機械原理課程設計往復泵動力端運動機構設計和分析

目錄

一、設計題目 ................................................................................................................................. 2

二、機構傳動系統方案的確定 ..................................................................................................... 2

三、機構綜合的方法和運算結果 ................................................................................................. 3

1）綜合分析 ........................................................................................................................... 3

2）主程序設計 ....................................................................................................................... 4

3）計算結果 ........................................................................................................................... 5

四、運動分析的方法和計算結果 ................................................................................................. 5

1）運動分析 ........................................................................................................................... 5

3)往復泵的運動分析 ............................................................................................................. 6

4）數據表格 ........................................................................................................................... 9

五、對課程設計進行總結 ............................................................................................................ 11

六、主要參考文獻 ........................................................................................................................ 11

七、附件(計算程序等). .............................................................................................................. 11

1）曲柄滑塊機構的設計 ...................................................................................................... 11

2）往復泵的運動分析 ......................................................................................................... 12

3）數據求解 ......................................................................................................................... 13

一、設計題目

往復泵動力端運動機構設計和分析

二、 機構傳動系統方案的確定

1）功能要求：將原動機的高速旋轉運動變為柱塞的低速往復運動

2）工作原理：往復泵是利用工作腔容積的周期性變化來輸送高壓流體的，它通常由兩部分

組成。一部分直接輸送液體，把機械能轉換為液體的壓力能的液力端，另一部分將原動機

的能量傳給液力端的動力端。動力端主要有曲柄、連桿、十字頭等部件。如上圖所示，在

液缸中有柱塞桿和柱塞，液缸體上裝有吸入閥和排出閥。液缸體中柱塞與閥之間的空間稱

為工作室，它通過吸入閥和排出閥分別與吸入管路和排出管相連。

通常壓裂泵的動力源為高速柴油機，動力由柴油機經過減速裝置傳遞到曲柄，當曲柄

以角速度順時針旋轉時，柱塞從右極限位置開始向左運動，工作腔的容積增大，壓力降

?

低，液體在壓力差的作用下克服吸入管路和吸入閥等的阻力損失進入液缸體中。當柱塞運

動到左極限位置時，吸入液體過程停止，吸入閥關閉。曲柄繼續旋轉，柱塞開始向右運動，

液缸體中的液體被擠壓，液體壓力急驟增加。在這一壓力作用下，排出閥被打開，液缸體

內液體在柱塞的作用下被排送到排出管路中去。

當往復泵的曲軸以角速度不停旋轉時，往復泵就實現連續吸入和排出液體的過程。

?

往復泵的曲柄滑塊機構一般采用對心式設計，在一些壓力高或者由于結構的限制選定的長

細比（R/L）值比較大的情況下，可以采用正偏置設計來改善十字頭與導板間的正壓力和偏

磨。

3）

原始數據和設計要求

注：①其它摩擦及其他構件質量均忽略不計；

柱塞行偏心距最大壓柴油機轉速沖次N 柱塞直排出壓十字頭十字頭質量曲柄質連桿

程se（mm） 力角(沖/與導軌質量

?

cZ

(rpm) (Kg) (Kg) （mm） (MPa)

徑力

d

分) 的摩擦（mm） (°)

Pm

1S

系數f

量

m

Q

m

L

(Kg)

229 24 52 1500 120 70 45 0.13 30 40 70

②假定泵閥的滯后角為0；

③曲柄和連桿的質量與長度有關，本題假定為已知；

④吸入壓力P=0.01MPa。

2

三、機構綜合的方法和運算結果

1）綜合分析

（1）齒輪傳動的基本簡圖如上所示。

齒輪設計采用壓力角為20°的直齒圓柱齒輪，根據根切條件可知Z>=17，且直齒圓

max

柱齒輪的傳動比一般在3-8。

（2）傳動比的具體分配方案

依題意有：n=1500r/min，n=120r/min

14

i=(-1)mZZZ/ZZZ=Z/Z=n/n=1500/120=12.5

142341234114

因為傳動比12.5大于8，所以應采取如圖分級傳動，取Z=18，則Z=300

14

具體傳動比分配如下：

i=Z/Z=5=n/n→Z=90,n=300r/min

12211222

齒輪2和3在同一軸上，則有：n=n=300r/min

32

i=Z/Z=5/2=n/n→Z=120

3443343

綜上所述：傳動比的分配方案為，i=5，i=5/2

1234

（3）曲柄滑塊機構的設計

如圖所示：點B運動到B1、B2位置是曲柄滑塊機構運動的兩極限位置，當點B運動到B3

位置(B3在A點正下方)，壓力角α取最大值。

。222

由圖中幾何關系得：c Sin52=（e+R）/L (S+c)+e=L

222

=(L?R)?e

整理得：

L=(R+e)/ sin(52)

