（机械设计及理论专业论文）空压机气阀运动分析及其结构参数优化研究.pdf

武汉理工大学博士学位论文 摘要 汽车空压机的研究有助于空压机部件与汽车整车系统的合理匹配，从而保 证其稳定性与效率。气阀是空压机的最重要的部件之一，气阀的设计合理与否 会直接影响空压机整机工作的可靠性和经济性。因此对气阀运动分析是空压机 研究中极其重要的一环。 本文在研究空压机气阀工作原理的基础上，重点分析了簧片阀的结构、工 作过程及影响因素。在上述深入研究的基础上，通过建立空压机气阀运动的数 学模型，进气过程流量、排气过程流量、簧片阀运动和进排气簧片阀工作过程 的微分方程组，揭示气阀的运动规律；并运用有限元法和a n s y s 软件探讨对簧 片阀运动的数学模型的求解方法。 对空压机簧片阀阀片进行受力分析，并进行相应边界条件的处理；结合相 关实验数据，完成了进排气阀片的有限元分析。 通过对空压机气阀阀片的固有频率与振型、阀片工作状况的测试、试验和 分析，在得到该进、排气阀片的固有频率、振型的基础上，通过空压机整机试 验，对阀片的运动参数进行了测量，并得到阀片的工作特性；将整机试验结果 与理论分析计算进行了对比分析研究，验证上述空压机气阀理论计算的合理性。 从数学建模入手，分析影响空压机容积效率的因素，对空压机容积效率进 行了理论计算，将空压机容积效率理论分析结果与实验结果进行对比分析，并 探讨影响空压机容积效率的因素，为簧片阀的优化设计提供相应的依据。 在上述理论计算和实验分析的基础上，采用c o s m o s w o r k s 软件对空压机的 阀片进行了结构优化分析，为改善空压机的整机性能提供了理论依据，而且通 过实际工程应用表明，在提高空压机气阀性能和容积效率方面取得了较为满意 的应用成果。 关键词：空压机性能，气阀运动，动态数学模型，结构参数优化 武汉理工大学博士学位论文 a b s t r a c t t og u a r a n t e et h es t a b i l i t ya n de f f i c i e n c yo ft h ec 碣t h er e s e a r c ho ft h ea i r c o m p r e s s o ri sv e r yi m p o r t a n tf o rr e a s o n a b l em a t c h i n go ft h ea i rc o m p r e s s o ra n d w h o l ec a rs y s t e m a i rv a l v ei so n eo fk e yp a r t si nt h ea i rc o m p r e s s o r w h e t h e rt h e d e s i g no fa i rv a l v ei s r e a s o n a b l eo rn o tw i l l d i r e , c t l yi n f l u e n c e t h ev o l u m e t r i c e f f i c i e n c ya n dw o r k i n gr e l i a b i l i t yo ft h ea i rc o m p r e s s o r t h er e s e a r c ho nt h eo p e r a t i n g p r i n c i p l ei st h em o s ti m p o r t a n tf i e l df o rt h ea i rc o m p r e s s o r b a s e do nt h es t u d yo ft h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo ft h ev a l v es l i c ei nt h ea i r c o m p r e s s o r t h ea u t h o ra n a l y z e dt h es t r u c t u r e ，t h ew o r kp r o c e s sa n dt h ei n f l u e n t i a l f a c t o r so ft h ev a l v es l i c e o nt h ef o u n d a t i o n o ft h ea b o v e m e n t i o n e dt h o r o u g h r e s e a r c h ，t h em o v e m e n tm a t h e m a t i c sm o d e l o ft h ev a l v es l i c ei nt h ea i rc o m p r e s s o ri s e s t a b l i s h e d t h ed i f f e r e n t i a le q u a t i o n so ft h ei n t a k ep r o c e s sf l o w , t h ee x h a u s tf l o w , t h em o v e m e n ta n do p e r