基于Pro／E的车载往复泵运动仿真分析

朱 舟，王雨团，郑宏乾，唐春玲，李迎科

（宝鸡航天动力泵业有限公司，陕西宝鸡721000） ①

基于Pro／E的车载往复泵运动仿真分析

朱 舟，王雨团，郑宏乾，唐春玲，李迎科

（宝鸡航天动力泵业有限公司，陕西宝鸡721000）①

对车载往复泵的曲柄连杆机构进行运动仿真分析，利用Pro／E Wildfire系列工程软件完成了车载泵的三维建模；借助Pro／E的运动学分析模块进行运动学分析和仿真；为车载往复泵整机优化设计提供了有效依据。

车载往复泵；曲柄连杆；齿轮副；运动仿真

车载往复泵以其体积小、质量轻、结构紧凑、工作运行平稳，高泵效、使用可靠、维修方便等特点已广泛应用于修井、钻井、洗井、固井、压裂等作业的循环系统。随着石油开采技术的不断提高，油田特种车的功能日益完善，这就要求其车载往复泵必须体积更小、输出功率更大。对设计者而言，就需要将整泵结构设计更加合理，布置更紧凑，尤其反映在泵动力端的曲柄连杆运动副上。为了能准确解决上述问题，就需要借助三维软件，在对泵设置模拟工况条件下，进行运动仿真分析，从直观的角度观察曲柄、连杆、十字头、挺杆、柱塞（活塞）等关键部件的运动情况，观察运动中有无干涉。传统的二维软件无法实现运动仿真分析，或无法观测运行中的干涉，因此运用Pro／E的MDX模块完成给定模拟工况条件下车载往复泵的运动学分析和仿真，对整机的优化设计提供了十分可靠的理论依据。

1 车载泵运动仿真过程的整体思路

基于Pro／E Wildfire提供的一套完整的机械产品解决方案，此次车载往复泵运动仿真运用MDX模块，在给定的模拟工况下，实现仿真运动，仿真结果还以视频图像的形式表现。结合往复泵类产品研制的具体情况，根据用户层出不穷的个性化需求，选用性能参数较高的车载压裂泵为此次运动仿真对象，具体展开思路如图1所示。

图1 车载泵运动仿真过程的整体思路

2 基本零件的建模

以YLC700型压裂泵为例，在最初的基本建模的过程中，需要了解此类压裂泵的结构参数，熟悉了结构和参数后，便可运用Pro／E Wildfire 2.0中零件设计软件对泵运行过程中运动件逐一建模。曲轴、十字头、齿轮的仿真模型如图2～4所示。

图2 曲轴的仿真模型

图3 十字头的仿真模型

图4 齿轮的仿真模型

YLC700型压裂泵参数为：

额定功率 296kW（400hp）

冲程长度 160mm

柱塞直径 90mm

最高压力 70MPa

最高压力时的泵冲 75min－1

最大流量 68m3／h

最大流量时的泵冲 371min－1

齿轮传动比 5.62∶1

单件建模过程中，在根据二维图纸转换为三维实体时，可以有效地查找图纸中的问题，从而提高生产图纸的质量，同时也提升了设计者对产品的感性认识。但必须按Pro／E正确的画法建模，这样才能顺利地进行以下步骤。

3 组件模块下对零件的机构仿真装配

前面提出的设计理念可保证产品零件在机构仿真装配的可实现性。虽然从模型成型角度讲，机构仿真装配与零件装配都是将单个零部件组装成1个完整的机构模型，但是从装配方法和最终所要实现结果来看，两者还是存在本质区别的。下面就机构仿真装配与零件装配作比较分析［1］。

3.1 相似点

1） 两者皆在组件模块下建模，皆利用“元件放置”对话框连接或安装零部件。

2） 装配和子装配之间的关系相同，Pro／E将连接信息保存在装配文件中，这意味着父装配继承了子装配中的连接定义。

3.2 不同点

1） 创建机构是应用“元件放置”对话框的“连接”功能连接机构中的各个构件；而零件装配直接在“元件放置”对话框中通过定义装配约束来安装各个零部件。

2） 由零件装配得到装配体，其内部的零部件之间没有相对运动；而由连接得到的机构，其内部的构件之间可以产生一定的相对运动。

根据以上对比，必须按照对话框的“连接”功能连接压裂泵运动机构，而且还需依靠Pro／E组件的装配基本概念完成运动机构的装配（如图5所示），再将外围相对静止的零件逐一按零件装配组装，形成完整的机构模型（如图6所示）。

图5 运动机构的装配

图6 完整的机构模型

4 创建驱动器 输入实际转速

完成装配后，进入“机构”工作环境，同时点击机构中“连接”选项，此时系统将弹出“连接组件”对话框，单击对话框中的“运行”按钮，检查装配的连接情况。若连接成功，系统将弹出如图7所示的“确认”对话框。单击对话框中的“是”，确认检查结果，根据特征操作，创建驱动器（如图8所示）。

图8中，速度常数A按下式计算，即

式中，A为速度常数，（°）／s；n为原动机转速，r／min；i为泵齿轮传动比；m为外围减速比。

图7 确认对话框

图8 驱动器创建界面

5 模拟仿真运行

按以上所创建的驱动器进行运动分析，在分析定义时注意终止时间的定义（最好能保证曲轴完成几次转动），然后再回放以前的运动分析，仔细观察运动过程，查看运动有无干涉现象，捕获运动过程，制作成MPEG格式的视频动画。同时在曲轴曲拐处，取一点再做“测量分析”，绘制图形如图9。

图9 曲轴运动轨迹

由图9可见：运动轨迹为规则的余弦曲线，从而证明运动中无干涉现象，而且说明从零件设计、机构装配到运行分析，都符合压裂泵实体真实运转所表现的特性。

6 结论

1） 利用三维软件对车载泵的结构进行整体的三维建模。

2） 通过对模型的运动仿真分析，利用三维软件的功能特性，观测出干涉情况，根据采集的运动图形分析车载泵整体结构的合理性。

3） 将运动仿真的结果导出，制作成视频动画，利于直观观察，同时也能与实体对比，起到更全面观测作用。

［1］ 余 林，李 华.Pro／E辅助设计标准教程［M］.北京：北京理工大学出版社，2007.

［2］ 朱俊华，站长松.往复泵［M］.北京：机械工业出版社，1992：70－120.

［4］ 方建军，刘仕良.机械动态仿真与工程分析——Pro／ENGINEER Wildfire工程应用［M］.北京：化学工业出版社，2004.

［4］ 祝凌云，李 斌.Pro／ENGINEER运动仿真和有限元仿真［M］.北京：人民邮电出版社，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，陕西安康人，主要从事往复泵研究，E－mail：zhuzhou1983927＠163.com。