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1、 浙己工工誓女缘硕士学位论文论文题目墨王直堡丞的茴毡筮堑i 工篁星基缱塑垡丝作者姓名立盔生一指导教师堂生量塾蕉、盎垄坚学科专业垡三堕堡噬所在学院壑蓝墨壁芏堕提交日期塑盟且三生揪浙江工业大学硕士学位论文基于有限元的曲轴分析计算及其结构优化摘要曲轴作为往复泵动力端中最关键的受力零件，它的可靠性直接影响着整机的可靠性、经济性以及使用寿命。随着往复泵功率密度的不断提升和强化，曲轴的工作条件愈加苛刻，因此，曲轴的结构分析及优化在往复泵动力端的设计和改进过程中占有极其重要的地位。曲轴几何形状复杂，应力集中现象严重，影响其总体性能的因素众多。失效实例表明，疲劳断裂是其主要失效形式，通过连杆作用在曲柄销上的交
2、变载荷是造成曲轴疲劳破坏的主要原因。近2 0 年来，随着计算技术的不断进步和相关研究人员的不懈努力，泵用曲轴强度的研究取得了较大进展，尤其体现在曲轴应力的计算研究方面。隔膜泵是一种高新往复泵产品，具有无泄漏的突出特点。目前，国内外泵行业均十分注重隔膜泵产品的试验研究。本文以江苏索普集团6 0 万吨年醋酸工程用6 D M 一1 0 0 1 0 型隔膜泵为例，将采用几种不同方法对该泵不同结构、承受双向载荷的曲轴进行动、静力学分析和结构优化，具体内容如下：1 曲轴载荷的特征分析。对曲轴承受单向载荷与双向载荷(即单作用与双作用曲轴)进行对比分析，指出两者之间的区别；2 双作用曲轴受力分析与计算。运用连
3、续梁法对6 D M 一1 0 0 1 0 型隔膜泵用整体式曲轴进行受力分析，求得支承处弯矩及轴颈受力大小，为三维有限元法分析提供边界条件；3 整体式曲轴应力与模态分析。运用S o l i d w o r k s 软件建立双作用整体式曲轴模型，导入A N S Y S 软件，进行应力分析；并利用A N S Y S 软件中的B l o c kL a n c z o s 方法，对三拐两支承、三拐三支承和三拐四支承三种不同曲轴结构进行模态对比分析；4 提出一种新型组合式多支点曲轴。在分析传统整体式曲轴结构的特点及其不足的基础之上，介绍了一种多支点组合式偏心轮曲轴新结构，并对其结构进行系统阐述；5 虚拟样
4、机仿真及物理样机试验。对传统整体式与新型多支点组合式曲轴进行静力学和模态对比分析，同时借助A D A M S 软件进行虚拟样机仿真，验证多支点组合式新结构曲轴的优异性，并对6 D M 一1 0 0 1 0 型隔膜泵物理样机进行试验，确定其额定工况时相关性能参数。i浙江工业大学硕士学位论文关键词：曲轴，有限元，应力，连续梁法，结构优化浙江工业大学硕士学位论文T H EA N A L Y S I SA N DS T R U C T U R A Lo P T I M I Z A T I o NO FT H EC R A N K S H A F TB A S E DO NF I N I T EE L
5、E M E N TM E T H o DA B S T R A C TC r a n k s h a f ti so n eo ft h em o s tc r i t i c a lp a r t si nr e c i p r o c a t i n gp u m pd y n a m i cs e c t i o n，i t sr e l i a b i l i t yd i r e c t l ya f f e c tt h ee c o n o m y,r e l i a b i l i t y,a n ds e r v i c el i f eo ft h em a c h i n
6、 e M lt h ed e v e l o p m e n to fp o w e ri n t e n s i t ya n di n t e n s i f i c a t i o no ft h er e c i p r o c a t i n gp u m p，t h ew o r kc o n d i t i o no ft h ec r a n k s h a f tw i l lb e c o m em o r ea n dm o r eh a r s h S ot h ea n a l y s i sa n ds t r u c t u r a lo p t i m i z