a t i o nf o ri n t a k ea n de x h a u s tv a l v e sa r ea l s op r e s e n t e d t h e y h a v ed i s c o v e r e dt h em o v e m e n tp r i n c i p l eo ft h ev a l v es l i c ei nt h ea i rc o m p r e s s o r t h e n ， b ym e a n so ft h el i m i t e du n i t e sm e t h o da n da n s y ss o f t w a r e ，i ti sr e v e a l e dt os o l v e t h e m o v e m e n tm a t h e m a t i c sm o d e lf o r t h ev a l v es l i c ei nt h ea i rc o m p r e s s o r t h ed y n a m i ca n a l y s i sa n dt r e a t m e n to ft h eb o u n d a r yc o n d i t i o n sf o rt h ev a l v e s l i c ei nt h ea i rc o m p r e s s o ra r ea c c o m p l i s h e d a c c o r d i n gt or e l a t e de x p e r i m e n t a ld a t a , t h et r a n s i e n td y n a m i c sm o d u l e sa r ea n a l y z e df o ri n t a k ea n de x h a u s tv a l v e s f r o mt h ee x p e r i m e n ta n da n a l y s i sf o rt h en a t u r a lf r e q u e n c y , o s c i l l a t i o n ，w o r k i n g c o n d i t i o no ft h ev a l v es l i c ei nt h ea i rc o m p r e s s o r ，t h ea u t h o rh a sg o tt h en a t u r a l f r e q u e n c ya n do s c i l l a t i o no ft h ev a l v es l i c e b ym e a n so fe x p e r i m e n t sf o rt h ew h o l e a i rc o m p r e s s o r ，t h em o v e m e n tp a r a m e t e r so ft h ev a l v es l i c ea r em e a s u r e da n dt h e o p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so b t a i n e d m a k i n gt h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h er e s u l t so f c o m p r e s s o re x p e r i m e n t sa n di t st h e o r i e sc a l c u l a t i o n s ，t h er e a s o n a b l et h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o nh a sb e e np r o v e d t h ed y n a m i c sm a t h e m a t i c sm o d u l e sa r ee s t a b l i s h e d ，t h ei n f l u e n t i a lf a c t o r sf o r t h ec o m p r e s s o rv o l u m e t r i ce f f i c i e n c ya n a l y z e d ，a n dt h ec o m p r e s s o rv o l u m e t r i c e f f i c i e n c yc a l c u l a t e dt h e o r e t i c a l l ya l s o t h ea u t h o rh a sc o m p a r e dt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sw i t ht h et h e o r ya n a l y s i so ft h ev o l u m e t r i ce f f i c i e n c yf o rt