（车辆工程专业论文）内燃式压缩机动力学仿真与运转平稳性研究.pdf

中文摘要 论文讨论的是单缸内燃式压缩机。它是将传统的活塞式内燃机和压气机集为 一体，集以上两项技术的优点，直接利用传统活塞式内燃机活塞的直线往复运动 将燃料燃烧产生的热能转换成气能，形成的一种新型动力装置。 论文首先介绍了单缸内燃式压缩机产生的背景，总结了其发展和研究现状， 介绍了单缸内燃式压缩机的结构特点及工作原理，通过对单缸内燃式压缩机结构 和工作机理的深入研究，建立了系统的运动学和动力学模型，并列出了系统结构 的模型参数。 在此基础上使用m a t l a b 对单缸内燃式压缩机的工作过程进行了仿真，得 到单缸内燃式压缩机速度波动系数与飞轮转动惯量的关系，为内燃式压缩机的平 稳性设计提供了理论数据参考，使用s o l i d w o r k s 三维建模软件对单缸内燃式压缩 机的主要工作部件进行三维建模并对其进行了应力分析为内燃式压缩机部件的 结构设计提供理论数据参考。 关键词：单缸内燃式压缩机；动力学；平稳性；仿真计算 a b s t r a c t t h es u b j e c to ft h i sp a p e ri ss i n g l e c y l i n d e ri n t e r n a lc o m b u s t i o n c o m p r e s s o r t r a d a t i o n a lp i s t o nc o m p r e s s o ra n dc o m p r e s s o ra r ei n t e r g r a t e dh e r e a tt h es a m et i m e ， t h ea d v a n t a g e so ft h et w ot e c h n o l o g i e sa r ea s s i m i l a t e d a san e wp o w e r s y s t e m ，i tc a n c o n v e r s et h eh e a te n e r g yr e l e a s e dd u r i n gt h eb u r n i n gi n t oa i rd e p r e s s i o nd i r e c t l y a c c o r d i n gt ot h el i n e a rm o t i o no fe n g i n ep i s t o n t h ep a p e ri n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n do ft h es i n g l e c y l i n d e ri n t e r n a lc o m b u s t i o n c o m p r e s s o r , s u m m a r i z e st h es t a t u sq u oo fi t sr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t ；i n t r o d u c e st h e s t r u c t u r a lf e a t u r e sa n dt h ep r i n c i p l eo fs i n g l e c y l i n d e ri n t e r n a lc o m b u s t i o nc o m p r e s s o r 、i t had e e pr e s e a r c ho fw o r k i n gp r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo fs i n g l e c y l i n d e ri n t e r n a l c o m b u s t i o nc o m p r e s s o rt h ed y n a m i c se q u a t i o ni sc r e a t e da n dt h em o d e lp a r a m e t e r so f t h es y s t e ms t r u c t u r ei sa l s ol i s t e d b a s e do nt h ea b o v e ，b ya p p l y i n gm a t l a bt os i m u l a t ei t sw o r k i n gp r o c e s s ，i t s u m m a r i z e st h ea c t u a lw o r k i n gp r o c e s so fc r a n k s h a f tu n d e raw h o l ew o r k i n gc y c l e ， c o n f i r m st h er e l a t i o nb e t w e e ns p e e df l u c t u a t i o nc o e f f i c i e n to ft h ec r a n k s h a f ta n d m o m e n to fi n e r t i ao