7、a t i o no ft h ec r a n k s h a f tp l a y sak e yr o l ei nd e s i g na n dp r o g r e s so ft h ed y n a m i cp a r to ft h er e c i p r o c a t i n gp u m p T h e r ea r em a n yr e a s o n sa f f e c tt h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo ft h ec r a n k s h a f t，b e c a u s ei t sc o m p l
8、 e xg e o m e t r ya n ds e r i o u ss t r e s sc o n c e n t r a t i o np h e n o m e n o n A n df a i l u r ee x a m p l e ss h o wt h a tt h em a i nf a i l u r ef o r mi sf a t i g u ef a i l u r ew h i c hc a u s e db yt h ea l t e r n a t el o a dt h o u g hc o n n e c t i n gr o dp l a y so n
9、t h ec r a n kb i n I nt h er e c e n t2 0y e a r s，s t u d yo fp u m pc r a n k s h a f ts t r e n g t hh a sb e e ng e t t i n gg r e a tp r o g r e s s、析t l lt h ei m p r o v e m e n to fc o m p u t i n gt e c h n o l o g ya n dp e r s i s t i n ge f f o r to fm a n yr e s e a r c h e r s，e s p e
10、 c i a l l yi nt h ea s p e c to fc a l c u l a t i o no fc r a n k s h a f ts t r e s s D i a p h r a g mr e c i p r o c a t i n gp u m pi sah i 曲-t e c hp r o d u c t，、析1t h ep r o m i n e n tc h a r a c t e r i s t i c so fn ol e a k a g e A tp r e s e n t，t h ed o m e s t i cp u m pi n d u s t r
11、 yi sp a y i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o no nt h ed i a p h r a g mp u m pp r o d u c t sr e s e a r c h T l l i sp a p e rt a k e sm o d e l6 D M-10 0 1 0d i a p h r a g mp u m pa sa l le x a m p l ew h i c hW a su s e di nJ i a n g s uS o p oG r o u po f6 0 0，0 0 0t o n s y e a ra c e t
12、i ca c i dp r o j e c t,a n dw i l lt a k ea d v a n t a g eo fd i f f e r e n tw a y st ot h ec r a n k s h a f tw h i c hb e a r sat w o-w a yl o a df o rd y n a m i ca n ds t a t i cm e c h a n i c a la n a l y s i sa n ds t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n 1 1 1 ed e t a i l e dc o n t e n