h ea i rc o m p r e s s o r , a n de x p l o r e dt h ei n f l u e n t i a lf a c t o r sf o rt h ev o l u m e t r i ce f f i c i e n c yo ft h ec o m p r e s s o r t h e yw i l lb et h ec o r r e s p o n d i n gf o u n d a t i o nf o rt h eo p t i m i z e dd e s i g no ft h ev a l v e s l i c e s b a s e do nt h ea b o v e m e n t i o n e dt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n ta n a l y s i s ， t h ea u t h o rh a so p t i m i z e dt h es t r u c t u r eo ft h ec o m p r e s s o rb ym e a n so ft h es o f t w a r e c o s m o s w o r k s ，a n dg o ts a t i s f a c t o r yr e s u l t st oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c e o ft h ev a l v e s l i c e sa n dt h ev o l u m e t r i ce f f i c i e n c yo ft h ea i rc o m p r e s s o r k e yw o r d s ：p e r f o r m a n c eo fa i rc o m p r e s s o r m o v e m e n to fv a l v es l i c e ，d y n a m i c m a t h e m a t i c a lm o d e l ，s t r u c t u r a lp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n m 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 日期：! 星：! ：! 里 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 豁舡导师虢拯坠尘眺 九如g 牟。纹 武汉理工大学博士学位论文 1 1 问题的提出 第1 章绪论 空气压缩机是一种以电动机或内燃机为动力，对空气进行压缩来提高气体 压力和输送气体的机械。它将压缩空气供给各类气动工具使用，是一切气动工 具的动力来源。空压机种类繁多、用途广泛，因而有“通用机械 之称。近年 来，从世界各国的发展来看，汽车工业越来越成为衡量一个国家经济与科技发 展程度高低的重要指标。在我国，汽车工业作为“九五 确定的支柱产业，得 到了迅速的发展。“十五 期间，国家经贸委又确定了我国汽车产量年均增长 率9 1 。“十一五期间，我国汽车产量将有更大的提高。据预测，2 0 1 0 年全 球的汽车产量将达到7 5 0 0 万辆【1 1 。在汽车工业的带动下，汽车空压机的需求量 也急剧增加。由于汽车空压机对整车系统的动力性能与能耗有着很大的影响， 因此对汽车空压机的研究有助于空压机部件与汽车整车系统的合理匹配，从而 保证其稳定性与效掣引。 气阀是空压机的“心脏”，提高气阀的寿命对保证空压机可靠运转是很重 要的，气阀的设计是否合理将直接影响空压机运行的可靠性和经济性【引。因此气 阀运动规律的研究是空压机研究中极其重要的一环，再者气阀的主要结构参数 选择是否恰当，也会直接影响气阀的工作过程。气阀控制着空压机的吸气、压 缩、排气和膨胀全过程，阀片在开启和关闭中出现颤抖及延迟关闭都会影响空 压机的输气量、增大空压机的噪声和振动、损害阀片、影响空压机的容积效率 和寿命。 4 1 【5 】 目前国内许多空压机的厂家对于气阀运动分析的数学建模都考虑得不够完 善，加上模型的求解比较烦琐，进而影响了求解的准确性。为了改变这种状况， 提高空压机的设计手段，开发出使之有效壬扛评价系统已成为当务之急。另外 随着产品不断更新和用户对产品的质量要求的提高，尤其是产品市场呈现动态 性、多样性和个性化等特点，这就要求企业能在较短的时间内完成产品的设计、 制造和实验任务。而目前空压机气阀设计一般采用经验设计方式，设计周期长， 科学性差，空压机的性能质量很难保证，并且对空压机的设计没有一个较好的 武汉理工大学博士学位论文 评价体系。 由于气阀在往复式空压机中占有很重要的地位在空压机行业中，气阀的 研究一直得到足够的重视。人们对气阀的研究从来没有松懈过，这说明气阀的 研究是空压机枝术研究的核心问题之一【6 】【7 】。 长期以来，由于往复式空压机转速不高，气阀的寿命和经济性问题并不突 出，对气阀的研究还只能限于能否达到控制气流的作用问题，所以大多数空压 机生产厂家在气阀的结构形式上考虑得多一些。