ft h eb a l a n c ew h e e l i tp r o v i d e sr e f e r e n c e so ft h et h e o r e t i c a ld a t a f o rt h ed e s i g no fs i n g l e - c y l i n d e ri n t e r n a lc o m b u s t i o nc o m p r e s s o r t h i sp a p a ru s et h e t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n gs o f t w a r es o l i d w o r k st ob u i l dt h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n g o fs i n g l e - c y l i n d e ri n t e r n a lc o m b u s t i o nc o m p r e s s o ro nt h em a i np a r t sa n das t r e s s a n a l y s i sf o ri n t e r n a lc o m b u s t i o nc o m p r e s s o rc o m p o n e n t sp r o v i d er e f e r e n c ed a t af o r t h es t r u c t u r a ld e s i g n k e y w o r d s ：s i n g l e - c y l i n d e ri n t e r n a lc o m b u s t i o nc o m p r e s s o r ；d y n a m i c s ； s t a b i l i t y ；d y n a m i c s 青蕊大学硕士学位论文 第1 条学位论文独创性声明 本人声明，所茔交戆学位论文系本人在导瘘指浮- f 独立完成姆研究成果。文孛依法善| 攥毽人斡残暴， 均已做出明确标注或得到许可论文内容未包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也 不包含本人已厢于其他学位申请的论文或成果。 本人如违反上述声臻，愿意承拦壶此萼l 发酶一谤责任簪后果 论文作者签名：钮v 锡驴 日期：肼( 月f 硝 第1 i 条学位论文知识产权权属声明 + 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。学校享有以任何方 式发表。+ 复铜、公并阕览、稽阕以及串请专利筹权利。本人离校嚣发表或使用学位论文或等该论文 直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为青岛大学。 本学位论文属于： 保密r l ，在年解密詹遁矮子本声绢。 不保密9 论文 # 者签名： ( 请在以上方框内打v ”) 2 尹籍巅溯年r 月f 彳耩 导师签名：冰燃日期：晰月鸽 ( 本声明的版权归青岛大学所有，未经许可，任何单位及任何个人不得搜自使用) 4 2 青岛大学硕十学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论弟一早 珀t 匕 传统的气压能一般经机械能转换获得，而机械能由热能通过内燃发动机获得， 或由电能通过电动机获得。就热能向气体压力能的转换来看，目前广泛使用的传统 的活塞式压缩机如图1 1 所示，采用内燃发动机带动压缩机中的曲柄滑块机构运动， 其工作过程为：首先在内燃机中将燃气燃烧产生的热能转化为机械能，其次经曲柄 连杆机构将活塞的往复移动转化为曲轴的连续转动，最后再利用压缩机中的曲柄滑 块机构将旋转运动转化为压气活塞的往复移动实现吸气和排气。由此看来，传统的 内燃发动机带动的压缩机需要经过热能转换为机械能、机械能转换为气体静压能、 直线运动转换为旋转运动、旋转运动转换为直线运动等多个相互独立的环节，存在 结构复杂、效率较低、使用不便等诸多问题，使用面向也受到很大制约。 图1 1 内燃机活塞式乐缩机组合系统工作原理图 1 内燃机曲轴；2 内燃机连杆；3 内燃机活塞：4 联轴器；5 i l ：气单向阀；6 - 进气单向阀；7 压缩机活塞； 8 压缩机连杆；9 压缩机曲轴 内燃式压缩机是利用液压自由活塞发动机h f p e ( h y d r a u l i cf r e ep i s t o ne n g i n e ) 依靠活塞直线往复运动将燃料燃烧产生的热能转换成流体压力能的原理，同时吸收 传统活塞式内燃机活塞运动受曲柄连杆机构约束，容易实现工作协调，便于启动和 易于实现附属系统驱动等优点，将活塞式内燃机与活塞式空气压缩机从工作机理上 集成，形成的一种新概念压缩机。内燃式压缩机可用于野外作业的各种风动机械中。 内燃式压缩机克服了传统系统的弊端，吸收h f p e 禾t j 用活塞往复运动直接进行能 量转换的优点，保留了传统发动机技术成熟、工作可靠的特点，形成了一种易于产 业化的新型动力装置。 