三螺杆泵的仿真设计与干涉检查*

王晓燕， 陈国定

(西北工业大学 机电学院，陕西 西安 710072)

随着PRO/E软件在机械设计中的应用越来越广泛.设计人员大量地采用PRO/E软件来直观地表达自己的设计思想，还能很方便地进行三维实体模型机械动力学和强度、刚度分析.因此PRO/E软件是世界上使用最广泛的CAD/CAM软件之一.本文使用PRO/E软件，对三螺杆泵进行三维模型设计，为三螺杆泵的生产厂家提供必要的设计帮助.三螺杆泵已在国内外的化工、石油、远洋等行业得到广泛应用.三螺杆泵具有运转平稳、工作转速高、自吸能力强、压力脉动极小、结构紧凑、体积小、使用寿命长、效率高、噪声低和维修方便等很多优点，应用越来越广泛.

1 三螺杆泵主要零件三维模型的建立

1.1 三螺杆泵上螺杆零件三维模型的建立

在PRO/E的状态下建立螺杆的三维模型，首先建立螺杆横截面齿形曲线.在建立螺杆横截面齿形曲线之前，首先输入必要的参数，主动螺杆根圆直径d、从动螺杆顶圆直径d、螺杆的导程h.在PRO/E打开后，在工具栏目下，打开参数命令，增加参数.使用建立空间曲线命令，通过方程建立螺杆横截面齿形曲线.需要特别注意的是：用方程建立空间曲线时，采用直角坐标系来建立方程.主螺杆的横截面齿形曲线是多段，在完成一边齿形后，通过镜像命令复制，完成齿形曲线的创建，如图1所示.在螺杆横截面齿形曲线完成后，建立螺杆的螺旋曲线，有外螺旋曲线和内螺旋曲线，如图1所示.在两条螺旋曲线完成后，开始进行可变截面扫描，在可变截面扫描时，参照轨迹线的主曲线选择中心线，辅助线选择内外螺旋线，在选项内选择恒定截面扫描，这样就能完成螺杆曲面实体部分扫描.其余部分使用拉伸等命令来完成，如图1所示.

主动螺杆的曲线方程：

主动螺杆横截面曲线方程，

X=(cost-0.475cos2t)d，Y=(sint-0.475sin2t)d， 0≤t≤56.004°.

螺旋线方程：

完成主动螺杆曲线如图1所示.

在主动螺杆三维模型完成后.进行从动螺杆三维实体的创建.同样，在PRO/E的状态下建立螺杆的三维模型，首先建立螺杆横截面齿形曲线.在建立螺杆横截面齿形曲线之前，首先输入必要的参数.在PRO/E打开后，在工具栏目下，打开参数命令，增加参数.使用建立空间曲线命令，通过方程建立螺杆横截面齿形曲线.需要特别注意的是：用方程建立空间曲线时，采用直角坐标系来建立方程.主螺杆的横截面齿形曲线是多段，在完成一边齿形后，通过镜像命令复制，完成齿形曲线的创建，如图2所示.在螺杆横截面齿形曲线完成后，建立螺杆的螺旋曲线，有外螺旋曲线和内螺旋曲线.如图2所示.在两条螺旋曲线完成后，开始进行可变截面扫描，在可变截面扫描时，参照轨迹线的主曲线选择中心线，辅助线选择内外螺旋线，在选项内选择恒定截面扫描，这样就能完成螺杆曲面实体部分扫描.其余部分使用拉伸等命令来完成，如图2所示.

从杆曲线方程：

X=rd2cos(27.802 5),Y=rd2sin(27.802 5), 0.475≤r≤0.5.

螺旋线方程:

完成后的从杆螺三维模型图，如图2所示.

1.2 三螺杆泵上其他零件的三维模型的创建

创建三螺杆泵上其他零件的三维模型.使用基本的PRO/E命令，如拉伸、旋砖、倒角等命令创建三螺杆泵上其他的主要零件的三维模型.主要有泵体、衬套、密封盖等57个零件.

