为:

d1为曲柄基圆的直径;d2为平衡块的直径;d3为曲拐的直径;L1为曲柄的厚度;L2为曲拐的厚度的一半;L3为曲拐圆心的偏心值;L4为平衡块圆心的偏心值。

由以上讨论结果,现对曲拐的曲柄单元进行分析:

(1)创建曲柄的质心和质心坐标系(由于整个曲柄选用同种材料,故重心和质心重合)。

为了能分析模型的质心,首先要赋予模型的一些物理特性,本文中曲柄选用合金钢40Cr,屈服极限为490 MPa,强度极限为685 MPa,弹性模量206 GPa,泊松比为0.3,密度为7.8×10-6 kg/mm3。

(2)创建质心与曲轴旋转轴线的测量。

定义尺寸关系:

由于乳化液泵箱体结构决定了相邻两曲拐的中心距为一定值,此处110 mm,建立关系式(1)。

L1=110-2L2(1)

平衡块的直径也随平衡块圆心的偏心量变化,建立关系式(2)。

d2=2d12/4-L42(2)

由两曲拐对称故,建立关系式(3)。

L5=L2(3)

此时,尺寸L1、d2、L2为约束尺寸,被自由尺寸L2、L4驱动[6]。

4 优化结果及分析

4.1 灵敏度分析

经运算后得出平衡块圆心偏心距变化时,模型质心到曲轴旋转轴距离的变化曲线,如图7所示。

对曲拐可得出两点结论:

a.当平衡块圆心偏心距由10 mm到80 mm变化时,模型质心到曲轴旋转轴距离逐渐变小,后又增大,再逐渐变小,后又增大,并在30 mm到40 mm和60 mm到70 mm区间上有极值;

b.它们的变化曲线近似地为二次曲线,且其纵轴值为正。

4.2 曲轴行为建模优化条件

为了曲轴运动平稳,曲轴的重心必须与它的旋转轴中心重合。虽然曲拐的旋转轴不能改变,但其设计条件能够改变,比如改变曲柄截面的形状。在该曲轴零件中,要求零件质量达到最小时,同时轴与质量中心之间的距离应最小[5]。

4.3 曲轴行为建模优化结果

迭代计算中d2尺寸与曲轴体积变化关系如图8所示。优化后的尺寸由表2所示。

根据表2和曲轴中径尺寸,建立了RB315/40优化后的曲轴模型如图9所示。

利用PRO/ENGINEER Wildfire分析功能得到优化后RB315/40型乳化液泵曲轴的模型质量信息。(本例中曲轴旋转轴为Z轴)由表2参数可得优化后RB315/40型乳化液泵曲轴模型。优化前、后RB315/40型乳化液泵曲轴模型信息如表3所示。

从表3中,可以明显分析出RB315/40型乳化液泵曲轴模型优化前的质量、体积和回旋半径均大于优化后的质量、体积和回旋半径值。从而达到对RB315/40型乳化液泵曲轴模型进行优化的目的。根据表3中的重心惯性的变化,曲轴重心在曲轴旋转轴线上,降低了乳化液泵在工作中不平衡量,从而降低了乳化液泵在工作时的振动,提高了乳化液泵使用寿命。

摘要:运用PRO/E行为建模模块对RB315/40乳化液泵曲轴结构进行优化设计。首先使曲轴的五个曲拐分别在局部实现动平衡,然后优化曲轴质量分布,改进曲轴质心在曲轴旋转轴线上的分布,从而优化设计,得到理想的曲轴模型。