毒岛大学硕士学位论文 1 2 国内外研究动态 1 2 1 往复式压缩机 活塞往复式压缩枫被广泛癍震子各个领域，特掰是在中小制冷范围淹，成为制 冷机中应用最广、生产批量最大的一种机裂。 噩 l lol | o i 簋蘩孽气 t l 0 | j 爱气 翔1 2 往复式笨缩撬工作原瑾示意图 活塞式匿缭枫对气体的压缩，是由活塞在气缸内盼往复运动来完成贻。如圈薹。2 所示，当曲轴旋转时，通过连杆的传动，活塞便做往复运动，由气缸内壁、气缸盖 翻活塞预面新构成翡工谗容积则会发生周期缝变化。活塞从气缸盖处开始运动时， 气缸内的工作容积逐渐增大，这时，气体即沿着进气管，推开进气阀藤进入气瓤， 直到工作容积变到最大时为止，进气阀关闭，完成压缩机的吸气过程。活塞反向运 动时，气缸内工作容积缩小，气体聪力升高，当气缸内压力达到并略高于排气压力 时，摊气阕打开，气体排出气氛，矗到活塞逛动到极限位置为止，排气耀关闭，完 成压缩机的排气过程。当活塞群次及向运动时，上述过程重复溅现。曲轴旋转周， 活塞往复次，气缸内相继实现进气、压缩、排气的过程，即完成一个工作循环。 压缩祝的理葱工稼过程是： ( 1 ) 压缩桃没有余隙容积； ( 2 ) 吸、摊气过程没有阻力损失； ( 3 ) 吸、擗气过程中与外界没有热量交换； ( 4 ) 没有瀵瀑l 矧。 往复式压缩机的主要优点： ( 1 ) 适用腿力范围广，超高压、高压、中压、低压均可，丽尤其以高压最为优 2 莆毫夫学颡士学燕论文 越； ( 2 热效率离，一般大、中型枫组缝热效率可达o 7 。8 5 左右； ( 3 ) 适威性较强，排气量范围较广，在小排气量下亦能保持较简效率，而且排 气量受撵气压力波动的影嚷较夺； ( | 毒) 可维修性强； ( 5 对材料性能要求低，多用普通钢铁材料，加工较容易，造价也较低廉； ( 6 ) 技术上较为成熟，生产使用上积累了丰富的经验。 僵这种压缩祝也存在些缺点： ( 1 转速不塞，机器大焉重； ( 2 ) 结构复杂，易损件较多，故检修工作量大； ( 3 ) 排气不连续，造成气流脉动； ( 4 ) 运转时有较大的震动。 。2 2 离心式压缩机 近年来，随着石油化工技术的飞速发展，离心压缩机越来越多地应用到生产实 际中，不颧朝着高转速、高压力、大流量方向发震。并盈作为心脏设备发挥着极其 重要的作用。离心式聪缩机由转子和定予两大部分组成，转子包括轴、固在轴上的 叶轮、轴套、联轴器及平衡盘组成。定予剐有枫壳定位于缸体上的各种隔板及轴承 等零部件。其基本原理可简述为：气体从离心式压缩机的入口到出翻是连续流动的， 气体在高速叶轮作用下气体被吸入时轮，在叶轮叶道悫获得压力能和动能，在静止 流道中( 扩压器、通道、回流器) 将大部分动能转化为压力能，气体经逐级压缩达 到要求的压力。 离心式瑟缩枧之所以褥到广泛癜溺，主要嘉予它有如下优点： ( 1 ) 在相同容量的情况下，特别是在大容量时，与螺杆压缩机机组相比，省去了 庞大的分油装置，视组的重量及尺寸较小，占地面积夺； ( 2 ) 离心式压缩机与传统内燃机一活塞压缩枫相比结构简单紧凑，运动件少，工 作可靠，经久耐用，髓卷维护费黑低； ( 3 ) 容易实现多级压缩且容易实现中间冷却，耗功较低； ( 4 ) 离心机组中混入的润滑油极少，对换热器的传热效果影响较小，机组英有较 高豹效率。 但它也存在一些缺点： ( 1 ) 转子转速较高，先了傈证叶轮一定麴宽度，离心式压缩概必须熏于大中流 量场合，不适合予小流量场合； ( 2 ) 单级压比低，为了褥到较离压毙须采用多级叶轮，一般逐要用增遮藏轮； 3 青岛大学硕士学位论文 ( 3 ) 离一t l , 式压缩机同一台机组工况不能有大的变动，适用的范围比较窄； ( 4 ) 喘振是离心式压缩机固有缺点，机组须添加防喘振系统。 1 2 3 螺杆压缩机 自1 9 6 0 年b z i m m e m 首先提出单螺杆压缩机的设想，取得发明专利权以来螺杆 压缩机在诸如空气动力、制冷、空调、石油化工等众多领域得到了广泛的应用。目 前，世界上有r 本、法国、美国、英国、荷兰等国家能够生产螺杆压缩机，其产品 主要应用于制冷、热泵、工艺流程及各种气体压缩机领域。螺杆压缩机自问世以来， 之所以备受各国重视，发展迅猛，主要因为它具有结构简单、紧凑、零部件少、体 积小、重量轻、良好的力平衡性及运行可靠、低噪声等独特的优点。双螺杆压缩机 结构如图1 3 示。 骏 图1 3 螺杆压缩机结构图 1 同步齿轮；2 - 阴转子；3 推力轴承：4 - 轴承；5 挡油环；6 - 轴封；7 阳转子；8 气缸 螺杆压缩机的工作原理是：由一对相互啮合的阴阳螺杆转子在机壳内，按一定传 动比，以相反方向转动，通过工作容积缩小进行气体压缩。转子在压缩机内，开始 转动时，由于齿的一端逐渐脱离啮合而形成呈v 形齿间容积，这个齿问容积的扩大， 在其内部形成了一定的真空，而此齿间容积又与吸气口连通，因此空气便在压差作 用下流入其中，在随后的转子旋转过程中，阳转子的齿不断从阴转子的齿槽中脱离 出来，齿间容积不断扩大，并与吸气口保持着连通，当该齿间容积达到最大值，随 着转子的旋转，这时齿间容积就不会再增加，齿间容积在此处与吸气口断开，空气 被封闭在齿间，吸气结束，进入压缩状态。随着压缩机转子的转动依次完成吸气、 压缩、排气过程。 