L=[(4SR-4Se- S)/(16R-4S)]

22224221/2

2）主程序設計

Private Sub picture1_Click()

lor = RGB(255, 0, 0)

Const Pi = 3.1415926

Dim x!, y1!, y2!

(-18, 18)-(18, -18)

(-14, 0)-(14, 0)

(0, 14)-(0, -14)

tX = 11.5: tY = -0.6: "X/dm"

tY = 14: tX = 0.6: "Y/dm2 "

For x = -8 To 8 Step 0.00005

y1 = (x + 0.24) * (x + 0.24) / (Sin(52 * Pi / 180) * Sin(52 * Pi / 180))

y2 = (4 * 2.29 * 2.29 * x * x - 4 * 2.29 *2.29 * 0.24 * 0.24 – 2.29 * 2.29 *2.29 * 2.29) / (16 * x *

x - 4 *2.29 * 2.29)

(x, y1)

(x, y2)

If Abs(y1 - y2) < 0.0001 Then Format(x, "#0.#####")

Next x

End Sub

3）計算結果

由程序運算結果可知: R=0.69303dm=69.3mm,從而L=（69.3+24）/sin( 52°) =118.4mm

四、運動分析的方法和計算結果

1）運動分析

建立坐標系如圖，則有

由幾何關系不難得出：

c=((L-R)-e)=42.8mm, ??=2πn則：

221/2

1

??

2 1

=Rcosθ??/Lcos??

（1）位置分析

x=Rcosθ+Lcos??+c

由于Rsinθ+e=Lsin??可知

C

y

O

?

e

?

x

L

所以 cos??=[1-（Rsinθ+e）/L]

221/2

也即有：x=Rcosθ+L[1-（Rsinθ+e）/L]+c

又由??????????

12

+??????????=??????????+??????????

??????????

12

+??cosβ+??????????=??????????

解之即有：

θ=atn((y?sinβ?0.69303?sin?(x)?0.24?cosβ)/(y?cosβ?0.69303?cos?(x)+

211

0.24?sinβ)

（2）速度分析

根據位置方程對時間求導可得：

V=dx/dt=-R sin???ω-L sinβ·ω

12

=-R sin???·ω- L sinβ·R cos???·ω/L cosβ

11

221/2

=-R sin???·ω-（ R sin??? +e）·R cos???·ω/L）/[1-（R sin??? +e）/L]

11

（3）加速度分析

22

由題意可得：a=dv/dt=-Rωcosθ-L(cosβω+sinβ*??)

12

2

2

又由于 ??=Rω·（-sinθcosβω+ sinβcosθω）/(L·cosβ)

2

112

221/2

=Rω·{-sinθ[1-（R sinθ+e）/L]ω+[（R sinθ+e）/L] cosθω}/{ L·[1-（R

112

22

sinθ+e）/L]}

22221/2

即a=-Rωcosθ-L(cosβω+sinβRω·{-sinθ[1-（R sinθ+e）/L]ω+[（Rsinθ+e）

1211

22

/L] cosθω}/{ L·[1-（R sinθ+e）/L]})

2

3)往復泵的運動分析

(1)位移圖像分析

Private Sub picture1_Click()

lor = RGB(255, 0, 0)

Dim x as double,y as double,n as double,m as double

(-8, 4)-(8, -4)