1.2.1泵体的创建首先用旋转命令创建泵体的圆筒部分.其次用旋转命令创建相惯圆筒，使用拉伸切除内孔.再使用旋转命令创建其他结构，共使用一百多条命令完成泵体的三维创建，如图3所示.

1.2.2衬套的创建衬套创建比较简单，使用拉伸命令拉伸衬套主体，继续使用拉伸命令拉伸固定部位.多次使用拉伸、倒圆角等各种命令，最后完成衬套的创建，如图4所示.

1.2.3密封盖的创建密封盖的创建时第一步使用旋转命令，第二步使用拉伸命令来完成，第三步、第四步同样使用拉伸命令来完成，第五步完成阵列密封盖上的螺钉孔，最后反复使用拉伸、倒圆角、阵列、可变截面扫描等命令完成密封盖的创建，如图5所示.

以此类推，用同样的方法完成三螺杆泵其他所有零件的创建.完成单个零件的三维模型后进行三螺杆泵的组装.

1.2.4安全阀的创建安全阀是螺杆泵中一个比较重要的部件，它控制泵内最高压力.安全阀的三维实体造型并不复杂.首先是安全阀阀芯的创建，使用旋转命令创建阀芯的主阀部分.然后用拉伸命令创建导流部分，进一步使用拉伸命令导向部分.再反复使用拉伸、倒圆角等各种命令完成安全阀的创建，如图6所示.

安全阀内弹簧的创建，使用螺旋扫描命令来完成弹簧的创建，特别要注意的是属性内采用可变节距扫描，因为弹簧两端是并紧的，螺距有变化，两端螺距小中间螺距大，两端有支撑的作用，如图6所示.

1.3 三螺杆泵的实体组装

在螺杆泵所有零件三维实体创建完成后，进行螺杆泵的组装.首先将泵体刚性固定，其次装衬套等其他零部件.装衬套零件时注意要将衬套中心线与泵体主中心线对齐，衬套也是刚性地装入泵体之中.注意衬套一定要装配到位而且角度正确.否则三螺杆泵不能正确运行.再装后轴承座，主螺杆后轴承，两个从螺杆后轴承，主螺杆，从螺杆.需要特别注意的是，在安装螺杆时，应采用销钉连接的形式接入，为后面运动仿真做准备.在安装螺杆泵溢流阀时，阀芯也以销钉连接形式接入，为三螺杆泵的运动仿真做准备.完成三根螺杆的装配后，再装配三螺杆泵上的其他零件，完成装配后的三螺杆泵，如图7所示.后面的是隐藏了泵体、衬套、密封盖等零件后，露出来的螺杆装配关系.为后面观察螺杆干涉现象做准备.

2 三螺杆泵的运动干涉检查

在螺杆泵的安装完成后，进行螺杆泵的运动干涉检查，PRO/E软件从创建实体的形式转入应用程序机构的状态，同时隐藏泵体和衬套零件.使三根螺杆可见，做机构仿真运动时，便于观察三根螺杆的干涉状态.设置齿轮连接，将主螺杆(凸杆)设置为齿轮1，将从动螺杆(凹杆)设置为齿轮2，设置两次齿轮连接，如图8所示，设置电机.设置完成后进行机构仿真运动，机构分析，干涉检查.第一次干涉检查有严重干涉纹理,如图8所示.然后调整从螺杆安装角度，进行第二次机构分析，第二次干涉检查，仍然有少量干涉纹理.最后一次调整从螺杆的安装角度，直至干涉纹理消失.如图9所示为螺杆泵干涉纹路图.

3 结论

在新的机械产品研究开发的过程中，使用软件来完成产品设计和新产品的仿制、机构分析、运动干涉检查，可以节约新的机械设备的研究开发成本，节约新机械设备的研究开发时间，为机械设计工程师提供方便.

(王晓燕兼任九江职业大学副教授)