而近十年来，由于往复式空压 机转速得提高，其气阀的寿命和经济性问题日益突出，另外，随着对往复式空 压机产品质量要求的进一步提高，使得人们对气阀的研究除了在结构形式这一 方面之外，还更着重于细致的方面1 8 1 【们。 气阀的经济性与可靠性与气阀启闭是否及时和迅速有关。或者说与气阀的 运动规律有关。这方面的课题属于气阀动力学的内容：即将气阀的参数、气体 参数、空压机参数联系起来，建立气阀数学模型求解。气阀动力学研究是从1 9 7 0 年开始的，即由英国的c o s t a g l i o l a 建立的第一个气阀数学模型开始【1 0 l 【1 1 1 1 1 2 1 。 对于簧片阀，阀片在产体力的作用下，求得其弹性变形及所受应力较大， 当阀片形状比较简单时，可以简化为伯努利一欧拉梁；对于结构复杂的簧片阀， 则需要有限元离散化，求得其弹性变形及所受应力的数值解【1 3 】。1 9 6 7 年美国普 渡大学的w a m b s g a n s sf pc o b e n 对簧片阀提出了一个阀片被看作是多自由度的弯 曲梁的数学模型，其计算曲线和实验曲线获得了良好的吻合【1 4 l 。 簧片阀和片状阀仍是许多空压机研究工作者的主要研究内容，说明人们利 用现代仪器进行分析，经过多年研究之后尚未找到设计无故障阀的方法。对于 气阀目前所进行的研究主要有：气阀周围的流动解析和影响空压机性能的压力 损失研究，影响空压机可靠性的阀片材料的冲击应力和疲劳的研究等等。由于 计算机使阀片运动规律的数学模型方程得到迅速准确的结果，这对正确地认识 气阀的工作过程、特性和结构参数的合理性无疑大有益处，因此，采用计算机 这个有力工具，对气阀进行最优化、可靠性的设计研究是当前气阀技术的研究 方向。 对空压机气阀运动分析的研究主要包括【1 5 l ： ( 1 ) 空压机气阀运动规律的研究 测量阀片位移随曲柄转角( 或时间) 变化的函数关系，即阀片运动规律曲 线。 2 武汉理工大学博士学位论文 ( 2 ) 建立气阀运动分析的数学模型 通过计算机模拟计算，可以迅速地获得大量有用的数据资料。对于这些数 据的整理分析，必然会大大加深对气阀工作过程的认识，揭示气阀的动态特性。 通过计算机模拟其意义是要使得空压机气阀设计更具理论性，更符合工程实际。 ( 3 ) 空压机的实验研究 空压机的测量工作量大，空压机测量需要大量的人力、物力，这就需要具 有科学性和可行性的实验方法和手段。 ( 4 ) 空压机气阀运动分析的数学模型的求解。 1 2 空压机国内外研究现状 空压机的研究工作，国外的研究人员在各类空压机的性能和可靠性已取得 了较大的成就，目前主要围绕提高产品的性能和寿命两大方面进行工作。特别 是计算机在研制中的广泛使用，使数理模型取代了“经验凑试”，使科研工作向自 动化、最优化方向发展。往复式空压机历史悠久，制造简单，目前仍然广泛被 使用，世界各国正在采用现代化技术( q m ，c a m ，c a e 等) 进一步挖掘潜力， 降低成本。在机构上引人注目的研究仍然是在关于容积效益控制方面。在计算 机模拟上，美国i r i s 公司引进多维空间解析，将性能分析与部件设计综合起来， 为设计新型空压机或改进的空压机优化提供了一个极为有效的途径。对于往复 式空压机的研究仍然集中在对工作过程的模拟与测试、结构的优化设计以及变 频调速技术等方面。螺杆式空压机主要研究的动向是不喷油和喷油参数对机器 性能的影响、转子型线的开发、进一步降噪及提高效率。在计算机上采用数学 模型研究空压机并进行数值实验，仿真的目的在于揭示空压机工作过程的热力 和动力现象的真正本质，以获得高经济性、高可靠性的空压机。就往复式空压 机而言，最初的单独模拟气阀的工作过程进而模拟管道的气流脉动，从而为减 少进气、排气过程的能量损失和提高空压机工作的可靠性铺平了道路，仿真程 序己经应用于空压机设计中。2 0 世纪8 0 年代中期开始模拟空压机工作全过程， 不仅考虑了气阀和气流脉动，还考虑了实际气体的性质、过程中的热交换、气 阀的泄露、压动部件的机械摩擦等方面的影响。通过模拟可预测空压机实际工 作状况，从而节省了实验室实验或现场实验工作的昂贵费用，并且在设计阶段 解决产品中存在的问题。在往复式空压机结构设计中，采用有限元分析法预测 3 武汉理工大学博士学位论文 气缸、活塞、曲轴、连杆等主要零部件的强度，并进行改进设计。1 9 7 6 年，h a m i l t o n 将有限元法运用于舌簧阀的研究，标志着一个新阶段的开始。英国的s p a p t e r g i o u 等人也在这方面作了大量的工作，他们将一台空气空压机的迸、排 气阀片划分为6 0 - - - , 9 0 个四边形、三角形混合单元，进行了静力、自由振动及动 力响应的分析，但施加于阀片上的气体力需用另外的简化模型先求出。再输入 程序中。对于回转式空压机工作过程的模拟，包括螺杆型线的计算，最佳孔口 位置的确定、泄漏计算、喷液的模拟及机械摩擦损失模拟等，对喷油的单螺杆、 双螺杆空压机已有了进行性能分析的通用计算机程序。2 0 世纪8 0 年代发展起来 的涡旋式空压机的计算机模拟，发展迅速。