13、 t s 弱f o l l o w：1 1 1 1 el o a da n a l y s i so ft h ec r a n k s h a f t：c o m p a r a t i v ea n a l y s i sw i l lb em a d eb e t w e e nt h eo n e w a yl o a da n dt h et w o w a yl o a do fc r a n k s h a f t，a n dp o 缸o u tt h ed i f f e r e n c e sb e t w e e n i i i浙江工业大学硕士学位论文2 T h es t
14、r e s sa n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no ft h ec r a n k s h a f t：a n a l y z et h es t r e s sw i t hc o n t i n u o u sb e a mm e t h o do ft h eo n e-p i e c ec r a n k s h a f ti nm o d e l6 D M-10 0 1 0d i a p h r a g mp u m p，a n dc a l c u l a t et h eb e n d i n gm o m e n to fs u
15、p p o r ta n dt h ef o r c eo fc r a n kb i nw h i c hp r o v i d eb o u n d a r yc o n d i t i o n sf o rt h et h r e e-d i m e n s i o n a la n a l y s i sw i t hf i n i t ee l e m e n tm e t h o d 3 T h es t r e s sa n dm o d a la n a l y s i so ft h eo n e p i e c ec r a n k s h a f t：c r e a t
16、et h em o d a lo ft h ed o u b l ea c t i o no n e-p i e c ec r a n k s h a f tb yt h es o f t w a r eS o l i d w o r k s，a n da n a l y z ei t ss t r e s sa f t e ri m p o r ti n t os o t h T c a r eA N S Y S U n d e rt h em e t h o do fB l o c kL a n c z o si ns o f t w a r eA N S Y S，c o m p a r
17、a t i v e l ya n a l y z em o d a l sa m o n gt h es t r u c t u r e so ft w os u p p o r t s，t h r e es u p p o r t sa n df o u rs u p p o r t so ft h et h r e e t h r o wc r a n k s h a f t 4 P r o p o s ean e wt y p eo fa s s e m b l e dc r a n k s h a f t、析t hf e ws u p p o r t s：b a s e do nd e
18、 f e c t so ft h et r a d i t i o n a lo n e-p i e c ec r a n k s h a f t，t h ep a p e ri n t r o d u c e san e wt y p eo fa s s e m b l e dc r a n k s h a f ts t r u c t u r e，a n dw i l lg i v ed e t a i l so fi t 5 V i r t u a lp r o t o t y p es i m u l a t i o na n dp h y s i c a lp r o t o t y
