机械原理课程设计往复泵动力端运动机构设计和分析

目录

一、设计题目 ................................................................................................................................. 2

二、机构传动系统方案的确定 ..................................................................................................... 2

三、机构综合的方法和运算结果 ................................................................................................. 3

1）综合分析 ........................................................................................................................... 3

2）主程序设计 ....................................................................................................................... 4

3）计算结果 ........................................................................................................................... 5

四、运动分析的方法和计算结果 ................................................................................................. 5

1）运动分析 ........................................................................................................................... 5

3)往复泵的运动分析 ............................................................................................................. 6

4）数据表格 ........................................................................................................................... 9

五、对课程设计进行总结 ............................................................................................................ 11

六、主要参考文献 ........................................................................................................................ 11

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

1）曲柄滑块机构的设计 ...................................................................................................... 11

2）往复泵的运动分析 ......................................................................................................... 12

3）数据求解 ......................................................................................................................... 13

一、设计题目

往复泵动力端运动机构设计和分析

二、 机构传动系统方案的确定

1）功能要求：将原动机的高速旋转运动变为柱塞的低速往复运动

2）工作原理：往复泵是利用工作腔容积的周期性变化来输送高压流体的，它通常由两部分

组成。一部分直接输送液体，把机械能转换为液体的压力能的液力端，另一部分将原动机

的能量传给液力端的动力端。动力端主要有曲柄、连杆、十字头等部件。如上图所示，在

液缸中有柱塞杆和柱塞，液缸体上装有吸入阀和排出阀。液缸体中柱塞与阀之间的空间称

为工作室，它通过吸入阀和排出阀分别与吸入管路和排出管相连。

通常压裂泵的动力源为高速柴油机，动力由柴油机经过减速装置传递到曲柄，当曲柄

以角速度顺时针旋转时，柱塞从右极限位置开始向左运动，工作腔的容积增大，压力降



低，液体在压力差的作用下克服吸入管路和吸入阀等的阻力损失进入液缸体中。当柱塞运

动到左极限位置时，吸入液体过程停止，吸入阀关闭。曲柄继续旋转，柱塞开始向右运动，

液缸体中的液体被挤压，液体压力急骤增加。在这一压力作用下，排出阀被打开，液缸体

内液体在柱塞的作用下被排送到排出管路中去。

当往复泵的曲轴以角速度不停旋转时，往复泵就实现连续吸入和排出液体的过程。



往复泵的曲柄滑块机构一般采用对心式设计，在一些压力高或者由于结构的限制选定的长

细比（R/L）值比较大的情况下，可以采用正偏置设计来改善十字头与导板间的正压力和偏

磨。

3）

原始数据和设计要求

注：①其它摩擦及其他构件质量均忽略不计；

柱塞行偏心距最大压柴油机转速冲次N 柱塞直排出压十字头十字头质量曲柄质连杆

程se（mm） 力角(冲/与导轨质量



cZ

(rpm) (Kg) (Kg) （mm） (MPa)

径力

d

分) 的摩擦（mm） (°)

Pm

1S

系数f

量

m

Q

m

L

(Kg)