由涡旋盘几何尺寸及型线计算到动 力学分析、轴承设计及喷液或干运转的热力特性模拟均已用于产品设计与实验 研究中。目前较完善的经验设计软件是德国b o r s i g 公司工艺用空压机设计，程 序它包括热力、动力计算及曲轴扭振分析( k o l ) 管充式冷却器换热计算优化设 计、管路气流脉动模拟计算等【1 6 1 。 较早将优化思想应用于空压机优化设计的是英国斯特列斯大学，美国普渡 大学的优化工作也开展的比较早。英国斯特列斯大学发表的最优化设计论文， 分别以气阀效率和空压机热效率作为目标函数，采用的数学模型是不包括气流 脉动的较为简单的模型，采用的优化方法为“修正的复合型法”。从1 9 7 2 年开 始美国普渡大学每两年举行一次空压机技术会议，不断交流，总结新成就，促 进了空压机技术的进步。1 9 7 6 年美国普渡国际空压机会议上j h a m i l t o n 发表的 关于滑片空压机优化设计的论文，选取了1 3 个与目标函数有关的设计参数作为 优化设计变量，优化结果使机器效率提高5 。1 9 9 0 年普渡国际空压机会议上韩 国金星公司的m c h o i 等人对滚动活塞式空压机储能器进行了优化设计，日本 d a i k i n 研究所的t m a e k a w a 对制冷用转子空压机的孔口和转子高度进行了优化， 以获得较高的能效比，乌克兰敖德萨低温和能源工程研究所的vi m i l o v a n o v 通 过动力学分析对滚动活塞式空压机的几何参数进行优化等i l 。 国内往复式空压机的优化工作起步较晚，于2 0 世纪8 0 年代才开始得到研 究和应用，但近年来也发展较快。西安交通大学的束鹏程和吴业正教授在国内 率先进行了往复式空压机与制冷空压机的优化工作，在1 9 8 4 年普渡空压机技术 会议上论文报道了他们的优化研究和应用工作。 目前，国内空压机的研究动向有如下几个方面【2 】： 空压机的效率 4 武汉理工大学博士学位论文 提高空压机效率的研究主要包括两种方面：一是优化空压机的内部参数； 二是改变空压机内部结构。对于前者，首先是解析空压机的性能，针对有可能 出现的压力损失、泄漏损失、机械损失和电机损失等因数进行优化，达到提高 空压机效率的目的。对于后者，在回转式空压机和螺杆式压缩机中间容量范围 内，从传统的往复式向涡旋式过渡便是一例。 气阀技术 舌簧阀和片状阀仍是许多空压机研究人员的研究内容。对于气阀目前所进 行的研究有：气阀周围的流动解析和影响空压机性能压力损失的研究和影响空 压机可靠性的阀片材料冲击应力和疲劳的研究。关于气阀周围的流动解析，有 阀片与阀座之间的非稳定流动值解析和测定方法。对影响可靠性的阀片振动和 应力，有腐蚀疲劳强度测定、冲击应力解析和镀镍层应力测定方法等。由于计 算机使阀片运动规律的数学模型方程能得到迅速并较准确的结果，这对正确地 认识气阀的工作过程、特性和结构参数的合理性无疑有较大的帮助1 1 8 】。 振动和噪声 研究降低空压机噪声一直是空压机设计者追求的目标。空压机噪声主要与 机壳几何形状、振动及声辐射、电磁噪声、气穴连接管道及消声装置中的气流 脉动等有关。目前降噪的方式有：采用提高加工精度和保证装配质量达到降噪 的目的；在对回转式空压机气缸的冲击波和螺杆式空压机喷油时振动噪声的变 化特性、斜盘式空压机的滑动副等都进行过噪声分析时，为了弄清空压机的声 学特性，以降低噪声的总声级，需要进行不同的机械和声学实验或利用数字技 术。正是这些噪声分析方法的研究及降噪技术的应用构成了当前噪声研究的主 体【1 9 1 。 对于振动，人们一直进行着理论研究。对往复式空压机排气管的振动进行 了有限元解析，对涡旋式压缩机的振动特征解析及其它类型压缩机的比较研究， 表明了涡旋式压缩机的优越性。如何将振动的理论应用于实际工作是当前研究 动向【2 0 1 【1 5 l 。 气流脉动 在气流脉动中采用模拟机，进行了气柱固有频率脉动压力、结构振动、复 杂管路系统固有频率的计算和动力响应的分析，使管路系统设计合理，消振措 施有力【2 1 1 1 2 2 l 。 摩擦与润滑 5 武汉理工大学博士学位论文 摩擦与润滑是当前空压机技术研究的重要方向之一，这也是空压机能耗降 低、可靠性提高双重目标的追求。其研究的项目有：涡旋压缩机用悬臂轴承的 研究；卧式转子压缩机用润滑机构和装置的研究；有限元法对润滑的应用研究； 利用平衡重降低涡旋压缩机的轴承负荷；往复压缩机的油品选择；油品对单、 双螺杆压缩机性能的影响等等。 优化 空压机的优化设计目前多为局部优化，诸如热力、动力学参数的优化、结 构参数的优化、零部件结构和强度的优化、冷却器优化、气阀设计优化、活塞 环优化以及产品成本的优化等【2 3 j 。它们之间既有各自独立的内容，又相互制约。 对整机的优化设计，目前尚属起步阶段。各国研究者正致力于优化设计数学模 型的改进，如考虑运行费用、初始投资、贷款利息、资金增值、重量、寿命等 因素，以实现空压机整机效益的最优化。 1 3 空压机气阀运动分析与数学模型的研究概况 在空压机设计中，复杂数学模型的开发起源于计算气阀的运动规律。往复 式空压机的气阀，其工作原理虽简单，但用数学模型描述其运动规律并非容易。 