19、 p et e s t s：c o m p a r a t i v e l ya n a l y z es t r e s sa n dm o d a lo ft h et r a d i t i o n a lo n e p i e c ec r a n k s h a f ta n dn e wa s s e m b l e ds t r u c t u r e，a n dv e r i f yt h ea d v a n t a g eo ft h en e wo n eu n d e rt h eh e l po fs o f t w a r eA D A M Sa f t e rv
20、i r t u a lp r o t o t y p es i m u l a t i o n B e s i d e s，t h ep h y s i c a lp r o t o t y p eo fm o d e l6 D M-10 0 1 0d i a p h r a g mr e c i p r o c a t i n gp u m pw i l lb et e s t e dt od e t e r m i n ei t sr e l e v a n tp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r su n d e rn o r m a lo p e
21、 r a t i n gc o n d i t i o n s K 呵W o r d s：c r a n k s h a f t，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d，s t r e s s，c o n t i n u o u sb e a mm e t h o d，s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n浙江工业大学硕士学位论文主要符号说明x 活塞(柱塞)位移，m1，活塞(柱塞)速度，m l s 口活塞(柱塞)加速度，m l s 2缈曲轴转角，r a d国曲柄角速度，r a d I s，曲轴半径，m每联往复运动部分
22、质量，船他活塞、活塞杆、十字头部件质量，培连杆质量，培日一一不平衡旋转质量到主轴颈的距离，m尸活塞力，户综合活塞力，连杆力，E 往复惯性力，E 往复惯性力，E 旋转惯性力，R 径向力，丁切向力，连杆轴线偏离活塞轴线的角，。x 曲轴振动的位移向量弯曲的平均应力吒弯曲的应力幅K 广义矩阵总体引力D 模态阻尼矩阵沙代数约束方程五约束的拉格朗日乘数F 总体作用力，弯曲交变应力下安全系数M 曲轴模型的总体质量矩阵K 曲轴模型的总体刚度矩阵浙江工业大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人
23、或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。、作者签名：1日期：x 研年岁月2 一日I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。本人授权浙江工业大学可以将本学位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。本学位论文属于1、保密口，在年解密后适用本授权书。2、不保密瓯(请在以上相应方
24、框内打“”)储虢磊以吼冲，月加导师签名：)酝孑妫日期：沙降月日浙江工业大学硕士学位论文1 1概述第1 章绪论往复泵(r e c i p r o c a t i n gp u m p)依靠活塞、柱塞或隔膜在泵缸内往复运动使缸内工作容积交替增大或缩小来输送介质或使之增压的容积式泵n 1。原动机的机械能经泵直接转化为输送液体的压力能，泵的流量只取决于工作腔容积的变化值及其在单位时间内变化次数(频率)，而(理论上)与排出压力无关。往复泵这一实现工作腔容积变化的方式和结构特点，构成了这种类型泵性能参数和总体结构的一系列特点：瞬时流量脉动；平均流量恒定；泵压力取决于管道特性；对输送介质的适应性强；自吸性能
25、良好。这些特点也正是此类型泵借以生存、竞争和发展的依据。由上述往复泵的主要特点可以看出往复泵的主要适用范围；即往复泵主要适用于高压、小流量，要求泵的流量恒定或定量或成比例地输送各种不同的介质，或者要求吸入性能好或者要求有自吸性能的场合口1。煤浆、矿浆、污泥等固液两相介质，粘度大、浓度高、对泵接触输送介质的运动部件和过流部件磨损非常严重，输送极为困难，是当今世界泵行业面临的重大技术难题之一。而隔膜式往复泵(隔膜泵)由于其具有将输送介质和驱动介质完全隔开、输送介质绝对无泄漏的特点，能够有效地解决含颗粒介质输送的难题。传统隔膜泵的结构和工作原理如图1 1 所示，电机通过减速机驱动曲柄滑块机构，将旋转