螺杆压缩机和往复压缩机均系容积式压缩机，都是借容积的变化来实现的，但 4 青岛大学硕士学位论文 其转子在缸内做高速旋转运动又与离心式压缩机相同，因此，螺杆压缩机同时具有 往复压缩机和离心压缩机的特点1 5 。9 1 ： ( 1 ) 结构合理。具有理想的力平衡性单螺杆压缩机工作时，作用于螺杆槽内气 体的轴向力相互抵消。由于气体从螺杆的轴向吸入，却从径向排出，使螺杆两端均 处于吸气压力下，不存在轴向推力。星轮在螺杆轴两侧对称配置，使气体作用在螺 杆上的径向力也相互抵消，因此螺杆不受任何径、轴向气体力的作用； ( 2 ) 噪音底、震动小、对基础无特殊化要求。单螺杆压缩机的转子和星轮片的 配合精度非常高，且没有增速齿轮，故运行噪音低。又因受力平衡，运行时震动小， 机组在摇摆环境下仍然能正常工作； ( 3 ) 转速高。螺杆压缩机具有较高的齿顶线速度，转速可达每分钟万转以上。 ( 4 ) 多相混合介质。螺杆压缩机在阴、阳齿面上留有问隙，因而能耐液体冲击， 可压送含液气体、粉尘气体及易聚气体等； ( 5 ) 适应性强。螺杆压缩机具有强制输气的特点，即排气量几乎不受排气压力 的影响，在较广的范围内能保持较高的效率； 但同时，双螺杆压缩机也有一些缺点： ( 1 ) 造价贵。由于螺杆压缩机的转子齿面是一空间曲面，需要利用特殊的刀具 在价格昂贵的材料上进行加工。另外螺杆压缩机气缸的加工精度也有较高的要求。 ( 2 ) 不能用于高压场合。由于收到转子刚度与轴承寿命等因素的限制，螺杆压 缩机只适合于中、低压的范围，一般排气压力不超过4 5 m p a ； ( 3 ) 不能用于微型场合。螺杆压缩机依靠间隙密封气体，目前只有容积流量大 于0 2 m 3 m i n 时，螺杆压缩机才能显示出其优越性。 1 2 4 液压自由活塞发动机( h f p e ) h f p e ( h y d r a u l i cf r e ep i s t o ne n g i n e ) 是- - 7 中将一次动力机( 内燃机) 和二次动力机 ( 液压泵) 结合为一体，利用液体( 液压油) 作为传输介质的复合发动机。液压自 由活塞发动机是现代液压技术、微电子技术、控制技术及内燃机技术的综合，也是 能源结构变化和环境保护对新型动力召唤的结果，更是对自由活塞发动机和液压复 合驱动技术的历史继承和发展。h f p e 是近2 0 年来国内外研究的热点，被誉为新的动 力之星，目前针对内燃式油压动力系统提出的方案及研究几乎全部集中在这个领域， 欧洲、美国、日本等国家都设立相关项目研究攻关，如荷兰的i n n a s b v 、德国的德累 斯顿( d r e s d e n ) i j k 大学和芬兰的坦佩雷( t a m p e r e ) 工业大学、美国的通用汽车研究 室和威斯康星麦迪森( w i s c o n s i n m a d i s o n ) 大学及日本的丰桥( t o y o h a s h i ) 工业大 学。浙江大学流体传动及控制实验室、青岛大学车辆电子技术研究所等国内研究单 位在相关领域也取得了一定的研究成果并获得了相关专利1 1 m 1 7 j 。 5 青岛人学硕 j 学f 论文 液压自山活塞发d j $ j l 的基本思想是：在传统内燃机驱动变量液压泵的静液复合 驱动系统中，省去内燃机中将活塞的往复运动转化为旋转运动的曲轴组件及变量液 压泵( 柱塞泵) 中将旋转运动转化为液f i 泵活塞往复运动的旋转斜盘组件，而直接 将内燃机的活塞与液压泵的活塞刚性连接组成。这卡i 既缩短了传动链，又省去了小 同运动形式之州的反复转换，同时又不丧欠液j j i 复合驱动系统的主要特性。 h f p e 卣接利用活塞的往复直线运动，简单、高效地将燃料燃烧产牛的热能转换 成液压能，基本工作原理如图1 4 示。h f p e 按活塞方式分为单活塞式、对旨活塞式 和双活塞式一种类型。这种装置的能量转换工作住含有活塞一柱塞杆的三个工作室中 完成。第- - i ：作室1 为动力腔( 或燃烧室) ，实现燃料热能向活塞一柱塞杆直线机械能 的转化工作，能量转化机理基本与传统：冲程内燃机棚i 卅；第二f ：作室2 为叫程腔， 通过相连的液压储能器实现活塞一柱塞杆的回程动作；第三工作窄3 为有效动力输出 窀，即泵腔，实现活塞一干t 辈杆机械能向液压能的能量转换工作，第i 工作室与柱搴 泵i ：作机理基本才刊。 一卜_ _ 一 l - 3 图1 4h e p ej ：作原理及分类 ( a ) 舌采( b ) 对置活塞式( c ) 舣活米1 - 动j 腔2 - 川程腔3 泉腔 液压自山活塞发动机可以作，f = 压缩机和水泵使用，主要特点有： ( 1 ) 无曲柄连朴机构约束，相对自山；一般两个冲程完成一个工作循环；没有 飞轮，零件数量少，体积小重最轻； ( 2 ) 活塞与缸体间无侧向力作用，摩擦、磨损小，机械效率高： ( 3 ) 动力装胃内部及其应用系统能量转换与传递环节简短，能量转化、转换、 传递效率高： ( 4 ) 燃料使用范罔广， 至可用重质低质燃料；燃料利刚效等j 高，排放低；液 压自由活塞发动机有其优越性。 但是这种装胃存在以卜| 问题： 青鑫大学硬士学僚论文 ( 1 ) h f p e i g 祝嚣尚待深入研究。