阀片位移是气缸与气腔内气体压差与气阀弹簧力的函数，因而与空压机转速、 阀片质量、阀弹簧刚度等等参数有关。用数学模型描述气阀的运动规律，至少 需要应用两个微分方程式，一个是流动微分方程式，用以描述气体流经气阀的 流动情况；另一个是运动微分方程式，用以描述阀片在各作用力下的运动。方 程式中各变量均随时间而变化，因此与曲轴转角有一定的联系。 最早提出气阀数学模型的是前苏联的道列士和美国的考斯特列。在他们提 出的数学模型中，包括大约5 0 个变量，微分方程组是非线性的。由于只能用简 单的计算工具或图解法求解不能保证计算精度，所以当时的空压机设计人员对 这些模型并不感兴趣。计算机的出现改变了这种状况，特别是计算机软件和硬 件的发展使数学模型的求解不仅提高了计算速度，并且结果准确。取得这一突 破性进展的时间为1 9 6 7 年，当年有四篇论文在马德里举行的第十二届国际制冷 大会上发表。这四篇论文均以考斯特列提出的数学模型为基础，用计算机求解 的。 马德里会议以后，对往复式空压机数学模型的研究有了更快的发展。研究 6 武汉理工大学博士学位论文 目标之一，是减少建立数学模型时所做的一些假定，以获得更精确的数学模型。 在多数数学模型中，假定气缸内压力的分布是均匀的，随着计算机容量及运算 速度的增加，这一假定被取消。 在我国，应用计算机及数学模型研制往复式空压机始于1 9 7 3 年【矧。最初的 工作针对l 2 1 0 8 型空压机性能的提高。为了降低该机的能耗，进行了空压机气 阀的理论和实验研究。为此建立了描述阀片一维运动的数学模型，用于计算阀 片垂直于升程限制器平面的位移。与此同时，用光电式位移传感器测量阀片的 位移，以检验数学模型。 为了建立正确的数学模型，已进行了许多卓有成效的研究，但仍有许多领 域有待于人们探索。 1 4 本文主要研究内容和课题支撑 1 4 1 本文的主要工作 ( 1 ) 气阀动态特性的研究在研究汽车空压机气阀工作原理的基础上，分析 了空压机簧片阀的结构，簧片阀的工作过程及影响因素，为准确而简洁地建立 气阀运动规律的数学模型奠定了基础。 ( 2 ) 气阀运动数学模型的建立在对簧片阀运动规律数学深入研究的基础 上，通过建立簧片阀运动的数学模型、进气过程流量微分方程、排气过程流量 微分方程、簧片阀运动微分方程和进排气簧片阀工作过程微分方程组。从而揭 示气阀的运动规律。 ( 3 ) 有限元法求解簧片阀运动的数学模型运用有限元法和a n s y s 软件对 簧片阀运动规律的数学模型进行求解【捌【凋【明。以e q l1 4 1 g 型空压机簧片阀为例， 从簧片阀阀片的受力分析入手，进行了边界条件的处理。运用相关实验数据， 完成了进气阀片的实体建模和网格划分、加载和求解和后处理的有限元全过程。 ( 4 ) 气阀的实验分析通过对e q l l 4 1 g 型空压机气阀阀片的固有频率与振型 的测量实验，阀片工作状况的测试，并对实验数据加以分析，得到改进、排气 阀片的固有频率和振型。通过整机实验，对阀片的运动参数进行了测量，得到 阀片的工作特性。最后将实验结果与理论计算进行了分析比较，验证理论计算 的合理性。 7 武汉理工大学博士学位论文 ( 5 ) 气阀空压机容积效率的研究通过对空压机容积效率的理论计算与实 验分析，进行空压机容积效率理论分析并与实验结果进行比较，并探讨影响空 压机容积效率的因素。 ( 6 ) 气阀参数的优化设计在上述理论计算和实验分析的基础上，以 e q l l 4 1 g 簧片阀空压机为例，利用c o s m o s w o r k s 对簧片阀空压机的阀片进行了结 构优化设计【捌。为空压机的整机性能的改善提供了理论依据。 1 4 2 本文的课题支撑 本文以如下课题为支撑 ( 1 ) 武汉市重点攻关项目“汽车制造资源a s p 关键技术开发 。 ( 2 ) 东风汽车泵业有限公司“汽车空压机气阀参数化设计系统开发 。 8 武汉理工大学博士学位论文 第2 章簧片阀的动态特性的研究 2 1 活塞式空压机的气阀工作原理 活塞式空压机是依靠活塞在气缸内做往复运动使工作容积的周期性变化来 实现流体的增压和输送的l 矧。它是依靠活塞式空压机气缸上装有进、排气阀， 它们是控制空压机气缸进气和排气的机构。即在进气过程时，让气体从进气管 进入气缸；在排气过程时，让气体由排气缸中排除至排气管。而且当气缸内为 压缩和膨胀过程时，气阀还应将气缸和管路隔离，保证气缸工作容积的密封。 空压机的级是指在空压机中进行连续压缩的单元。空压机曲柄旋转一周， 活塞在气缸内中所进行的运动过程的总和称为循环。空压机级的理论循环是指 在如下假设条件下进行的循环【刈【4 l ： ( 1 ) 被压缩气体能全部排出气缸； ( 2 ) 气缸内与管道中气体状态完全相同( 即进、排气系统无阻力，无气体脉 动，无热交换) ； ( 3 ) 压缩容积绝对严密，无气体泄漏； ( 4 ) 气体在压缩过程中无论是否存在热交换，其过程指数为定值。 实际上空压机理论循环是不存在的，但是理论循环是由浅入深研究空压机 工作原理的基础【3 1 】【3 2 l 【3 3 l 。以下是空压机理论循环的分析： 活塞式空压机的工作过程，是由运动机构带动活塞在气缸内发生容积变化， 形成吸气、压缩、排气、膨胀四个过程。