关键词:曲轴,行为建模,动平衡,结构优化

参考文献

[1]李懿.乳化液泵虚拟样机仿真技术应用研究.太原:太原理工大学,2008

[2]彭智,周勇.行为建模技术在平面连杆机构设计中的应用.设备设计与维修.现代制造工程,2004;(12):89—90

[3]沈浩,杨君顺.Pro/Engineer行为建模优化设计的探索与实践.陕西科技大学学报,2003;(6):74—75

[4]基于三维有限元分析的KE495曲轴的改进设计,客车技术与研究,2002;(8):15—16

[5]韩红阁.基于Pro/Engineer行为建模的曲轴结构优化.农业科技与装备,2009;(4):29

乳化液泵曲轴 篇3

关键词:虚拟样机技术,乳化液泵,仿真

0 引言

借助于虚拟样机(Virtual Prototyping)技术,用户和设计人员可以在计算机上建立机械系统的模型,伴之以三维可视化处理,模拟在现实环境下系统的运动学和动力学特性。它以对象的动力学/运动学模型为核心,其它相关模型为补充,利用多领域建模工具和仿真技术建立对象的虚拟样机原型系统。由于虚拟样机完全按照对象最本质的因素建模,在动力学特性上非常接近于物理样机,因而对虚拟样机的仿真评估可以代替对物理样机总体设计性能的评估[1]。利用虚拟样机技术,可方便地修改设计参数,省时省力,可缩短研究周期,提高研究质量。

本文利用虚拟样机技术集成化的特点,以多体系统动力分析仿真软件ADAMS为核心,结合用CAD软件Pro/E建立的三维实体模型,建立了RB315/31.5型乳化液泵的虚拟样机,通过仿真得到了柱塞、连杆的动力学和运动学精确的分析结果。

1 RB315/31.5型乳化液泵三维实体模型的建立

几何模型是物理模型的基础,考虑到仿真软件ADAMS自身所提供的三维绘图工具并不适合于复杂几何体的构建,所以采用三维CAD专业软件Pro/E作为建模的前处理器。根据乳化液泵的结构以及工作原理,在不影响乳化液泵功能的前提下进行了合理的简化,建立了RB315/31.5型乳化液泵的三维实体模型,见图1。

2 RB315/31.5型乳化液泵物理模型的建立

2.1 Pro/E与ADAMS的数据转换

Pro/E和ADAMS之间有两种数据转换方法:一是在Pro/E中将模型定义为IGES、STEP、Parasolid等格式的图形文件,在ADAMS中通过ADAMSIExchange模块输入,用这种方法在传递模型时,会出现模型的几何精度较低、传输时间较长等现象,还可能出现丢失重要信息且不易精确定位等问题[2];二是利用Pro/E与ADAMS的专用接口软件Mechanism/Pro进行转换,Mechanism/Pro是ADAMS专门开发的用于Pro/E和ADAMS之间的数据接口,它采用无缝连接的方式,不但提高了模型的仿真精度和工作效率,还可以定义运动部件之间的约束、连接方式。本文中采用Mechanism/Pro进行模型数据传递。

为了让ADAMS便于识别导入的几何模型,将Pro/E装配图的各零件分别定义为物理模型的基础——部件(Part)。定义部件可以选用自动定义,也可单独定义。若选用自动(Automatic)定义,则Mechanism/Pro模块会自动将各装配零件(见图2中左侧列表)一一定义为部件,并多加一新部件(大地),作为其它部件运动的参考基准。也可根据各部件的动力学性质及相互关系,单独对装配体中各零件进行定义,起相应的名称,将乳化液泵的箱体定义为大地。为简化模型,还可以将没有相对运动的零件定义为同一部件。

部件定义后,就可向ADAMS进行转换,也可以先在Mechanism/Pro内对模型添加约束、驱动与载荷后再传输。但由于在Mechanism/Pro内对模型添加约束、驱动与载荷没有在ADAMS中方便,故本文采用向ADAMS直接传输模型。

2.2 创建约束副和驱动

2.2.1 创建约束副

约束可以确定部件之间的依附关系及相对运动关系,使模型中各个独立的部件联系起来形成有机的整体,这是将几何模型转化为物理模型至关重要的一步。约束施加的正确与否直接影响物理模型、动力学数学模型的准确性,也就会影响动力学分析的正确性。通过对乳化液泵进行动力学分析,建立了乳化液泵各部件间的运动约束关系,见表1。

