Simulation design of the piston pump based on Pro / E
Abstract: The plunger pump is a fuel supply device, commonly used in
machinery lubrication systems. Its working principle is: By rotating the cam which functioning on the plunger pressed by a spring and making the plunger reciprocate , thus changing the volume of pump chamber and the pressure to pump , inhaling oil to the chamber, and discharging to the lubrication system. Plunger pump can be divided into two classifications , namely radial piston pump and axial piston pump. Plunger following the circumference of the radial distribution (plunger with vertical shaft) is a radial piston pump ; distribution according to the direction of drive shaft (with shaft parallel) is the axial piston pump. Axial piston pump has advantages of compact structure, high pressure, easy to implement variable and a size smaller than the radial piston pump. The main issue of the design is about the product design of piston pump and entities’ simulation designing based on Pro / E software . Pro / E software is by far the most powerful full parametric designing software. Using Pro / E for the simulation designing of plunger pump , we can simulate the real situation, identify problems and analyze problems, so as to achieve optimal and the most economical one . This article explains in detail the entire process of modeling piston pump, plunger pump’s assembly , as well as the plunger’s motion simulation, and with other three-dimensional designing software to conduct a comparative analysis of the merits and demerits of various types of design software. This discourse focus on all parts of the piston pump and motion simulation based on Pro / E software, thus we will make a clearer understanding with the working
principle of the piston pump .
Keywords: piston pump, Pro / E, Simulation and Design
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第一章 绪 论
1.1课题背景
随着工业技术的不断发展，液压传动也越来越广，而作为液压传动系统心脏的液压泵就显得更加重要了。在容积式液压泵中，惟有柱塞泵是实现高压﹑高速化﹑大流量的一种最理想的结构，在相同功率情况下，径向往塞泵的径向尺寸大、径向力也大，常用于大扭矩、低转速工况，作为液压马达使用。而轴向柱塞泵结构紧凑，径向尺寸小，转动惯量小，故转速较高；另外，轴向柱塞泵易于变量，能用多种方式自动调节流量，流量大。由于上述特点，轴向柱塞泵被广泛使用于工程机械、起重运输、冶金、船舶等多种领域。航空上，普遍用于飞机液压系统、操纵系统及航空发动机燃油系统中。是飞机上所用的液压泵中最主要的一种型式。本设计对柱塞泵的结构作了详细的研究，在柱塞泵中有阀配流﹑轴配流﹑端面配流三种配流方式。这些配流方式被广泛应用于柱塞泵中，并对柱塞泵的高压﹑高速化起到了不可估量的作用。可以说没有这些配流方式，就没有柱塞泵。但是，由于这些配流方式在柱塞泵中的单一使用，也给柱塞泵带来了一定的不足。柱塞式液压泵是靠柱塞在柱塞腔内的往复运动，改变柱塞腔容积实现吸油和排油的。是容积式液压泵的一种。柱塞式液压泵由于其主要零件柱塞和缸休均为圆柱形，加工方便配合精度高，密封性能好，工作压力高而得到广泛的应用。柱塞式液压泵种类繁多，前者柱塞平行于缸体轴线，沿轴向按柱塞运动形式可分为轴向柱塞式和径向柱塞式两大类运动，后者柱塞垂直于配油轴，沿径向运动。这两类泵既可作为液压泵用，也可作为液压马达用。