港于h f p e 豹特殊性，对包括喷涌系统、混 合气麴形成、燃烧室形状、燃烧过程及多耀流豹传热传导过程等机理磺究遴处予探 索阶段。活塞是“自由 的，速度调整更困难；没有飞轮作用，“熄火 现缘较严重； ( 2 ) 无固定止点、无固定行程；回程困难，难以控制；个工作循环只能在两 个冲程雨完残；输盘动力仅秀流体凌力； ( 3 ) 控制问题雉以解决。包括流量控制、压缩比控制、最大活塞频率控制、燃 料注入量控制和喷射定时控制等问题； ( 4 ) 振动阔题帮同步闯题； ( 5 ) 高性能辅助阀系的研究和开发； ( 6 ) 启动系统难以解决。附属系统驱动困难，难以实现定时、协调工作，多缸 工作更是如此，技术实现难度大。 壶于许多瓶颈溺题难潋逾越，鹜嚣鞭p 耋黧研究工终进展缓慢，尽管被寄予厚望， 却难以实用化。， ： 。 。2 5 压缩枕运动学及动力学研究现状 i； i ，往复式噩缡枫是一静蔫予压缩旨体耩骥提高气体压力韵通雳槐械，其工箨过程 是通过曲柄连枉活塞机构以及气阀的协调运动完成的。用数学仿真来实现慰曲柄连 杆活塞机构的模拟比较困难。因此，必须寻找甄为合适的仿真方法。虚拟样机技术 是超纪9 0 年代逐渐兴起、基于计算枫技术游一个新概念，瑟前还处于发展阶段， 在不同麴领域中存在不同的定义。徨其核，t l , 部分是多体系统运动学与动力学建模理 论及其技术的实现，作为应用数学一个分支的数值算法及时地提供了求解这种问题 的有效快速算法，近年来的计算机可视纯技术及动蕊技术的发展为这项技术提供了 友好蕊用户赛西。对蔫户在设诗阶段对枫器进零亍静力学、动力学和运动学分析有重 要的意义。 华东理工大学的郑超瑜等人采用虚拟样机技术对往复式压缩机曲柄连杆活塞机 构进行动力学仿真，快迷准确缝褥鄹了缝复嚣缩祝韵各静动力学参数，为往复式压 缩机动力学计算提供了有效的方法并为部件的有限元动态分析打下了基础。同济大 学的靳晓雄等人对摆盘式压缩机进行了动力学分析，同时对所分析的结果进行了仿 真计算。沈阳工监大学的掰方等入采用m a t l a b 对滑片压缩机进行了动力学模拟分析， 绘爨了整缩枫的主要邦馋一潼片的受力分橱模型，对其进行了动力学分辑。经过分 析计算找出了系列产品中滑片所受备力的变化范围，分析了其中的变化规律，并在 此基础上对于摩擦功率进行了分析和模拟稚8 - 2 0 l 。 总体来讲露蓠国内外对垂缩规动力学模型鹃磅究基本上有嚣耪方式，一种是基 于虚拟样机的往复压缩机动力学仿寞，运用虚拟样机仿真软件( a d m a s ) 建立压缩 7 青岛人学硕卜学何论文 机的动力学模型【2 1 珑】。种是运用仿真软件( m a t l a b ) 编制压缩机工作过程的仿 真程序建i i ：动力学模型【2 3 埘1 。 1 2 5 1 基于虚拟样机的往复压缩机动力学模型 简单的曲柄连杆活塞机构如图1 5 所示f 图中1 为曲柄，2 为连杆，3 为活塞，彳 是曲柄的旋转中心，b 足曲柄销中心，c 是活塞销中心，c 2 是f f l 柄的质心，g 是连 杆的质心，幔足抓知，0 是曲柄转角) 。建立的虚拟样机如图1 6 所示。 图1 5 曲柄迮杆活塞机构示意图 图1 6 运动部件虚拟样机不葱劁 该虚拟样机中的约束由6 个转动副和2 个移动副组成，扭矩由恒转矩代粹，。i 体压力由试验直接测得，然后通过换算得到作用在活塞上的气体氏力，再将气体j 整理成a s c i i 码文本文档格式，以m i c r o s o f t 的e x c e l 文档的半s c v 文件格式保存， 最后： 哿文件巾的数据导入a d a m s v i e w 生成s p l i n e ，并在加载时用a k i m a 方式拟合。 创建完成虚拟样机系统模型后，i i j 。用a d a m s v i e w 中的s i m u l a t i o n c o n t r o l s 刈。系统 进行仿真。仿真时a d a m s v i e w 渊用a d a m s s o l v e r 进行求解。在仿真j 丁始f m 青岛大学硕士学位论文 a d a m s s o l v e r 根据模型的自由度判断是进行运动学仿真还是动力学仿真。如果整 个模型的鸯出度为0 ，则进行运动学仿真；如果整个模型的自出度为l 或者大予王， 则进行动力学仿真。 1 。2 。5 。2 运用m a t l a b 仿真软件建立动力学模型 对压缩机的动力学分析涉及大量的数据与公式的计算，运用传统的方法得到准 确完善的数据需要消耗大量的时间和精力，而m a t l a b 强大的数据处理更能给我们带 来了很大的方便。下面将简单介绍用m a t l a b 建模的过程。 图1 7 传统厩缩机运动简图 传统压缩机的运动可简化为图1 7 所示的运动简图，根据机构各构件的位置 关系，容易得到： i 厶c o s o l + 互2 c o s 0 2 一l 3 l ls i n o t - - l 2s i n 0 2 0 l 一国 1 一( 2 ) 为得到加速度方程，将式1 - 1 、1 - 2 对时间求二阶导数，有 - - l l w ：s i n 0 1 - l l 砰c o s 0 1 - l 2 w 2s i n 0 2 - l 2 甜；c o s 0 2 - - l ；l 一( 3 ) 上l 叫c o s o l l 1 砰s i n o l + 艺2 吐c o s o z - l 2 a 【，2 2s i n 0 2 ；01 一( 4 ) 以c t 表示加速度，则式1 ( 3 ) 、1 ( 4 ) 可以驾成如： 陇l 2s 啷i n0 2 凇h 絮酱嚣兰糍嚣) 】“5 ， 从而可以得到传统压缩机的运动学模型，在滑块c 上加上压缩机在不同工况时 段对活塞的力就可以得到压缩机昀动力学模型，雳m a t l a b 对其过程进行仿真，可以 得到压缩机运动过程的各种数据。