箱体:机架与大地固定,因此在两者之间添加固定副(Fixed Joint),约束两者之间3个旋转和3个平移自由度。曲轴:相对于箱体做自转运动,因此在曲轴与箱体之间添加旋转运动副(Revolute Joint),只保留一个方向的旋转自由度。连杆:前端连接曲轴曲拐并绕曲轴曲拐轴线旋转,因此在连杆与曲轴曲拐之间添加旋转运动副(Revolute Joint );后端与滑块连接,并绕滑块销轴旋转,因此在连杆与滑块之间添加旋转运动副(Revolute Joint),保留一个平面的平动和一个轴的转动。滑块:在箱体滑道里滑行,因此在滑块与箱体之间添加滑移副(Translation Joint),只保留一个方向的平动。柱塞:固定在滑块上,因此在柱塞和滑块之间添加固定副(Fixed Joint),约束两者之间的3个旋转和3个平移自由度。泵头:固定在箱体上,因此在泵头和箱体之间添加固定副(Fixed Joint),约束两者之间的3个旋转和3个平移自由度。

2.2.2 创建驱动

乳化液泵在工作时,曲轴在机械或电机驱动下旋转,将机械能转化为液压能。因此,在乳化液泵物理模型中只对曲轴定义旋转驱动(Rotational Motion)。

另外驱动施加的位置对曲轴的内应力影响很大,为使仿真更精确,应对曲轴实际受力的位置加以定义,此处将驱动加在曲轴输入端轴径中点。

2.2.3 施加载荷

作为一个完整的物理模型,运动约束和部件受力往往是不可少的。乳化液泵在工作过程中,各个柱塞都要经历压缩与膨胀两个过程,会受到乳化液的作用力,正因为有此作用力,曲轴各曲拐压力会不平衡,因此在乳化液泵的模型中,必须施加液压作用力。

在ADAMS/Veiw中有4种类型的力,分别为作用力、柔性连接力、特殊力和接触力。因此,要采用函数表达式的形式定义液压力。获得柱塞所受液压力的数据文件,在ADAMS/View中根据数据文件绘制液压力的样条曲线,然后采用样条函数AKISPL表达式定义柱塞上的作用力(Single Component Force),见图3。

对几何模型施加运动学约束、驱动约束、载荷后,便建立了乳化液泵的刚性动力学模型,见图4。

3 仿真结果分析

3.1 连杆运动和受力分析

在仿真中研究连杆的运动速度,见图5,它为5个连杆合成图。图5表明连杆y方向的速度呈正弦变化,与连杆位移的理论计算式undefined相符合(其中:R为乳化液泵曲轴曲拐的偏心半径;φ为曲轴的转角;L为连杆的长度;L0为连杆质心到与滑块铰接处的距离)。并且在传动轴转速提高的情况下,连杆加速度急剧增大,由此造成很大的惯性力,见图6,这是乳化液泵振动的重要原因之一。

3.2 柱塞运动分析

柱塞的速度呈规则周期变化,与柱塞位移的理论计算式undefined相符合,见图7。同连杆一样在曲轴转速提高的情况下,柱塞加速度急剧增大,见图8,也造成很大的惯性力。图7和图8只给出了柱塞1的质心速度和加速度曲线,柱塞2~5的与之类似,只是存在一个相位差。

4 结论

虚拟样机技术在以后的仿真研究中必将成为一个备受关注的研究方向,通过建立虚拟仿真环境进行研究分析,可以降低试验成本,提高试验效率,缩短试验周期,对于研究分析轴向柱塞泵性能具有重要意义。

参考文献

[1]巫世品,王晓笋,胡建正,等.车辆行星传动系统虚拟样机技术研究与实践[J].中国机械工程,2005(3):550-553.