1.2本课题的研究意义
用Pro/E进行柱塞泵的仿真设计可以模拟真实情况，发现问题、分析问题，从而达到最优化、最经济的设计目的。本文详细讲解了整个柱塞泵的设计过程，以及柱塞泵的运动仿真，从而对柱塞泵的工作原理有了更清晰的认识。在柱塞泵的设计制造过程中引进仿真技术可以大大缩短柱塞泵的研发周期、降低研发成本、提高可靠性。
1.3 国内外发展概况
泵是通用机械行业的重要组成部分，其产品广泛应用于电力、水利、石油开
采、石油化工、城市污水处理及半导体等行业，具有产品产量大，应用范围广的显著特点，是国民经济的重要组成部分。随着国内经济的发展和国际环境的不断改善，中国的泵设备市场得到了飞速的发展，一方面，国际大型泵及真空设备厂商不断加大在中国的投资力度，建立了一大批高水平的工厂，销售网点及技术支持中心，另一方面，中国泵及真空设备厂商也不断发展优势产品，努力扩大产品出口。2006年中国泵行业的发展状况良好，资产总计达到了433亿元，比2005年同期增长了14.08%，销售收入为422亿元，比2005年同期增长了17.55%，利润总额为38.7亿元，比2005年同期增长了92.53%。
在看到中国泵行业迅速发展、竞争实力迅猛提升的同时也要看到，与国外大型先进泵设备厂商相比，中国厂商仍具有规模小，技术水平低，在新产品、新技术、新工艺开发等方面投入不足等缺点。由于中国厂商在高端技术上与国外大厂商存在的较大差距，技术含量较高的泵类产品市场被国外产品占据了较大份额。国外泵行业正在加快并购重组步伐，泵制造厂家数量会不断减少，跨国泵业公司间的竞争和垄断进一步加剧。据不完全统计，自2000年以来，国外泵行业已有80起大的合并和收购，通过这种集团化的合作发展战略，不仅可以得到最大的经济规模，还有利于利用原来的商标和知名度实现可持续发展。
未来3～5年，国内泵行业仍将保持11%～12%的增长速度。特别是得益于国家实行积极的政策和扩大内需的拉动，电力、钢铁、石化等国民经济主要部门和城市基础设施建设需求的持续增长，中国泵行业还将会以高出机械工业2％～3％的速度持续发展。“西气东输”“西电东送”“南水北调”等国家重点项目的开工需要大量的泵阀产品配套；随着发达国家调整产业结构，中国正逐渐成为世界制造业转移的主战场，也使泵业面临更大的发展空间。据中国泵业协会预测到2010年，泵业工业总产值预计达到180亿元，销售收入达190亿元。
当前,轴向柱塞泵的发展趋势是:高压化,高速化,大流量化.要实现这些目标的关键问题之一是要合理设计轴向柱塞泵中的各种类型的摩擦副,使之形成适当的油膜,以提高柱塞泵的工作效率和寿命.配流副是轴向柱塞泵中最关键的摩擦副之一,也是最容易磨损失效的部件.因此,为了设计性能优良的高压,高速,大流量轴向柱塞泵,研究配流副的润滑特性机理是十分重要的.
1.4 本课题的研究内容和方法
本设计课题主要进行柱塞泵的产品设计和基于Pro/E软件的实体仿真设计，用ProE软件进行柱塞泵各零件的设计，并进行装配，再进入ProE的机构模块进行机构分析。
用Pro/E进行柱塞泵的仿真设计可以模拟真实情况，发现问题、分析问题，从而达到最优化最经济的设计目的。从而对柱塞泵的工作原理有了更清晰的认识。
本设计课题主要是基于美国PTC公司发布的Pro/Engineer WildFire 3.0，其次，还要进行广泛的调查、研究等实践工作，用以收集柱塞泵的各种资料。
总的来说，在控制技术高度发展的今天，对柱塞泵的研究及其有关的学科和领域仍是值得深入研究的课题，具有很大的应用价值和现实意义。
第二章 轴向柱塞泵
2.1 柱塞泵的基本概念
柱塞泵是一种供油装置，常用于机器的润滑系统中。它的工作原理是：靠凸轮旋转，由凸轮作用在弹簧压紧的柱塞上，使柱塞做往复运动，因而不断改变泵腔的容积和压力，将润滑油吸入泵腔，并排到润滑系统中。柱塞往复运动距离，依靠凸轮的偏心距尺寸。当凸轮按逆时针方向旋转时，凸轮旋转半径逐步减少，柱塞在压缩弹簧的作用力下，逐步向右移动，泵腔的容积逐步增大，而压力逐步减少，润滑油受外界大气压的作用下，推开上方单向阀门（吸油阀）的球体而进入泵腔中。当凸轮轴继续旋转时，凸轮旋转半径逐步增大，柱塞在凸轮作用下，克服弹簧压力往左移动，上方单向阀中的球体在弹簧作用下，关紧阀门，此时，泵腔容积逐步减少，压力逐步增大，由于润滑油从下方单向阀（排油阀）克服弹簧压力，推开钢球，流到供油润滑系统中，凸轮轴不断旋转达到供油不间断。柱塞泵是依靠柱塞在缸体孔内作往复运动时产生的容积变化进行吸油和压油的。由于柱塞和缸体内孔都是圆柱表面，很容易得到高精度的配合，密封性能好，在高压下工作仍能保持较高的容积效率和总效率。因此，现在柱塞泵的形式众多，性能各异，应用非常广泛。
2.2 柱塞泵的分类
根据柱塞的布置和运动方向与传动主轴相对位置的不同，柱塞泵分为轴向柱塞泵和径向柱塞泵两种代表性的结构形式；由于径向柱塞泵属于一种新型的技术含量比较高的高效泵，随着国产化的不断加快，径向柱塞泵必然会成为柱塞泵应用领域的重要组成部分。
2.3 轴向柱塞泵简介
轴向柱塞泵是利用与传动轴平行的柱塞在柱塞孔内往复运动所产生的容积变化来进行工作的。由于柱塞和柱塞孔都是圆形零件，加工时可以达到很高的精度配合，因此容积效率高，运转平稳，流量均匀性好，噪声低，工作压力高等优点，但对液压油的污染较敏感，结构较复杂，造价较高。柱塞泵是液压驱动系统中常用的压力油提供元件，被广泛应用于各类工程机械中。由于现在我国国内自