26、运动变为直线运动，带动活塞往复运动，活塞借助油介质使橡胶隔膜凹凸运动，驱使隔膜腔内的容积周期性变化，完成对介质的输送口1。浙江工业大学硕士学位论文12345l 活塞缸；2 导杆；3 探头；4 隔膜；5 进出料图1 1往复式隔膜泵结构和工作原理示意图由于隔膜将输送介质与作用与隔膜且使其不断循环挠曲弹性变形的机械或工作介质(油类)分隔开来，使输送介质既不外漏也不与其动力端相混合的一种无泄漏泵。活塞、缸套、活塞杆等运动部件不与输送介质直接接触，避免输送介质中磨砺性很高的固体颗粒对这些运动部件的磨损，确保了它们的使用寿命，从而可以保证隔膜拥有较高的连续运转率和较低的运行成本。在隔膜泵动力端中，曲轴是把
27、原动机的旋转运动转化为活塞(柱塞)往复运动的重要部件之一。工作时，它将承受周期性的交变载荷，产生交变的扭转应力和弯曲应力。1 2 研究目的及意义曲轴(c r a n k s h a f t)由曲柄销、曲柄臂和主轴颈组成。曲柄销与曲柄臂组成曲柄，曲柄上常装有平衡块，以平衡惯性力和消除曲轴内力矩。其结构形式有整体式、半组合式及全组合式三种。整体锻造曲轴强度较好，用于中高速机；半组合式曲轴是将曲柄销与两曲柄臂制成一体，然后用热套法与主轴颈配合，组成整根曲轴；组合式曲轴的曲柄销、曲柄以及主轴颈均单独制造，用热套法组成整根曲轴。往复泵中常用的曲轴可分为曲拐轴、曲柄轴、偏心轮轴和N 形轴等形式。其中曲拐轴
28、最常用，其他几种类型只是在某些特定的条件下才被采用。随着往复泵向高速化、紧凑化方向发展，其主要零部件的载荷和工作条件也更加苛刻。从大量使用着的往复泵动力端主要零部件的疲劳破损情况看，出现最多的有两种形式：一种是以连杆为例的压缩疲劳损坏；另一种是以曲轴为例的发生于曲轴过渡圆角处的拉伸疲一2 一浙江工业大学硕士学位论文劳断裂。因此，为了提高整机性能，工作可靠性，并且考虑到操作人员的安全问题，我们必须在原有的曲轴连杆机构设计基础上对其进行优化改进。曲轴的尺寸参数在很大程度上决定并影响着往复泵的整体尺寸和重量，往复泵的可靠性和寿命也在很大程度上取决于曲轴的强度。而减小曲轴在工作状态下过渡圆角处的应力集
29、中则是设计曲轴时的一个难点。目前曲轴的设计主要是依靠经验设计，即利用许多现有的曲轴结构与尺寸的统计资料，借以初步确定曲轴的基本尺寸，然后进行结构细节的设计、强度复核、曲轴样品试验，最后确定曲轴的结构、尺寸与加工工艺等。在保证曲轴原有基本尺寸不变的条件下，设计者一般会凭经验适当增大曲柄销与主轴颈的重叠度，增加过渡圆角半径(为减小连杆轴瓦的比压，在轴颈过渡处采用沉割圆角，并对圆角进行滚压处理)，开卸载槽等措施改善曲轴强度。但是对于某一具体曲轴来说，这些措施是否有效，或者是否能使曲轴达到最佳状态，这些必须用试验来验证。一般确定曲轴强度的方法有两种：一是进行曲轴疲劳试验；二是进行模拟分析计算。本文采用
30、模拟分析计算的方法研究曲轴强度，通过比较各种设计方案的结果来得到曲轴设计的最优结构。另外，在周期性变化的载荷作用下，曲轴系统可能在电动机转速范围内发生共振，产生附加的动应力，致使曲轴过早地出现弯曲疲劳破坏和扭转疲劳破坏，因此有必要对曲轴进行动态特性分析。从而为今后曲轴的优化设计及其结构改进提供一定的理论支持。1 3 国内外研究现状及方法1 3 1研究现状由于几何形状、边界条件和作用载荷都极其复杂，在6 0 年代以前很长一段时间内，人们主要用实验手段来研究曲轴的强度。至于计算分析，仅采用单拐简支梁模型来计算，距离稍远的曲拐和载荷的影响根本不予考虑。由于这种模型对曲轴的实际结构做了很大简化，既无法
31、考虑各单拐受力的相互影响，也未计入支承的弹性，因此计算精度很低，根本不能满足设计需要H 1。在6 0 年代末，美国的P o r t e r 提出了一种曲柄刚度的经验算法旧，但方法比较繁琐，并且缺少实验和使用的验证，杨杰等提出了一种确定曲柄刚度的斜截面法1，计算精度较P o r t e r 法有新的提高，但由于不能考虑削去的肩部以及中心油孔等因素的影响，计算刚度仍比实测值大。浙江工业大学硕士学位论文曲轴是空间构件，从计算精度考虑，用三维连续体的有限元模型分析最为理想，因曲轴在工作过程中所受交变载荷影响每时每刻都在变化，为了详细了解其应力分布情况，必须做很多工况计算。而曲轴整体的三维模型划分节点必