乳化液泵曲轴 篇4

关键词:AMESim,三柱塞,乳化液泵,仿真

0 引言

乳化液是煤矿综采工作面中液压支架和单体支柱的液压传动介质,它不仅承担着动力传递的角色,还在工作中起着润滑、冷却和防腐防锈等作用,被称为煤矿综采过程中的血液。乳化液泵作为乳化液传递的动力源,主要功能是实现机械能和液压能两种能量之间的转换,保证给煤矿综采工作面中的支护设备提供稳定的液压能,使得支护设备在生产过程中能充分发挥其性能的稳定性和有效性,提高煤炭安全生产的产量和效率,并改善工作人员在综采工作面中的工作环境[1]。乳化液泵性能的好坏直接决定着乳化液泵站的工作效率,因此,在现代煤矿综采工作面中选用一套高性能的乳化液泵是非常必要的。

1 乳化液泵工作原理

乳化液泵通常是卧式往复柱塞容积式液压泵,通过改变液腔的密闭容积来实现吸液和排液。往复式单柱塞泵的工作原理如图1所示。

乳化液泵工作过程如下:乳化液泵通电后,电动机通过齿轮减速器减速后驱动曲轴转动,曲轴的转动带动连杆运动,连杆带动滑块沿滑槽做往复直线运动;乳化液泵在工作过程中主要有吸液和排液两个动作,这就要求柱塞、排液阀和吸液阀都有良好的密封性;当连杆带动滑块向左滑动时,乳化液泵液缸中的容积会增大,在该密闭空间中会有负压的产生,乳化液箱中的乳化液在大气压的作用下顶开吸液阀,这样乳化液就进入到这个密闭空间中,这个过程称之为吸液;当曲轴转动到A点并继续逆时针转动时,曲轴继续带动连杆转动,连杆驱动滑块在滑槽内向右运动,此时,乳化液泵的吸液阀关闭,当滑块向右运动到一定的位置,液缸内达到一定的压力值时,排液阀打开,乳化液泵向工作面输送乳化液,这个过程叫做排液。

在整个工作过程中,曲轴持续旋转,曲轴每转动一周,滑块就做一次往复运动,这样乳化液泵就不停地进行吸液和排液这个过程。对于单柱塞乳化液泵来说,当曲轴的转角在270°时,泵的排量达到最大值,所以说,这种泵流量波动性很大,对工作面的供液也不稳定。对于三柱塞乳化液泵来说,时刻都有一个或者两个柱塞在进行吸液,两个或者一个柱塞在进行排液,而且,三柱塞乳化液泵曲轴是平均分布的,他们之间相隔120°,这样三柱塞乳化液泵对工作面的供液相对单柱塞泵来说就很稳定了,从而对工作面中的液压设备损坏程度较小。

2 乳化液泵液压仿真建模

乳化液泵作为乳化液泵站的关键设备之一,其性能的好坏决定着其是否能稳定、快速地将乳化液输送到工作面。本文中采用的乳化液泵型号为BRW125/31.5,对其在AMESim中进行建模,得到的仿真模型如图2所示。

乳化液泵中的工作介质为乳化液,在仿真过程中还需要对乳化液的参数进行设置,包括工作乳化液的摩擦系数和黏性参数。乳化液密度为890kg/m3,库仑摩擦系数Cf=0.3 Nm/(r/min),黏性阻尼系数Cr=20N·m/(r/min),同时保证乳化液的其他默认设置。在仿真过程中,设定乳化液泵的运行时间t=0.5s,采样周期T=0.001s。待系统的各个参数都设置完毕后,开始对系统进行仿真。