(-8, 0)-(8, 0): (0, 4)-(0,-4)

tX = 6.2: tY = -0.2: "X/rad"

tY= 4 :tX= 0.2: "Y/dm

For i=-7 to 7

(i, 0)-(i, 0.1)

tX = i - 0.2: tY = -0.1: i

tX = -0.1: tY = i-0.1: i

Next i

For x = 0 To 6.283 Step 0.0001

221/2

y = 0.693* Cos(x) +1.184 * Sqr(1 - (0.693* Sin(x) + 0.24) * (0.693 * Sin(x) + 0.24)/

(1.184 * 1.184)) + 0.428

(x, y)

Next x

End sub

運行結果如圖所示：

（2）速度圖像分析

Private Sub picture1_Click()

lor = RGB(255, 0, 0)

Dim x as double,y as double,n as double,m as double

(-8, 15)-(8, -15)

(-8, 0)-(8, 0): (0,15)-(0, -15)

tX = 6.2: tY = 0.2: "X/rad"

tX = 0.2: tY =15: "Y/dm/s"

For i = -14 To 14

(i, 0)-(i, 0.1)

tX = i - 0.2: tY = -0.1: i

tX = - 0.1: tY =i -0.1: i

Next i

For x = 0 To 6.283 Step 0.0001

n = (0.693 * Sin(x) + 0.24) /1.184

m = 0.693 * Cos(x) * 9.425 / (1.184* Sqr(1 - n * n))

y = (-0.693) * Sin(x) * 9.425 – 1.184 * n * m

(x, y)

Next x

End sub

運行結果如圖所示：

（3）加速度圖像分析

Private Sub picture1_Click()

lor = RGB(255, 0, 0)

Dim x as double,y as double,n as double,m as double

(-8, 20)-(8, -20)

(-8, 0)-(8, 0): (0, 20)-(0, -20)

tX = 6.2: tY = 0.2: "X/rad"

tX = 0.2: tY =20: "Y /m/s2"

For i = -20 To 20

(i, 0)-(i, 0.1)

tX = i - 0.2: tY = -0.1: i

tX = - 0.1: tY = i-0.1: i

Next i

For x = 0 To 6.283 Step 0.0001

n = (0.0693 * Sin(x) + 0.024) / 0.1184

m = 0.0693 * Cos(x) * 9.425 / (0.1184 * Sqr(1 - n * n))

w = 0.0693* 9.425 * ((-Sin(x)) * Sqr(1 - n * n) * 9.425 + n * Cos(x) * m) / (0.1184*

(1 - n * n))

y = (-0.0693) * 9.425 * 9.425 * Cos(x) – 0.1184 * (Sqr(1 - n * n) * m * m + n

* w)

(x, y)

Next x

End Sub

運行結果如圖所示：

4）數據表格

根據原始數據和所學參數，應用excel的計算功能可得往復泵的各個工作參數，如下表所

示：

???

1

S mm V mm/s a mm/s

0° 228.0421 -135.2025 -9993.1197

15° 220.4632 -407.9960 -9453.2042

30° 205.6686 -649.1253 -7698.3958

45° 185.0184 -823.5475 -4635.6752

60° 160.8764 -894.5296 -284.0427

75° 136.5566 -833.6534 4619.4471

90° 115.6950 -653.1536 7879.1592

。2

??

222

?? rad/s ??