32、然很多，少则几千，多则数万，计算工作量极大，不值得进行这种尝试。在7 0 年代末8 0 年代初至今，在国内外关于柴油机的学术会议和刊物上也有一些曲轴三维有限元分析的文献耵删，且利用有限元法进行曲轴强度分析的工作已经取得了许多有用的成果，如文献 1 4 用有限元程序对曲轴进行了强度校核，计算了疲劳安全系数；文献 1 5 对X 6 1 3 5 柴油机曲轴进行了有限元强度分析，提出了连续梁法和有限元法结合的新方法；文献 1 6 研究了曲轴的各种结构参数变化引起的曲轴弯曲应力，得出了对应的关系曲线；文献 1 7，1 8 对曲轴圆角形状的优化用有限元方法进行了研究；文献 1 9 对曲轴用有限元法进行了模
33、态分析，这些工作都对有限元法在曲轴强度研究中的应用起到了推动作用。但这些工作也存在一些不足之处，如：有的计算模型只考虑单一受载情况、忽略了扭矩和惯性力作用；有的只计算了单一曲拐、边条件处理太简化，没有考虑曲轴在实际工作过程中载荷的变化，更没有从整根曲轴分析的角度考虑各曲拐的相互影响，因而只能研究曲轴应力集中部位圆角附近的应力分布规律，不能计算那里的工作应力。但把单拐三维模型的计算结果与曲轴的空间刚架模型相结合，对提高后者的计算精度还是大有裨益的。1 3 2 曲轴的计算方法1 传统方法传统应力计算方法可分为两种简支梁法和连续梁法。简支梁法计算简单，使用方便；连续梁法计算复杂，但与实测结果比较吻合
34、。简支梁法假定曲轴上的每一曲柄是一个断开的简支梁脚1，自由的置于通过两主轴承中点的支撑上，如图1-2 所示。图1-2 简支梁法曲轴计算模型一4 一浙江工业大学硕士学位论文支承视为刚性简支，连杆力视为集中力，作用于曲柄销的中点，轴段间只考虑扭矩的传递，不考虑弯矩的传递。该方法多年来被普遍使用，是一种简单易行，充分安全但过于保守的强度计算方法。该方法除了上述的过于保守的缺点外，还有一个较大的缺点是不能算出曲轴销与主轴连接处的弯曲应力，不能通过计算确定该处的强度状况，而使过渡圆角的设计无可依据的数据，而这恰恰是曲轴设计应十分注意的问题。连续梁法把曲轴简化为多支承的静不定连续梁(如图1 3)，应用三弯
35、矩或五弯矩方程求解。由于假设的几何力学模型不同，连续梁法主要有以下三种乜。(1)将曲轴简化为多支承圆柱形连续直梁，其直径与轴颈直径相同或相当；(2)曲轴作为支承在弹性支承上变截面的静不定直梁；(3)曲轴作为支承在弹性支承上的静不定曲梁。图1 3 连续梁法曲轴计算模型连续梁法一般假设曲轴的支承以铰接形式作用于主轴颈的中点。郝志勇瞳2 1 认为：在内燃机曲轴上，主轴承宽度在曲拐长度上占有较大比例，计算中不考虑轴承约束力矩的影响是不妥当的，在该作者的计算模型中，曲拐表面与轴承接触部分受有面力，力的作用沿轴向均匀分布。显然，这个计算模型更加接近于实际。2 有限元法尽管结构力学和固体力学的发展已经相当完
36、善，但对于像曲轴这样形状比较复杂的结构分析问题，解析法还是无能为力，而有限元法能够克服这个困难，它在结构分析中已成为一种通用的数值分析方法。以前由于计算机性能方面的原因，有限元法应用得很少，也只能计算较少单元的数学模型。但现在随着计算机和计算力学的飞速发展，三维有限元法得到了广泛的应用，可以计算几万、几十万甚至几百万个单元的数学模型。另外，应用三维有限元法可以比较精确的确定曲轴上任一部位的应力，对整体曲轴的强度和刚度也可以作比较精确的评估。早期在对曲轴进行有限元分析时，由于受到计算机水平的限制，计算模型进行了大量浙江工业大学硕士学位论文的简化。在计算方法上对整体曲轴模型采用子结构方法1。有的文
37、献对单个曲拐的模型综合运用连续梁和三维有限元方法眦潘1，即先用梁元模型计算曲轴各拐的约束力和支反力，然后将计算所得的约束力和支反力与单拐受到的气压力和惯性力一并作为单拐模型的力边界条件。用连续梁法还可以找出受载最严重的单元曲拐，再对单元曲拐采用三维有限元方法进行应力分析。文献 2 5 就是考虑了相邻曲拐，轴承不同轴度及支承变形等因素后，采用了此种方法对曲轴进行应力计算。在曲轴结构中，轴颈过渡圆角处和轴颈油孔附近一般都存在严重的应力集中现象，传统的连续梁等方法是通过实验来确定应力集中系数啪1，而应力集中系数的公式又多是经验公式，使用时要考虑到一些相关的参数条件和试验条件等，但没有考虑到过渡圆角处