3 仿真结果分析

3.1 曲轴运动仿真

曲轴的转动角度θ随时间的变化规律如图3所示。曲轴的转动周期T=0.117s。

3.2 柱塞运动仿真

柱塞的位移和速度曲线如图4和图5所示。从图4和图5可以得出:柱塞位移s和速度v都是周期性变化的,周期T=0.117s,而且柱塞的滑动速度有极大值和极小值,其中,柱塞运动速度的极大值vmax=2.151m/s。由于柱塞转角和滑动速度都是周期性变化的,会造成泵工作的不稳定,使得阀芯对阀座发生碰撞,引起噪声和振动。柱塞速度的周期变化相对于转角速度的变化对泵各个部件的影响更加明显。柱塞速度过小,不仅会要求增加泵的径向尺寸,而且会导致泵的传动部件所承受的力增大,最终使得泵的尺寸和质量都会增加。但是,当柱塞的速度很大时,就会加剧乳化液泵各个零部件的磨损,当磨损达到一定程度时,会有乳化液泄漏严重这种现象的产生,从而导致乳化液的流量下降[2,3]。

3.3 柱塞腔内压力变化规律

柱塞腔内压力p变化规律如图6所示。从图6可得出:由于乳化液本身固有的可压缩特性和乳化液的流量不稳定等因素,柱塞腔中的压力p也出现不稳定的现象,也就是产生脉动现象。这种现象的存在不仅会滞后吸液阀和排液阀的动作,还会使得柱塞腔内的容积效率减小,从而使得乳化液泵在工作的过程中产生很大的噪声和振动[4]。

4 结论

本文使用AMESim对三柱塞乳化液泵进行了建模仿真分析。分析结果表明:该泵具有较好的稳定性,阀芯对阀座底部的冲击也小[5]。该泵更换零部件也很方便,大大提高了泵的使用寿命。

参考文献

[1]周晓谋,赵亚东.煤矿用乳化液泵站的设计[J].液压与气动,2012(2):65-66.

[2]刘金丽.煤矿乳化液泵的动态特性仿真分析[D].太原:太原理工大学,2012:1-25.

[3]孟平德,田百选,刘自强,等.用于原油集输的柱塞式往复泵研制[J].石油机械,2000,28(11):50-52.

[4]黄海飞,王希鹏.卡玛特乳化液泵泵头浅析[J].煤矿机械,2010,31(7):153-155.

乳化液泵曲轴 篇5

关键词:隔爆型,变频装置,井下供电

1 问题的提出

目前内蒙古黄陶勒盖煤炭有限责任公司巴彦高勒矿井采用的是BRW315/31.5型乳化液泵站, 配用电动机功率为315k W、电压1140V。当工作面设备需要供液时, 泵排出的高压乳化液进入系统执行元件采面设备动作。当采面不需供液或需要供液流量较小系统压力高于设定压力时, 泵排出的乳化液经卸载阀和回液管返回到泵箱的储液室, 卸载阀内的单向阀关闭, 高压系统与卸载回路隔断, 系统维持在高压状态, 处于空载运转状态。当采面液压系统的液压元件动作, 液压系统压力下降至卸载阀的恢复压力时, 卸载阀切断卸载回路, 打开单向阀向液压系统供液。随着综采工作的安装完成, 液压支架的推溜和移架等动作都是间歇性的, 每次的工作时间极短, 动作时间也不固定除在动作时间需要提供高压液体外, 其余多数时间液压系统执行元件都处于静止支撑状态, 不需要向系统供液。但为了保证执行液压元件随时都能动作, 乳化液泵站必须连续不间断运转。传统采用真空磁力启动器控制的乳化液泵站不能根据液压系统的实际需求量自动调整泵站的供液量, 系统长期处于高压大流量工作状态, 在工作面设备不需要高压液体时, 多余的液体只能通过卸载阀回流到乳化液箱, 系统运转磨擦产生的热量使泵体温度升高系统内密封件老化较快造成串液和漏液, 电动机和泵体一直处于全速运行状态加快了机械磨损, 卸载阀频繁开启和关断直接造成寿命较短, 增加维修频次和成本的投入。电动机采用直接启动方式, 启动电流为电动机额定电流的4~7倍, 对电网造成较大的冲击, 对电网容量的要求也较高。启动产生的振动和磨擦对泵体和阀门部件的损害极大。当工作面不需要高压液体时, 电动机仍然以额定转速运转, 泵站长期高负荷运行浪费了大量的电能。