在吸气、排气过程里，进、排气阀各 工作一次，通常用p v 指示图和气阀运动规律的说明如图2 - - 1 所示。 活塞式空压机的气缸有余隙容积，以表示。活塞自外止点向内止点方向 运动，余隙容积v o 内高压气体膨胀，现成膨胀过程。活塞继续向内止点方向运 动，缸内压力继续降低，直到低于迸气腔名义压力只时，所造成气体压力差a p 足以克服气阀弹簧力只时，进气阀片开始开启，并迅速达到升程限制器。此时 气体经进气阀吸入气缸内，开始缸内吸气过程。阀片在刚开启瞬时，以较大的 速度撞击升程限制器，若限制器不能把阀片动能全部吸收，则阀片出现反弹现 象。随着气体继续吸入气缸，若气流顶推力大于气阀弹簧力，则阀片紧贴在升 9 武汉理工大学博士学位论文 程限制器上，出现较长平贴段。在活塞接近内止点位置附近时，活塞速度降低， 气流顶推力也相应减小。在e 位置时，阀片上所受外力合力等于零，随后阀片 上所受外力的合力开始改变作用力方向。空压机的工作过程如图2 1 所示【蚓。 一 丹程h 一片 开窟 进气蠲运动规律 口 转角 图2 - 1 空压机的工作过程 气缸余隙容积 见进气腔名义压力 e _ i 挂气阀弹簧力 p d 摊气腔名义压力 兄_ 一非气阀弹簧力 卸阀片两侧压差 从p y 图可以看出，活塞到达内止点，吸气阀关闭后，活塞再从内止点向 外止点方向返回，气缸容积缩小。此期间进、排气阀均处于关闭状态，气缸内 压力不断升高，形成气缸内压缩过程( 图2 1 中1 2 线段所示) 。当活塞继续向 外止点方向运动，缸内压力继续升高到2 点后，缸内压力大于排气腔名义压力己 时，阀片两侧气体压力差a p 足以克服排气阀弹簧力，使排气阀片打开，开始气 缸内排气过程，排气阀工作过程与进气阀相同。 气阀设计好坏，直接影响到气阀工作过程的好坏。若弹簧力设计过强，当 活塞速度达到最大值时，气流顶推力仍不足以克服最大弹簧力；则阀片在阀座 1 0 图 黏一 盯 、， vj 黯 奔 舯限 夏 蝴删 武汉理工大学博士学位论文 与限位器之间出现来回振荡的颤振现象，此时气阀的有效截面积减小，附加阻 力损失急剧增加，阀片撞击次数也增加，使气阀寿命缩短。若弹簧力设计过弱， 阀片贴在限制器上时间延长，以致活塞到达止点位置时，阀片仍未落到阀座上， 出现滞后关闭现象。进气阀滞后关闭，一方面因气缸内开始压缩过程时，吸进 缸内新鲜气体又漏回进气腔，从而导致排气量减小；另一方面因阀片在弹簧力 和反向气流共同作用下冲向阀座，造成严重撞击，撞击使阀片应力增加，阀片 和阀座磨损加剧，导致气阀过早损坏。 由以上分析可知，气阀设计好坏，主要结构参数选择是否恰当，不仅直接 影响气阀的工作过程，而且也直接影响整台空压机的经济性、运转可靠性和容 积效率。因此准确而简洁地建立气阀运动规律的数学模型是进行气阀设计最关 键的一步，它的重要性就不言而喻。 空压机气阀从其本身的运动特点以及气阀的运动与空压机运动的内在联系 来分析可分为两大类：一类称为强制阀，它的启闭是由专门机构控制，而与气 缸内压力变化无关；另一类称为自动阀，它的启闭主要由气缸和阀腔内气体压 力差来决定。强制阀因为结构复杂，启闭时间不固定，故很少采用，绝大多数 空压机均采用自动阀。自动阀有许多型式，如环状阀、网状阀、条状阀、簧片 阀、碟阀、直流阀等。环状阀和网状阀主要用于大、中型空压机上，阀片形状 为环状或网状形，阀片厚度一般在l m m 以上。运动中阀片变形很小，属于刚性 阀片，有弹簧支承，构成单自由的质量弹性系统，阀片的运动方程式比较简单。 簧片阀广泛应用于微型空压机( 排气量小于l m 3 m i n ) 、小型制冷空压机( 制冷 量小于5 8 k w ) 上，量大面广。簧片阀的阀片本身是柔性的启闭元件，具有弹性， 可不另设弹簧。在运动中，阀片不是单自由度，而是无限多自由度的弹性系统。 从理论分析和工程设计的角度，簧片阀】可以划分为三种基本形状【3 5 】： ( 1 ) 舌簧形簧片阀。 ( 2 ) 圆环形或半圆环形簧片阀。 ( 3 ) 马蹄形簧片阀。 本章主要研究簧片阀的动态特性。以e q l l 4 1 g 为例，重点研究簧片阀的动 态特性。 武汉理工大学博士学位论文 2 2 簧片阀的工作过程及影响因素 2 2 1 簧片阀的结构 以e q l l 4 1 g 型空压机簧片阀( 如图2 2 ) 为例，阐述空压机簧片阀的结 构。 4 图2 2e q l l 4 1 g 型汽车空压机进、排气簧片阀 1 一阀座 2 一限位板3 一排气簧片阀4 一进气簧片阀 簧片阀一般由三个部分组成，它们是： ( 1 ) 阀座：它是气阀的基础，是主体，具有能被阀片覆盖的气流通道，是与 阀片一起闭锁进气( 或排气) 通道，并承受气缸内外压力差的零件。 ( 2 ) 启闭元件：它是交替地开启与关闭阀座通道的零件，通常制成片状，因 此常称为阀片。对于簧片阀，阀片本身具有弹性，所以不必另设弹簧。 ( 3 ) 升程限制器：是限制阀片的升起高度( 升程) ，它作为承座弹簧的零件。 2 2 2 簧片阀的工作过程 对于簧片阀来说，它主要是借助于气缸和阀腔之间微小的气体压力差而开 1 2 武汉理工大学博士学位论文 启的，同时在进气或排气过程中由于受到气流通过气阀所产生的推力作用而停 留在开启的位置上；反之，当气流停止时，它们受到与气流推力相反的弹簧力 作用而立即关闭。