38、三维形状的影响，从而计算出的最大工作应力有很大的不准确性。有限元法的应用，为准确地计算应力集中系数提供了可能。3 边界元方法边界元方法在计算中的应用较多，但对于曲轴这样的复杂零件，为了获得外形比较准确、疏密适当、单元畸变小的三维边界元网格，一方面划分比较困难；另一方面节点数也较多，规模较大，求解时间较长。因此，目前边界元方法一般是结合有限元方法计算曲轴局部区域如应力集中处的应力删。然而，由于边界元方法具有一般只需对物体的表面进行网格划分的显著优势，数据准备比较简单，所以仍有人在研究适合柴油机曲轴这样的复杂零件的边界元分析方法。胡圣荣等人提出了一种高精度边界元算法泓1，其允许采用非规则非均匀网格
39、除应力集中较严重的局部区域采用较小单元外，其它部位尽量采用较大单元在网格疏密之间快速过渡允许单元有相当程度的畸变等一般边界元方法要求网格比较规则和均匀过渡，否则计算精度难以保证，从而有效地降低了节点数，减小了计算规模一1。4 多体动力学与有限元相结合法近3 0 年来，多体动力学(M u l t i B o d yD y n a m i c s)不断受到人们的关注m 咆1。其快速发展的主要推动力是传统的机械、车辆、军械、机器人、航空以及航天工业的现代化和高速化。特别是伴随计算机技术的发展，许多多体动力学仿真软件也发展起来，如M S C A D A M S、A l t a i rM o t i o
40、 n V i e w、R e c u r D y n、S I M P A C K 等。许多学者将多体动力学(M B D)仿真与有限元(F E M)技术相结合计算整体曲轴的应力。如徐卫国嘲3 等人将M B D 仿真结果直接施加到有限元模型的相应位置上，然后对有限元模型进行计算，由于在M B D 仿真中能得到曲轴在某转速下一个周期作用力的变化。采用多体动力学与有限元相结合的方法可以计算得到实时、实地的应力，更接近曲轴实际受一6 一浙江工业大学硕士学位论文力情况，使曲轴设计更接近材料的力学性能极限，实现可靠性与经济性兼顾阻一。1 4 本文主要研究内容本文以江苏索普集团6 0 万吨年醋酸工程用6 D
41、M 一1 0 0 1 0 型隔膜泵用曲轴为研究对象，研究内容主要包括以下几点：(1)运用连续梁法对6 D M 一1 0 0 1 0 型隔膜泵用整体式曲轴进行受力分析，推导出各曲拐的受力公式，并求得支承处弯矩及轴颈受力大小，为三维有限元法分析提供边界条件；(2)运用S o l i d w o r k s 建立曲轴整体模型，导入A N S Y S 软件，并采用四面体单元自由网格划分法进行网格划分；对于载荷边界条件采用：沿轴颈轴线成抛物线分布，沿轴颈圆周方向1 2 0 0 角范围内按余弦规律分布载荷，对于主轴颈采用刚性约束方案，进行曲轴应力分布分析；(3)利用A N S Y S 软件中的B l o
42、c kL a n c z o s 方法，对三拐两支承、三拐三支承和三拐四支承三种不用曲轴支撑结构进行模态分析，得出这三种结构前6 阶的固有频率，并分析不同阶次下的振动形式及特点；(4)分析传统整体式曲轴结构的特点及其缺陷，提出一种组合式偏心轮曲轴新结构，对其结构进行系统阐述，并将整体式与组合式进行静力学和模态对比分析，验证组合式新结构的优异性；(5)利用虚拟样机仿真技术，对组合式多支点偏心轮曲轴新结构建立虚拟样机，进行虚拟仿真，获得十字头往复速度、加速度、连杆对曲轴作用力、驱动力矩等物理量运功曲线；(6)委托合肥通用机电产品检测院国家泵阀产品质量监督检测中心对6 D M 一1 0 0 1 0型
43、隔膜泵物理样机按相关标准进行检验，验证性能参数是否满足标准规定要求。一7 一浙江工业大学硕士学位论文第2 章曲轴应力分析计算曲轴受力十分复杂，除了作用在曲轴上的重力是恒定不变的，其它如连杆力、惯性力、支反力、各联间的纵向、横向、扭转振动惯性矩等都将随曲轴转角矽的变化变化。此外，曲轴还要受到支座变形、加工不同轴度、使用中因轴颈磨损等因素造成的附加载荷。要想把曲轴所有受力情况均考虑进去，是很难做到的。在实际分析、计算中，常常是忽略那些次要的因素，抓住主要因素予以考虑睇5 7 1。为此，在分析、计算曲轴受力时，通常做下列假设：1 把多支承曲轴看作是以主轴承中点分开的分段简支梁并把曲轴视为绝对刚性系统
44、；2 把主轴颈中点既看成是支承点，又看成是集中支反力的作用点；3 略去除作用在轴颈上的其它各联问作用力的影响，也略去因加工精度，装配质量以及因使用后磨损、热变形等造成的附加载荷；4 当活塞(柱塞)力很大时，在计算时可以略去重力和摩擦力。2 1曲柄连杆机构2 1 1 分类及特性参数曲柄连杆机构的功能是将活塞彳的往复运动转化为曲柄O B 的旋转运动，或将曲柄O B的旋转运动转化为活塞彳的往复运动。在往复式泵中基本上采用两种曲柄连杆机构：中心曲柄连杆机构；偏心曲柄连杆机构。如图2 1。一8 一浙江工业大学硕士学位论文(a)(b)(a)中心曲柄连杆机构(b)偏心曲柄连杆机构图2 1曲柄连杆机构简图(1