2 改进实施方案

如图1所示, 针对原控制方式存在的问题, 将原矿用隔爆兼本质安全型真空电磁启动器控制乳化液泵站运行改为矿用隔爆兼本质安全型变频调速控制装置控制乳化液泵站运行。

乳化液泵站供电系统分别由四部分组成: (1) 矿用隔爆兼本质安全型变频调速控制装置 (ZJT1-315/1140) ; (2) 自动配油箱 (以下简称“油箱”, 标准尺寸) ; (3) 自动配液箱 (以下简称“液箱”) ; (4) 乳化液泵组构成。

变频装置由2个独立隔爆箱组合而成。右箱即是整个装置的总电源箱, 又是控制系统工频旁路的控制箱, 同时也是整个系统的控制核心部分。箱内装有电源隔离开关, 可编程控制器及相关模块, 工频回路真空接触器, 三相变压器、控制变压器, 电压、电流互感器, 电度表, 彩色显示屏。显示屏中显示当前泵站的所有监控数据及运行状态。

油箱内预先盛放乳化油以便系统完成自动配液功能。内装油位传感器1只, 泵室内安装“配液油泵”1台、“校正油泵”1台, 外挂1台便携式油泵。侧面装有隔爆型接线箱。

液箱内实现自动配液功能。内装液位传感器1只, 浓度传感器1只。外部装有系统压力传感器1只, 系统压力卸载电磁阀1只, 尾部装有进水配液电磁阀1只、进水校正电磁阀1只。头部泵组吸液位置装有“吸液在线定时自动反冲洗过滤器”2只。尾部装有“回液在线定时自动反冲洗过滤器”2只。

乳化液泵组分别加装传感器进行数据监控和保护, 分别有“润滑油温度传感器”1只、“润滑油压力传感器”1只、“润滑油油位传感器”1只、“泵组蓄能器压力传感器”1只。如果定制的乳化泵组还可以监控乳化泵电机绕组温度和电机轴承温度。

3 主要控制方式

泵站电动机启动时变频调速装置从零频率逐步提升到电动机额定频率。当液压系统的实际压力P低于设定压力低限值P1时, 泵站从零速开始启动迅速提升到全速运行状态保证乳化液使用需求。当液压系统乳化液需求减少系统的实际压力P高于设定压力高限值P2时, 经T1时间的延时后若实际压力仍然偏高, 变频器将频率降低到35HZ, 若压力能满足使用要求则维持此变频运行;若实际压力P仍然在高压设定压力上限P2经T2时间的延时后, 实际压力仍然偏高, 变频器将频率降低到25HZ;若压力满足要求, 则维持当前频率运行, 若P仍大于P2经过设定延时时间 (休眠时间) 后, 变频器将速度降为零。任何时候一旦检测到实际压力P低于设定压力下限P2时变频器立即恢复到全速运行状态, 保证在最短时间内获得所需工作压力。卸载阀调整时必须保证其卸载压力略高于系统设定压力上限P2。控制系统增设油温传感器可随时观察到泵体油温, 当检测油温超过设定值时系统报警并停机提示及时检修。控制系统加装了液位传感器可观察泵箱液位, 当乳化液量低于设定下限时系统报警并停机提示及时补充液体。

4 结束语

通过隔爆变频器在巴彦高勒矿井综采面乳化液泵站上的成功应用, 证明了采用隔爆变频器能极大的提高乳化液泵运行的可靠性, 提升了系统的功率因数, 减少了电动机的无功功率损耗, 降低了机械损耗, 提高了乳化液泵使用寿命和可靠性, 节约了后期的维修投入, 值得进一步推广应用。

参考文献

[1]丁太木.变频器在煤矿井下皮带输送机中的应用[J].煤炭技术, 2007, 26 (09) :30-32.

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