8.1396 5.6334 6.5693

1.7125 5.6979 -7.3524

1.7125 5.4996 -22.8685

。

4.9546 -40.3768 -16.666

3.9146 -59.4950 -27.9363

2.2296 -76.8513 -36.2964

1.1358 -84.4498 -38.5443

-2.2296 -76.851 -35.3453

-3.9145 -59.4952 -29.2911

-4.9546 -40.3770 -22.3286

-5.4996 -22.8687 -15.3150

-5.6979 -7.3526 -15.3109

-5.6334 6.5691 -1.9021

-5.3355 19.2524 4.4984

-4.7969 30.7853 10.6832

-3.9908 40.9153 16.5252

-2.8955 49.0509 21.7305

-1.5321 54.4005 25.8143

-2.2706 56.2747 28.1914

1.5320 51.1834 28.4347

2.8954 49.0511 26.5637

3.9907 40.9156 23.0737

4.7969 30.7856 18.6209

5.3355 19.2528 13.6377

5.6334 6.5695 13.6377

7806.0352 105° 100.6842 -428.1421

5871.9515 120° 91.5763 -236.7648

4070.1898 135° 87.0134 -100.1502

2964.0545 150° 85.6374 -4.0275

2439.2056 165° 86.5858 69.8990

2318.8045 180° 89.4420 135.2019

2489.4758 195° 94.1059 201.4013

2873.7400 275.4887 210° 100.7044

3364.1850 362.0688 225° 109.5274

3738.3263 461.3638 240° 120.9392

3609.0369 565.1103 255° 135.2032

2549.2658 653.1515 270° 152.1911

422.5113 696.6818 285° 171.0755

669.9291 300° 190.2390 -2417.5831

561.6296 315° 207.5322 -5341.6073

377.6670 330° 220.7354 -7788.6547

136.6996 345° 227.9832 -9402.9055

360° 228.0421 -135.1972 -9993.1190

五、對課程設計進行總結

做了兩周的課程設計，有很多的心得體會，既有關于往復泵設計分析方面的，更多的

是關于在設計過程中所體會的收獲與成長。

拿到題目時的第一感覺是不知所措的，感覺無從下手，致使一直放到快交時還有很多

沒做完，加上復習和各種上機作業，簡直有點手忙腳亂，后來沒辦法只好靜下心來慢慢做，

我通過自己的努力，在反復的嘗試和修改中，終于把整個計算和主要程序編寫完成了，實

現了預定的功能，以前的vb語言沒學扎實，致使常常不能得心應手，一開始的程序這塊兒

就令我有些迷茫。后來經過幾天幾夜的努力，終于有了點頭緒，然后又在同學的幫助下，

找到了一些參考書，在各種資源的支持下我掌握了程序設計的各種方法，了解了往復泵的

更多細節，也理解了在編譯過程中常常出現的問題和解決的方法。

兩個多星期后我的程序終于完成了。在機房調試雖然出現了一些問題，但都解決了。

最后，我發現自己對編程竟然也有了一點興趣，想暑假回家以后自己去買一些東西來做，

再補一補c語言。

六、主要參考文獻

《往復泵設計》編寫組.往復泵設計[M].北京:機械工業出版社,1987.

朱修傳.往復泵總體設計中主要參數的確定[J].煤礦機械.2007.28(4):29-31.

賈光政,王宣銀.液壓驅動往復泵的設計特點[J].液壓與氣動.2002(2):44-46.

七、附件(計算程序等).

1）曲柄滑塊機構的設計

Private Sub picture1_Click()

lor = RGB(255, 0, 0)

Const Pi = 3.1415926

Dim x!, y1!, y2!

(-18, 18)-(18, -18)

(-14, 0)-(14, 0)

(0, 14)-(0, -14)

tX = 11.5: tY = -0.6: "X/dm"

tY = 14: tX = 0.6: "Y/dm2 "

For x = -8 To 8 Step 0.00005

y1 = (x + 0.24) * (x + 0.24) / (Sin(52 * Pi / 180) * Sin(52 * Pi / 180))

y2 = (4 * 2.29 * 2.29 * x * x - 4 * 2.29 *2.29 * 0.24 * 0.24 – 2.29 * 2.29 *2.29 * 2.29) / (16 * x *

x - 4 *2.29 * 2.29)

(x, y1)

(x, y2)

If Abs(y1 - y2) < 0.0001 Then Format(x, "#0.#####")

Next x

End Sub

2）往復泵的運動分析

(1)位移圖像分析

Private Sub picture1_Click()

lor = RGB(255, 0, 0)

Dim x as double,y as double,n as double,m as double

(-8, 4)-(8, -4)

(-8, 0)-(8, 0): (0, 4)-(0,-4)

tX = 6.2: tY = -0.2: "X/rad"

tY= 4 :tX= 0.2: "Y/dm

For i=-7 to 7

(i, 0)-(i, 0.1)

tX = i - 0.2: tY = -0.1: i

tX = -0.1: tY = i-0.1: i

Next i

For x = 0 To 6.283 Step 0.0001

y = 0.693* Cos(x) +1.184 * Sqr(1 - (0.693* Sin(x) + 0.24) * (0.693 * Sin(x) + 0.24)/

(1.184 * 1.184)) + 0.428

(x, y)