采用m a t l a b 对压缩机进行动力学分析能够得到较 为准确的计算结果，清楚地反映出各个动力参数的变化情况，从而找出主要参数的 变化规律，为产品的改进和设计参数的选择提供有益的参考。 1 3 内燃式压缩机研究概况 9 青岛大学硕士学位论文 1 。3 。1 内燃式空气压缩机结构方案及主要特点 内燃式空气压缩机采用传统的曲柄连杆机构作为回程动力装置，借用内燃机的 酋柄连杼机构终为酲糕动力装饕，内燃式压缩机总体方案简图如圈1 8 示。该方案 保留了原发动机中的曲柄连杆机构，将原动力活塞改变为导向滑块，在原发动机机 体与缸盖之间增加一个动力室和压气室分别作为第一工作室和第二工作室。通过一 个联接杆将动力活塞、压气活塞和导向滑块联接在一起。在动力室中动力活塞下行 时带动压气活塞实现服气动作，上行时带动压气活塞实现吸气动作。曲柄连杆机构 驱动曲轴转动并带动飞轮蓄能为回程提供能量，其工作原理和工作过程与疆冲程内 燃机相同l 删。 卜第工作室 2 一动力活塞 ；一联接秆 ；一压气活塞 i 一簧二工馆室 一寻商潢块 ：一曩簦辘籍 图1 8 内燃式压缩机总体方案简圈 采用该方案的蠹燃式压缩机主要具有以下特点： ( 1 ) 直接利用活塞的直线往复运动实现压气功能，消除了传统内燃机活塞式 压缩机组合系统能量的多个传递环节，尤其是减少了直线往复运动与旋转运动相互 转换过程给动力活塞、压气活塞带来的侧向力，从而减少了动力活塞( 活塞环) 、压 气活塞( 活塞环) 与缸套间的磨损和功率消耗，提高了整个系统的能量转化效率。 ( 2 ) 第二工搏室的气体愿力直接作焉于动力活塞蜃气活塞缀件上，与高压燃 气的压力部分抵消，使曲柄连杆机构的受力减小，曲轴与轴承之间的摩擦损耗明显 减小。 1 0 青岛大学硕+ 学位论文 ( 3 ) 与传统的内燃机活塞式压缩机组合系统相比，零件数量少，体积小，重 量轻，生产、运行成本低。 ( 4 ) 配气、燃料供给、润滑、冷却、启动、点火、稳压及控制等系统简单，与 传统内燃机相同。 1 3 2 内燃式压缩机的工作原理 内燃式压缩机是为了克服传统方法和装置存在的局限和不足而提出的一种简 单、高效、方便的直接将热能转换为气体压力能的新型压气装置，利用一个连接杆 将动力活塞与压气活塞联成一个整体，一起做往复移动实现吸气和压气动作。空气 燃料混合气燃烧，推动动力活塞并作功，活塞组件中间为压气活塞组件，输出气体 压力能；通过曲柄连杆机构实现活塞组件的回程，同时曲柄连杆机构驱动内燃机附 属系统工作。 在上述工作过程中，动力室实现燃料热能向活塞组件机械能的转化工作，能量 转化机理基本与传统四冲程内燃机相同：动力输出室实现活塞组件机械能向气体静 压能的能量转换工作。一个工作循环定义为四个行程，第一行程活塞自下止点向上 止点移动，在动力缸体中动力活塞压缩空气实现压缩行程，在压气缸体中，压气活 塞通过进口阀吸入低压气体，当活塞移至近上止点时，燃料喷入活塞燃烧室并迅速 与压缩空气混合而燃烧完成第一行程；第二行程初始由燃烧气体膨胀压力作用使活 塞组件自上止点向下止点移动，在压气缸体内将其中的气体连续增加压力对外输出 气体压力能做功。第三行程活塞组件在曲柄连杆机构的驱动下自下止点向上止点移 动，在动力缸体中动力活塞将废气排出实现排气行程，在压气缸体中，压气活塞通 过进口阀吸入低压气体；第四行程活塞组件在曲柄连杆机构的驱动下自上止点向下 止点移动，在动力缸体中动力活塞将新鲜空气吸入实现吸气行程，在压气缸体中， 压气活塞压缩气体，当缸内气体压力大于外部气体压力时排气阀打开，高压气体排 出从而完成排气过程。如此周而复始，实现内燃式压缩机的连续工作。 1 4 本课题研究内容 本课题在借鉴传统压缩机研究的基础上，着重进行内燃式压缩机的运动学、动 力学分析及工作平稳性方面的研究。主要研究内容和解决的主要问题如下： ( 1 ) 完成内燃式压缩机主要结构参数的确定，使用三维设计软件( s o l i d w o r k s ) 建立内燃式压缩机活塞部件的三维装配体模型并对其运动过程进行仿真，确定工作 时各参数的初始条件以及各运动部件的质量和转动惯量等参数。 ( 2 ) 研究内燃式压缩机工作过程，建立其动力学模型确定有关初始参数，编制 青岛大学硕七学鬣论文 工作一蚪i 工白i ：j e 匕模拟程序，对内燃式压缩机的工作过程进行仿真计算。 ( 3 ) 研究内燃式压缩枫工作过程中酶速度波动情况以及作往复移动的活塞组体 的质量变化对内燃式压缩机工作平稳性的影响。 ( 4 ) 通过对比研究确定飞轮的转动惯量，建立内燃式压缩机飞轮麴三维模型。 