229 24 52 1500 120 70 45 0.13 30 40 70

②假定泵阀的滞后角为0；

③曲柄和连杆的质量与长度有关，本题假定为已知；

④吸入压力P=0.01MPa。

2

三、机构综合的方法和运算结果

1）综合分析

（1）齿轮传动的基本简图如上所示。

齿轮设计采用压力角为20°的直齿圆柱齿轮，根据根切条件可知Z>=17，且直齿圆

max

柱齿轮的传动比一般在3-8。

（2）传动比的具体分配方案

依题意有：n=1500r/min，n=120r/min

14

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

142341234114

因为传动比12.5大于8，所以应采取如图分级传动，取Z=18，则Z=300

14

具体传动比分配如下：

i=Z/Z=5=n/n→Z=90,n=300r/min

12211222

齿轮2和3在同一轴上，则有：n=n=300r/min

32

i=Z/Z=5/2=n/n→Z=120

3443343

综上所述：传动比的分配方案为，i=5，i=5/2

1234

（3）曲柄滑块机构的设计

如图所示：点B运动到B1、B2位置是曲柄滑块机构运动的两极限位置，当点B运动到B3

位置(B3在A点正下方)，压力角α取最大值。

。222

由图中几何关系得：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）主程序设计

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）计算结果

由程序运算结果可知: R=0.69303dm=69.3mm,从而L=（69.3+24）/sin( 52°) =118.4mm

四、运动分析的方法和计算结果

1）运动分析

建立坐标系如图，则有

由几何关系不难得出：

c=((L-R)-e)=42.8mm, 𝜔=2πn则：

221/2

1

𝜔

2 1

=Rcosθ𝜔/Lcos𝛽

（1）位置分析

x=Rcosθ+Lcos𝛽+c

由于Rsinθ+e=Lsin𝛽可知

C

y

O



e



x

L

所以 cos𝛽=[1-（Rsinθ+e）/L]

221/2

也即有：x=Rcosθ+L[1-（Rsinθ+e）/L]+c

又由𝑅𝑐𝑜𝑠𝜃

12

+𝐿𝑐𝑜𝑠𝜃=𝑠𝑐𝑜𝑠𝛽+𝑒𝑠𝑖𝑛𝛽

𝑅𝑠𝑖𝑛𝜃

12

+𝑒cosβ+𝐿𝑠𝑖𝑛𝜃=𝑠𝑠𝑖𝑛𝛽

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

根据位置方程对时间求导可得：

V=dx/dt=-R sin⁡𝜃ω-L sinβ·ω

12

=-R sin⁡𝜃·ω- L sinβ·R cos⁡𝜃·ω/L cosβ

11

221/2

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

11

（3）加速度分析

22

由题意可得：a=dv/dt=-Rωcosθ-L(cosβω+sinβ*𝜀)

12

2

2

又由于 𝜀=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)往复泵的运动分析

(1)位移图像分析

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

运行结果如图所示：

（2）速度图像分析

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

运行结果如图所示：

（3）加速度图像分析

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

运行结果如图所示：

4）数据表格

根据原始数据和所学参数，应用excel的计算功能可得往复泵的各个工作参数，如下表所

示：

𝜃⁡

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

𝜃

222

𝜔 rad/s 𝜀

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、对课程设计进行总结

做了两周的课程设计，有很多的心得体会，既有关于往复泵设计分析方面的，更多的

是关于在设计过程中所体会的收获与成长。

拿到题目时的第一感觉是不知所措的，感觉无从下手，致使一直放到快交时还有很多

没做完，加上复习和各种上机作业，简直有点手忙脚乱，后来没办法只好静下心来慢慢做，

我通过自己的努力，在反复的尝试和修改中，终于把整个计算和主要程序编写完成了，实

现了预定的功能，以前的vb语言没学扎实，致使常常不能得心应手，一开始的程序这块儿

就令我有些迷茫。后来经过几天几夜的努力，终于有了点头绪，然后又在同学的帮助下，

找到了一些参考书，在各种资源的支持下我掌握了程序设计的各种方法，了解了往复泵的

更多细节，也理解了在编译过程中常常出现的问题和解决的方法。

两个多星期后我的程序终于完成了。在机房调试虽然出现了一些问题，但都解决了。

最后，我发现自己对编程竟然也有了一点兴趣，想暑假回家以后自己去买一些东西来做，

再补一补c语言。

六、主要参考文献

《往复泵设计》编写组.往复泵设计[M].北京:机械工业出版社,1987.

朱修传.往复泵总体设计中主要参数的确定[J].煤矿机械.2007.28(4):29-31.

贾光政,王宣银.液压驱动往复泵的设计特点[J].液压与气动.2002(2):44-46.

七、附件(计算程序等).

1）曲柄滑块机构的设计

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）往复泵的运动分析

(1)位移图像分析

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）速度图像分析

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）加速度图像分析

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）数据求解

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