Next x

End sub

（2）速度圖像分析

Private Sub picture1_Click()

lor = RGB(255, 0, 0)

Dim x as double,y as double,n as double,m as double

(-8, 15)-(8, -15)

(-8, 0)-(8, 0): (0,15)-(0, -15)

tX = 6.2: tY = 0.2: "X/rad"

tX = 0.2: tY =15: "Y/dm/s"

For i = -14 To 14

(i, 0)-(i, 0.1)

tX = i - 0.2: tY = -0.1: i

tX = - 0.1: tY =i -0.1: i

Next i

For x = 0 To 6.283 Step 0.0001

n = (0.693 * Sin(x) + 0.24) /1.184

m = 0.693 * Cos(x) * 9.425 / (1.184* Sqr(1 - n * n))

y = (-0.693) * Sin(x) * 9.425 – 1.184 * n * m

(x, y)

Next x

End sub

（3）加速度圖像分析

Private Sub picture1_Click()

lor = RGB(255, 0, 0)

Dim x as double,y as double,n as double,m as double

(-8, 20)-(8, -20)

(-8, 0)-(8, 0): (0, 20)-(0, -20)

tX = 6.2: tY = 0.2: "X/rad"

tX = 0.2: tY =20: "Y /m/s2"

For i = -20 To 20

(i, 0)-(i, 0.1)

tX = i - 0.2: tY = -0.1: i

tX = - 0.1: tY = i-0.1: i

Next i

For x = 0 To 6.283 Step 0.0001

n = (0.0693 * Sin(x) + 0.024) / 0.1184

m = 0.0693 * Cos(x) * 9.425 / (0.1184 * Sqr(1 - n * n))

w = 0.0693* 9.425 * ((-Sin(x)) * Sqr(1 - n * n) * 9.425 + n * Cos(x) * m) / (0.1184*

(1 - n * n))

y = (-0.0693) * 9.425 * 9.425 * Cos(x) – 0.1184 * (Sqr(1 - n * n) * m * m + n

* w)

(x, y)

Next x

End Sub

3）數據求解

Private Sub Command1_Click()

Const PI = 3.14159

Dim x!

x= PI * Val(Text1) / 180

s= Val(69.3 * Cos(x) + 118.4 * Sqr(1 - (69.3 * Sin(x) + 24) * (69.3 * Sin(x) + 24)

/ (118.4 *118.4))) + 42.8

v= (-69.3) * Sin(x) * 9.425 - ((69.3* Sin(x) + 24) * 69.3 * Cos(x) * 9.425 /118.4)

/ Sqr(1 - (69.3* Sin(x) + 24) * (69.3 * Sin(x) + 24) / (118.4 * 118.4))

n = (0.0693 * Sin(x) + 0.024) / 0.1184

m = 0.0693 * Cos(x) * 9.425 / (0.1184 * Sqr(1 - n * n))

w = 0.0693* 9.425 * ((-Sin(x)) * Sqr(1 - n * n) * 9.425 + n * Cos(x) * m) /

(0.1184* (1 - n * n))

a= (-0.0693) * 9.425 * 9.425 * Cos(x)– 0.1184 * (Sqr(1 - n * n) * m * m + n * w)

cosβ = Sqr(1 - (69.3 * Sin(x) + 24) * (69.3 * Sin(x) + 24) / (118.4 * 118.4))

sinβ = (69.3 * sinx + 24) / 118.4

ω2 = 69.3 * Cos(x) * 9.425 / (118.4 * cosβ)

ε2 = 69.3 * 9.425 * (-Sin(x) * cosβ * 9.425 + sinβ * Cos(x) * ω2) / (118.4 *

cosβ * cosβ)

θ2=atn((s?sinβ?69.3?sin?(x)?24?cosβ)/(s?cosβ?69.3?cos?(x)+24?sinβ))

Text2= s

Text3= v

Text4= a

Text5=ω2

Text6=ε2

Text7=θ*180/pi

2

End Sub

Private Sub Command2_Click()

Text1 = ""

Text2 = ""

Text3 = ""

Text4 = ""

Text5 = ""

Text6 = ""

Text7 = ""

End Sub

Private Sub Command3_Click()

End

End sub