1 2 青岛大学硕士学位论文 第二章内燃式空气压缩机工作过程动力学模型 2 1 单缸内燃式空气压缩机工作原理 内燃式压缩机是为了克服传统方法和装置存在的局限和不足而提出的一种简 单、高效、方便地将热能转换为气体静压能的新型压气装置，利用一个联接杆将动 力活塞与压气活塞联成一个整体，一起做往复移动实现吸气和压气动作，内燃式压 缩机基本工作原理如图2 1 所示。空气燃料混合气燃烧，推动动力活塞并做功，活塞 组件中间为压气活塞组件，输出气体静压能；通过曲柄连杆机构实现活塞组件的回 程，同时曲柄连杆机构驱动内燃机附属系统工作。 l 一第一工作室 ：一动力活塞 j 一联接杆 i 压气活塞 ! 一第二工作室 ：一导向滑块 ：一曲轴箱 图2 1 内燃式压缩机总体方案简图 在上述工作过程中，动力室实现燃料热能向活塞组件机械能的转化工作，能量 转化机理基本与传统四冲程内燃机相同：动力输出室实现活塞组件机械能向气体静 压能的能量转换工作。一个工作循环定义为四个行程，第一行程活塞靠自下止点向 上止点移动，在动力缸体中动力活塞压缩空气实现压缩行程，在压气缸体中，压气 活塞通过进口阀吸入低压气体，当活塞移至上止点时，燃料喷入活塞燃烧室并迅速 与压缩空气混合而燃烧完成第一行程；第二行程初始由燃烧气体膨胀压力作用使活 1 3 青岛大学硕十学位论文 塞组件自上止点向下止点移动，在压气缸体内将其中的气体连续增加压力对外输出 气体压力能做功。第三行程活塞组件在曲柄连杆机构的驱动下自下止点向上止点移 动，在动力缸体中动力活塞将废气排出实现排气行程，在压气缸体中，压气活塞通 过进口阀吸入低压气体；第四行程活塞组件在曲柄连杆机构的驱动下自上止点向下 止点移动，在动力缸体中动力活塞将新鲜空气吸入实现吸气行程，在压气缸体中， 压气活塞压缩缸内气体，当缸内气体压力大于外部气体压力时排气阀打开将高压气 体输出从而完成排气过程。如此周而复始，实现直线内燃式压缩机的连续工作1 2 8 。3 9 】。 2 2 单缸内燃式空气压缩机动力学模型 2 2 1 曲柄连杆机构基本方程 建立如图2 2 所示的坐标系。 y 一 爽 ； 1 图2 2 内燃式压缩机坐标系 1 - 曲柄；2 - 连杆；3 - 导向滑块；4 - 压气活塞：5 动力活塞 由文献得活塞组件的运动方程： 活塞位移 ( 1 - c o sc p ) + 掣】 2 - 0 ) 由可以得到活塞位移与曲柄转角的关系，对上式求导可得到活塞运动速度与曲 1 4 青塞大学硬学位论文 襁转焦的函数关系舞： 卜+ 半】 式中卜曲柄长度( m ) ；入连秆系数， ( f a 妨。 ： 2 。2 2 动力缸体内气体压力及作用力 2 - ( 2 ) a z r ，五链杆长度( 搬) ；驴一曲柄转角 动力缸髂气体压强与容积之麓兹关系如图2 3 繇示。设动力活塞使于上止点对， 活塞顶部距缸盖之间的距离为x o ( 南) ，本课题使用1 7 8 f 柴油机的主要参数作为 晦燃式压缩机中动力缸体的设计标准，实测1 7 8 f 柴油桃x o = o 。0 0 2 m ，汽艇直径 d = 0 0 7 8 m ，压缩比e = i 9 ，活塞行程s = o 0 6 2 m ，动力活塞质量m p f = o 4 8 蚝。 女活塞上止点 鸯 壹嚣塞下盎纛 气翥塞上血赢 气蠹塞下生点 l 动力缸体k 雕气缸体 图2 j 动力装嚣及蕊气装置理论循环示功图 图2 3 中1 2 为内燃式压缩机动力装置的压缩过程，2 3 为定容燃烧过程，3 ，4 为定 1 5 青岛大学硕士学位论文 压燃烧过程，4 5 为膨胀过程。 设膨胀结束时气缸内气体压力p - - o 。3 5 m p 。p 2 0 5 m p 。) ，膨胀开始时气缸内气 体厩力p = 7 5m p 。( 6 - 9m p 。) ，此时气缸内的容积为坛4 气缸内的总容积为阮。 膨胀过程的方程为 p 。y 。：蝴= p s v r 硒 其 r 4 s 为膨胀过程平均膨胀多变指数，忍，= 1 2 6 ，则有 由公式2 4 可得： 圪4 一( 或57 魏4 溉1 7 粕：( 2 r + x o 勋。，p 。) 尥一 2 - ( 3 ) 2 - ( 4 ) 2 - ( 5 ) + 。由2 5 式可以求出拗，根据2 - l 式可以求出对应的曲柄转焦驴p ( 即定压燃烧结束 膨胀过程开始时的曲柄转角) 。 由此，可得在定压燃烧及膨胀过程中，动力缸体内燃气压力段为 p d = p 。4 = 7 5 m p a( 0g 妒 妒p )2 - ( 6 ) 蜀_ ( 等卜 魄力 2 书， 在排气及吸气过程中，认为缸体淘气压与大气压相同，所以致为 p d = p 。l = 0 1 m p a( 石墨妒 3 硝)2 - ( 8 ) 同理可褥在压缩过程中，动力缸体内气体压力色为 只= ( 鬻产。， c 虮一， 2 书， 动力活塞所受作用力为 疋= ( p d - - p o ) 譬 其中d 为动力活塞直径，p 。为大气压强，取夕8 = 0 。1 m p a 2 。2 。3 压气缸内气体压力及作用力 2 - ( 1 0 ) 按照热力学原理，压缩机个工作循环可分为四个过程。若以压气活塞位于上 1 6 青岛大学硕士学位论文 止点为起始点，则这个过程依次为：压缩过程、排气过程、膨胀过程和进气过程。 如图2 3 所示6 7 为内燃式鹾缩机压气装置的进气过程，7 8 力压缩过程，8 - 9 为排 气过程，9 - 6 为膨胀过程。 