矿用三缸泥浆泵系统设计及主要零部件运动学分析

邵 琳

（江苏省淮安市淮安生物工程高等职业学校，江苏 淮安 223000）

1 矿用三缸泥浆泵新型系统组成和工作原理

1.1 矿用三缸泥浆泵新型系统组成

矿用三缸泥浆泵新型系统组成如图1所示。

图1 系统组成框架图

1.2 新型矿用三缸泥浆泵工作原理

新型矿用三缸泥浆泵的工作原理为：调速电机提供动力经联轴器输入凸轮支撑轴并使其运转，支撑轴上的偏心轮式凸轮带动平底从动件运动，与从动件固定连接的柱塞被推动，从而在各自的柱塞腔内做往复运动，使吸浆通道和排浆通道处的钢球密封单向阀交替打开和关闭，实现吸排泥浆过程。通过调节调速电机的转速，实现排浆流量的调节。

1.3 新型矿用三缸泥浆泵优点

新型矿用三缸泥浆泵的优势在于。

（1）偏心轮和支撑轴分开制造，且偏心轮支撑轴为直轴，替代了原来的曲轴，结构简单﹑成本低﹑寿命长和可靠性高；

（2）将原曲轴结构连杆与曲颈之间的剖分式滑动轴承，更换为圆柱滚子轴承，安装于偏心轮外侧和连杆轴承孔，大大提高了负载能力和使用寿命；

（3）采用低速大扭矩液压马达直接驱动偏心轮支撑轴驱动偏心轮转动，带动柱塞往复运动，省略了复杂的带传动﹑齿轮传动多级传动系统，简化了系统结构，降低了泵的制造成本﹑外形尺寸和重量；

（4）实现了液压泵站动力源和泵体可快速连接与拆卸的组合设计，便于地下坑道的移运和安装等等。

2 新型矿用三缸泥浆泵典型零部件介绍

利用Pro/E软件对泥浆泵所有零件进行三维建模，下面是几种主要零部件的三维图。

2.1 十字轴

十字轴是起导向作用的连杆部件，圆筒式结构，一边连接连杆，另一边与活塞杆相连接，它传递交变应力。

图2 十字轴

2.2 箱体

泥浆泵箱体属于薄壁箱体类零件，在泥浆泵的工作过程中起到支撑和载荷传递作用。它主要承受曲轴旋转过程中的交变载荷作用，其过大的变形会引起泥浆泵整体效率下降﹑振动和噪音过大等危害。在交变应力作用下，壳体失效会造成整个系统瘫痪。因此，保证壳体的强度和刚度对泥浆泵整体的工作效率和性能起到至关重要的作用。

图3 箱体

2.3 活塞杆

活塞杆是泥浆泵的一个重要而又易损坏的部件。

图4 活塞杆

2.4 连杆

连杆是泥浆泵中重要的连接部件。连杆大头与曲轴相连，小头与十字销相连，中间部分为连杆体。杆体截面采用工字形。

图5 连杆

2.5 偏心轮

图6 偏心轮

3 各零部件虚拟装配及动力学分析

由于泥浆泵结构复杂，采用传统的解析法只能求得一些简单部件的运动规律，因此在分析中采用ADAMS软件来对泥浆泵主要零部件进行运动学分析。

3.1 运动学分析

文章采用ADAMS软件来对泥浆泵主要零部件进行运动学分析。ADAMS，即机械系统动力学自动分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，该软件是美国MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)开发的虚拟样机分析软件。ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库﹑约束库﹑力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学﹑运动学和动力学分析，输出位移﹑速度﹑加速度和反作用力曲线。

由于泥浆泵三个缸同时运动，在相位上仅相差120度，故选取一个缸进行仿真分析。

3.2 运动学分析结果

运动学分析结果如图7～图12所示。

图7 柱塞位置曲线

图8 柱塞速度曲线

图9 柱塞加速度曲线

图10 连杆相对于十字轴的摆角位移曲线

图11 连杆相对于十字轴的摆角角速度曲线

图12 连杆相对于十字轴的摆角角加速度曲线

由图7可知：柱塞最远位置为567.5mm，最近位置为487.5mm，冲程为80mm，从初始位置工作行程时间为0.1275s。

由图8可知：柱塞最大速度为991.93mm/s，最小速度为-990.97mm/s。

由图9可知：柱塞最大加速度为21196.3mm/s2，最小加速度为-27220.7mm/s2。

由图10可知：连杆相对于十字轴的摆角位移最大值为7.1807度，最小值为-7.1807度。

由图11可知：连杆相对于十字轴的摆角角速度最大值为176.25rad/s，最小值为-176.25rad/s。

由图12可知：连杆相对于十字轴的摆角角加速度最大值为4371.6rad/s，最小值为-4371.6rad/s。

由运动学动力学分析可知，泥浆泵的主要结构尺寸设计合理，柱塞位移空间满足设计要求，连杆摆角小，柱塞及连杆的速度和加速度均较低，动载荷小。

3.3 力学分析

分析时，若考虑摩擦力，则取各运动副的动静摩擦系数为0.15。分析结果如图13～图19所示。

图13 柱塞工作行程负载加载曲线

图14 连杆与十字轴连接销轴X方向工作载荷曲线

图15 连杆与十字轴连接销轴Y方向工作载荷曲线

图16 连杆与十字轴连接销轴总工作载荷曲线

图17 偏心轮支撑轴X方向工作载荷曲线

图18 偏心轮支撑轴Y方向工作载荷曲线

图19 偏心轮支撑轴总工作载荷曲线

由图13可知：柱塞工作行程负载加载一恒定力，约为20185N。

由上述图13～图16动态受力结果分析可知，十字轴或连杆进行强度﹑刚度﹑疲劳寿命分析时可以取最大载荷为20845.6N，方向可沿X方向进行加载。

由上述图17～图19的动态受力结果分析可知，偏心轮支撑轴进行强度﹑刚度﹑疲劳寿命分析时可以取最大载荷21541.4N为单缸反作用力，方向可沿X方向进行加载。

当各零部件所受应力高于最大载荷时，每一次载荷循环都对零部件造成一定量的损伤，并且这种损伤是可以积累的；当损伤积累到临界值时，零部件将发生疲劳破坏。

对于新型矿用三缸泥浆泵结构图，利用Pro/E软件对泥浆泵所有零件进行三维建模并进行模拟装配，之后再利用ADAMS软件对泥浆泵进行运动学分析，由此可知新型矿用三缸泥浆泵的主要结构尺寸设计合理，柱塞位移空间满足设计要求，连杆摆角小，柱塞及连杆的速度和加速度均较低，动载荷小。