45、)中心曲柄连杆机构：其活塞轴线通过曲轴轴线。这种机构的运动特性完全由连杆比力=手确定，其中，-为曲柄半径，为连杆长度(连杆大小头孔中心间距离)；(2)偏心曲柄连杆机构：其活塞轴线偏离曲柄轴线。这种机构的特性参数除连杆比见外，还有偏心率孝：一e，其中口为活塞轴线相对轴线的偏移量。，下面讨论应用最广泛的中心曲柄连杆结构的运动学。2 1 2 中心曲柄连杆机构运动学中心曲柄连杆机构应用最广泛，机构作用力简图如图2 2 所示。它在运动时，活塞彳作往复直线运动，曲柄O B 作旋转运动，连杆彳召作平面复合运动。研究曲柄连杆机构图运动学的重点是研究活塞的运动规律，因为曲柄的运动状态比较简单，连杆的运动虽然较复
46、杂，但可把它看成一部分随活塞彳运动，另一部分随连杆轴径B 运动，其运动所引起的其它后果对我们所研究的问题影响较小。图2 2 中心曲柄连杆机构作用力简图一9 一浙江工业大学硕士学位论文图2 2 中，D 点表示曲轴中心，彳点表示活塞销中心位置(也就是活塞的位置)，O B表示曲柄半径，A B 表示连杆长度，。曲柄转角口是从活塞轴线顺着曲柄转动方向度量。当口=0。时，对应的彳和B 表示活塞和曲柄销在上止点位置；当口=1 8 0。时，对应彳”和召”表示活塞和曲柄销在下止点位置。为连杆轴线偏离活塞轴线的角度，称为连杆摆动角，逆时针为正、顺时针为负。则活塞(柱塞)运动规律为：1 活塞位移从图2 2 可知，活
47、塞位移x=A,4 t-彳0 一A O=A 0 一A C C O=，+，-r C O S t；t-l c o s p=，c+一(c o s 口+-圭C O S，c 2-，2 活塞速度V=鲁s i 焉掣(s i n a+c o s a nS lC O St l a n D(22L-LOSJ)1，=一=，S 1口+，二=，缈I)k夕讲C3 活塞加速度活塞速度对时间f 的一阶导数就是活塞角速度歹：口：生：，国(c o s 口翌竺+c o s 口1 一塑一s i I l 口鱼竺切皿)(2 3)口2 石2，国(c o s 口一+c o s 口C O S 2 d t二d t s m 口一d t 伽)L 2。
48、3 玉、一4 连杆摆角=a r c s i n(2 s i n g )(2-4)e o s,a=(1 一s i n 2 咖1 7 2(2 5)2 2 曲轴静力学分析2 2 1曲轴受力分析本章分析计算以两支点三拐曲轴为研究对象，作用在两支点三拐曲轴上的力计有：作用在曲轴销中点的集中力切向力Z 和径向力R；作用在主轴颈上的支反力以，；作一l O 浙江工业大学硕士学位论文用在输入端主轴颈上的总扭矩M。若输入端是经皮带轮减速传递扭矩的，还附有作用力C；如果在主轴后端拖带转子型油泵时，还有附加扭矩。这个力和扭矩，在本例计算中没有计入而后者又往往可略去不记。轴前端载荷E 和作用在各曲轴销中点径向力和切向力
49、，由各主轴颈上的支反力来平衡；切向力产生的扭矩，由总的输入扭矩M 来平衡。图2 3 三拐曲轴端面示意图切向力巧、径向力R、支反力M、以及轴前端载荷C 均是作用在曲轴上的外力，总的输入扭矩则是在曲轴上的外力矩M。这些力和力矩都是曲柄转角的函数，随时间而变化。关于三联单作用泵的Z、R 计算和单联单作用泵T、R 计算完全一样；只是前者曲柄间错开一定角度，在同一瞬时，作用在各曲柄销上的切向力Z 和径向力墨各不相同而已。在本研究对象中(如图2 3)，若设第一曲柄转角(从轴前端看，顺时针旋转方向)仍=缈，则第二曲柄转角为仍=缈+2 4 0。，第三曲柄转角仍=q，+1 2 0。通用公式中用纪和Z、置表示(i
50、=l，2，3)。在本研究过程中，没有计入轴前端载荷(C=O)，略去了重力和摩擦力(己。=O)，同时，考虑吸入压力A 与排出压力仍相比，相差很大，故计算时取A=O。这样，当三联泵任一活塞处于吸程阶段(0 仍 1 8 0。)是，其活塞力P=0；当任一活塞处于排出阶段(1 8 0。仍 3 6 0 )，其活塞力只=三D 2 仍且是常量；当任一活塞处于前、后死点(仍=o。浙江工业大学硕士学位论文或仍=1 8 0。，不考虑运动副的间隙)，活塞力将有一突变(由=o 增到只=一三D 2 仍，或相反)。由此可知，对三联单作用泵，当任一活塞处于死点位置时，对应该活塞的曲柄销力l，置等应计算两个值，相应的支反力及其