设雁气室气体压力为r ，进气压力为既，排气压力为p d 叫，则压缩过程7 8 压气 室气体莲力为 矿( 悬) m 一， 2 _ ( 1 1 ， 式中，一曲柄连杆机构曲柄的长度 n 一压缩指数，嚣= 1 5 s o 线形余隙容积，s o 一2 r a 。 魏压缩过程终止时对应的蓝柄转兔( r a d ) 可学据厶( 悬卜警出x 后再根据位移方乩求得。 排气过程8 - 9 压气室内的气体压力为 p ，；p 涮 ( s 妒 刀) 膨胀过程+ 9 7 瑷气室内的气体压力为 驴( 焘卜织， 式中所一膨胀系数，m = 1 2 5 ； 钇一压气室膨胀过程终止时对应的曲柄转角。 纯可根据= ( 焘厂求出石后再根据位移方乩求得。 进气过程6 7 压气室气体压力为 p ，z 纵( 败s 妒幼) 作用于压气活塞上的气体力来自于气缸内和压气活塞背后两个方面， 轴转角而变化，后者可近似认为不变，所以压气活塞所受气体力f g 为 t ；( p y - p o ) 生4 式中 a 一压气活塞受压面积。 2 。2 4 摩擦力的计算 2 - ( 1 2 ) 2 - ( 1 3 ) 2 一( 1 4 ) 前者随曲 2 - ( 1 5 ) 青蕊大孥醺士学整论文 横瓣运动表露豹摩擦力的大小取决予蔗愿力及摩擦系数，著盈是随着益轴转麓 变纯的，萁嫂律较复杂难竣鞲确毒卡算。毽其数篷较动力活塞及压气瀵塞受到瀚气体 力小的多。为简单起见，将其视为定值，且分为键复摩擦力和旋转艨擦力两部分， 可按摩擦功率靠德推算得凄。对予一般的往鬟式愿缩枫徒复摩擦功率约占总摩擦功 率游酾粥妫，旋转摩擦功率终占摩擦功率翁4 0 - 3 0 ，考虑到内燃式压缩祝结 构主懿特殊性，其旋转摩擦功率较小约占惑摩擦功攀戆麓，缓设旋转摩擦功率全 部出作用在曲轴上的摩擦力矩产生，因此可得往复摩擦力及作用在曲轴上的摩擦力 矩分躺淹 1 0 0 0 0 8 蝣( 三一1 ) 6 0 一面卜 2 - ( 1 母 m ，瑚s 9 竺2 ，一9 5 s 9 o 型u2 f 至秘 式中，只隽1 7 8 f 柴油税麴额定功率( k w ) ，尸，端董6 k w , r 为内燃式愿缩概韵枫械效 率，r 一0 。8 8 ，s 为活塞行程，s - - o 。0 6 2 。 2 。窆+ s 等效动力学模型的建立 捣了求褥趣轴在内燃式攫绻祝工作过程中懿冀窳运动规棒，取趣轴作必等效构 件，根据质点系动麓原理，将 乍溺予视城系统上酶所有外力和辨力矩、掰有构件的 质量和转动惯滚，都向等效构件转化。转化的原则是使系统转化前腊的动力学效果 保持不变。帮等效擒释煞质量帮转动镄量腊具有的动麓，庭等于整个系统嚣动能； 等效构件上的等效力、等效力矩所褥供或掰产生的功率，疲等予整个系统豹所有力、 所寄力矩傲的功或所产生的功率之謦瑟。 偌嗣在等效构件萄辅上的等效力矩海 峥茎露警羹咝詈 2 黔 式中m p 作用在曲轴上的等效力矩 爵一髂蔫在视槭主豹卦力 ，厂_ 魏作用点的速度 谚_ k 的方向和狻的方向闻夹熊 1 8 毒基大学硕士学位论文 翌厂一作壤征移k 械上鼢羚力怒 哮受力矩麓俸用豹构嚣歹的角速度 缈等效构件的角速度 当( 0 9 驴澎) 时 ， 膨。= 阮一是一0 匕一m ， 由2 - 2 式可知： ，敞。哆计( 豳? 专半) 卜t j 当积蓝爹2 帮) 爵 镌k 刊埘半) 卜 当( 2 霈二缈3 席) 时 ，_ - 一j ：| r 五。_ o 乓一堋咖妒+ 竽) 卜 当( 3 嚣s 妒4 澎) 时 丝= o 磊岭计( 幽妒半) 卜 作用在等效构件睦辘上的等效转动惯量为： 小别妒剐等) 2 根据能量形式的机械运动方程式可褥 = 知霹+ 如 新数：缈= 2 - ( 1 9 ) 2 0 2 - ( 2 1 ) 2 - ( 2 2 ) 2 - ( 2 3 ) 2 - ( 2 4 ) 2 - ( 2 5 ) 2 - ( 2 6 ) 采用数值积分的方法可求蹬内燃式压缩枫个工作德环( 爹= 4 p a i ) 中鲢鞴转速 与转角之间的函数关系n ，一白) 。 青岛大学硕士学位论文 第三章仿真分析及飞轮转动惯量的确定 仿真技术是以控制论、系统论、相似原理和信息技术为基础，以计算机和专用 设备为工具，用系统模型对实际的或设想的系统进行动态试验研究的一门多学科的 综合性技术。随着计算机硬件的飞速发展和数值计算技术的不断进步，在计算机辅 助设计( c a d ) 技术的不断发展和应用的前提下，计算机仿真技术的应用不断向纵深 发展，其地位与作用也变得十分重要。计算机仿真技术已经开始广泛应用于内燃机 研究、设计和开发的诸多领域。计算机仿真是指通过建立系统的数学模型并在计算 机上进行解算的过程。即先对真实的或理论上的物理系统进行建模，然后在数字计 算机上运行该模型，最后再对所获得的结果进行分析，由于仿真技术具有良好的可 控性、经济性、无破坏性，并具有不受外界条件限制、可多次重复使焉等特点，所 以仿真技术在机械制造方面的应用非常广泛。 3 1 本课题所使用通用仿真软件m a t la b 简介 m a t l a b 是目前图际上最流行、感用最广泛的科学与工程计算软件，哟美国的 m a t h w o r k 公司于1 9 8 4 年正式推出，到1 9 8 8 年有了3 i ( d o s ) 版本；1 9 9 2 年出了 4 1 ( w i n d o w s ) 版