蒲海豐，王曉寅 ，王關(guān)平，張 彬

（1.甘肅廣播電視大學(xué) 理工農(nóng)醫(yī)學(xué)院 甘肅 蘭州 730030 ；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 甘肅 蘭州730070 ；3.白銀有色金屬公司 甘肅 白銀 730090）

齒輪泵是一種廣泛應(yīng)用在航空航天、紡織機(jī)械、建筑機(jī)械、礦山冶金機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、機(jī)床等機(jī)械領(lǐng)域中的液壓動(dòng)力元件。與柱塞泵、葉片泵相比其主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、體積小、質(zhì)量輕、工藝性好、價(jià)格便宜、自吸力強(qiáng)、對(duì)油液污染不敏感、維護(hù)方便、工作可靠，等等。當(dāng)前隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制造技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)高的水平，如果在齒輪泵產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中使用這種技術(shù)，那么憑借其強(qiáng)大的有限元分析及參數(shù)化設(shè)計(jì)能力[1]，就可以進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變分析及強(qiáng)度校核，同時(shí)可以根據(jù)產(chǎn)品使用設(shè)計(jì)要求，不斷修改設(shè)計(jì)方案和零部件結(jié)構(gòu)尺寸，直到達(dá)到設(shè)計(jì)要求。這樣就可以盡最大的可能縮短新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、降低新產(chǎn)品研發(fā)成本，促使產(chǎn)品快速、高效地投向市場(chǎng)。

利用機(jī)械領(lǐng)域優(yōu)秀的設(shè)計(jì)軟件solidorks2012就可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。現(xiàn)以某企業(yè)使用的cbb125 齒輪泵為例，建立齒輪泵的三維實(shí)體模型并在此基礎(chǔ)上利用solidorks2012 軟件所帶插件solidworks motoion 、solidworks simulation 對(duì)齒輪泵進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真。目前這個(gè)插件在航空航天、工程機(jī)械、模具設(shè)計(jì)制造、電子通訊、醫(yī)療器械、石油化工機(jī)械等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

一、建立cb-b125 齒輪泵的三維實(shí)體模型

首先運(yùn)用solidorks2012軟件繪制cb-b125齒輪泵每一個(gè)零件，然后在裝配模式下進(jìn)行零部件的組裝，其中要注意運(yùn)用約束配合關(guān)系，如平行、同軸、垂直、相切、重合、對(duì)稱等，通過(guò)這些約束配合關(guān)系的限定使得整個(gè)裝配過(guò)程猶如在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中進(jìn)行零件組裝一樣[2]，最終得到的cb-b125齒輪泵虛擬樣機(jī)模型，如圖1所示。

圖1 齒輪泵的虛擬樣機(jī)

solidorks2012 軟件可以實(shí)現(xiàn)尺寸驅(qū)動(dòng)，改變裝配體零件的某些尺寸。在對(duì)裝配體進(jìn)行模型重建時(shí)，其它零件會(huì)根據(jù)約束關(guān)系做出相應(yīng)的變化，例如零件尺寸、位置關(guān)系隨之改變，裝配體并不需要拆卸后重新裝配。此外solidorks2012軟件能夠模擬裝配體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，零件與零件之間是否會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象[3]，這種功能可以優(yōu)化生產(chǎn)設(shè)計(jì)，節(jié)約材料成本，避免資源浪費(fèi)，及早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)對(duì)零部件進(jìn)行修改，避免真正實(shí)物安裝時(shí)，產(chǎn)生干涉碰撞而無(wú)法安裝。

二、運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

建立好cb-b125 齒輪泵的裝配圖后，可以通過(guò)solidworks motoion 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。圖2表示齒輪泵仿真過(guò)程，由圖3可以看出，齒輪軸運(yùn)動(dòng)的角速度曲線是一條直線，這與理論值完全吻合。

圖2 齒輪泵運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程圖

三、動(dòng)力學(xué)仿真分析

齒輪泵的三維模型建立以后，可以通過(guò)Solidworks simulation 進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真,進(jìn)而對(duì)cb-b125齒輪泵的應(yīng)力、應(yīng)變和位移等方面進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，其過(guò)程主要有以下幾步。

第一，點(diǎn)擊simulation 下拉菜單中的算例，算例類型菜單下有靜態(tài)、頻率、疲勞、線性動(dòng)力等。選擇確定分析類型。

第二，點(diǎn)擊材料選擇設(shè)置，從材料庫(kù)或用戶自定義的材料庫(kù)中選出材料。并選定彈性模量、屈服強(qiáng)度等參數(shù)。

第三，點(diǎn)擊載荷/夾具下拉菜單，夾具下拉菜單下有固定幾何體、固定鉸鏈、滾珠等形式，載荷可以施加力和力矩等。

第四，網(wǎng)格劃分。如果零件網(wǎng)格劃分過(guò)細(xì)，就會(huì)使仿真運(yùn)算量過(guò)大、時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，甚至導(dǎo)致計(jì)算機(jī)死機(jī)，而無(wú)法求解；網(wǎng)格的劃分過(guò)粗又會(huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)的計(jì)算結(jié)果誤差太大。所以用戶可以多嘗試幾次網(wǎng)格劃分形式，選擇比較恰當(dāng)?shù)木W(wǎng)格劃分形式，也可以使用電腦推薦的網(wǎng)格劃分形式。

第五，運(yùn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析。

第六，查看仿真分析結(jié)果。仿真分析結(jié)果中可以顯示正應(yīng)力、剪應(yīng)力、各個(gè)方向上的應(yīng)變、各個(gè)方向上的位移以及合位移等。

圖4所示為上述仿真分析結(jié)果中其剪應(yīng)力結(jié)果圖。由仿真圖4可知齒輪泵上平鍵處的剪應(yīng)力為32.849MN/M2。

第七，計(jì)算誤差，驗(yàn)證仿真精度。

圖4 齒輪泵的仿真剪應(yīng)力結(jié)果圖

圖5 齒輪泵鍵受力圖

如圖5所示,設(shè)平鍵上的剪切力為Q，剪應(yīng)力為τ，則

對(duì)軸心取矩，由平衡條件

由式（3）得：

所以絕對(duì)誤差=32.849-32.42=0.429

相對(duì)誤差=0.429/32.42≈0.01≤1%

這充分說(shuō)明仿真的精度是完全足夠的。

四、結(jié)論

仿真分析結(jié)果為齒輪泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了參考。采用虛擬樣機(jī)對(duì)齒輪泵進(jìn)行仿真，能夠快速建立實(shí)體裝配模型，可以迅速而準(zhǔn)確地得 到齒輪泵的各種參數(shù)圖，如圖6所示。從而大大縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了快速化設(shè)計(jì)。

圖6 齒輪泵的位移、應(yīng)變、應(yīng)力比較結(jié)果圖