进、排气阀的工作过程是类似的，现以进气阀为例进行说明。 图2 3 进气阀片的启闭曲线 如图2 3 所示，活塞自外止点向内止点方向运动，余隙容积内的高压气体 膨胀，现成1 - - 2 膨胀过程。活塞继续向内止点方向运动，缸内压力继续降低。 当膨胀终了，若气缸与阀腔之间的气体压力而造成气体压力差a p ，由此作用在 阀片上的力足以克服气阀弹簧力及阀片和一部分弹簧的质量力时，阀片便开始 开启。阀片一旦离开阀座，气体通过缝隙进入气缸，并在流入气体的推力作用 下，阀片继续上升直至撞击升程限制器( 图2 3 中a - b 线段) 。此时气体经进气 阀吸入气缸内，开始缸内吸气过程( 图2 3 中2 3 4 所示) 。阀片在刚开启 瞬时，以较大的速度撞击升程限制器，若限制器不能把阀片动能全部吸收，则 阀片出现反弹现象( 图2 3 中b - - c 线段) ，并且回向阀座。在正常情况下，反 武汉理工大学博士学位论文 弹现象是轻微的，阀片又在气流推力的作用下，再次贴到升程限制器上( 图2 3 中c d 线段) 。随着气体继续吸入气缸，若气流顶推力大于气阀弹簧力，则 阀片紧贴在升程限制器上，出现较长平贴段( 图2 3 中d e 线段 。在活塞接 近内止点位置附近时，活塞速度降低，气流顶推力也相应减小。在e 位置时，阀 片上所受外力合力等于零，随后阀片上所受外力的合力开始改变作用力方向。 即气阀弹簧力大于气流顶推力，阀片开始脱离升程限制器，向阀座方向运动， 阀片开始关闭( 图2 3 中e f 线段) 。我们希望活塞到达内止点位置时，进气 阀正好关闭结束，阀片完全座落到阀座上( 图2 3 中f 点) 。此时，进气阀完 成一次工作过程。面积a b c d e f a 称为自动阀开启的时间截面积，曲 线a b c d e f 称为阀片运动规律曲线，图中h 表示阀片升程，0 表示曲柄转角( 即时 间) 。 a b 为阀片开启过程所需的时间，取决于阀片的升程、弹簧力、运动元件 质量以及气流推力等。当升程高、弹簧力大、运动元件质量大、气流推力小时， 开启过程时间便相对较长。过长的开启时间，会使时间截面积减小。时间截面 积表示气阀的实际通流能力，面积大则表示通流能力强、阻力小。从减小气阀 阻力来考虑，希望气阀的时间截面积尽量大。 d e 阶段，主要取决于弹簧力和气流推力。如果弹簧力过强，在活塞速度 达到最大值时气流的推力也不足以克服弹簧力，则阀片出现在阀座和升程限制 器之间来回跳动的颤振现象，如图2 4 所示。这时气阀的时间截面积大大地减 小了，且阀片来回撞击使气阀的寿命缩短。如果弹簧力过弱，则阀片停留在升 程限制器上的时间延长，阀片将在活塞更接近止点的位置时阀片来不及落到阀 图2 4 颤振型的工作过程图图2 - 5 延迟型的工作过程 1 4 武汉理工大学博士学位论文 座上，出现滞后关闭的现象如图2 5 所示。延迟关闭时，一方面因活塞已进入空 压机行程，使吸入的气体窜出去而使排气量减少；另一方面则因阀片是在弹簧 力和窜出气流的推力共同作用下撞向阀座，故能造成严重的敲击。敲击会使阀 片应力增加，阀片和阀座的磨损加剧，并导致气阀提前损坏；而且敲击还能发 出更大的噪声使排气量减少；另一方面则因阀片是在弹簧力和窜出气流的推力 共同作用下撞向阀座，故能造成严重的敲击。敲击会使阀片应力增加，阀片和 阀座的磨损加剧，敲击还能发出更大的噪声，并导致气阀提前损坏。 2 2 3 影响簧片运动的主要因素 阀片的运动是受气阀本身的结构参数、气体状态以及与气体运动有关的空 压机参数等综合参数作用所支配。这些参数主要有：阀片开启高度、气阀弹簧 力、阀座阀隙通道面积、阀片与弹簧的重量、气体比重、活塞移动速度、气缸 余隙容积大小等。 当上述的参数变化时，阀片的运动也随之变化，因此，在这些参数的综合 作用下，阀片运动可出现多种情况，例如：阀片正常关闭；阀片不能全开，阀 片处于挡板与阀座之间振动；阀片滞后关闭；阀片提前关闭等。 影响阀片运动主要因数有： 阀片弹力 若阀片弹力过大，当活塞速度达到最大值时，气流推力不足以克服最大弹 簧力，则阀片在阀座与限位器之间出现来回振荡的颤振现象，此时气阀的有效 截面积减小，附加阻力损失急剧增加，阀片撞击次数也增加，使气阀寿命缩短。 若弹簧力设计过弱，阀片贴在限制器上时间延长，以致活塞到达止点位置时， 阀片仍未落到阀座上，出现滞后关闭现象。进气阀滞后关闭，一方面因气缸内 开始压缩过程时，吸进缸内新鲜气体又漏回进气腔，从而导致排气量减小；另 一方面因阀片在弹簧力和反向气流共同作用下冲向阀座，造成严重撞击，撞击 使阀片应力增加，阀片和阀座磨损加剧，导致气阀过早破损。 阀片的开启高度 阀片的开启高度一般受限位板的限制，如果阀片的开启高度太小，则气阀 的缝隙面积较小，气阀的通流能力较差，阻力增大。阀片的开启高度太大，则 阀片有可能不全开，开启高度不能充分利用，同时，因运动零件的运动惯性的 影响，容易出现阀片滞后关闭的现象。 武汉理工大学博士学位论文 气流速度 在阀片开启的过程中，可以把阀片看成一个不断受气流推力作用的作加速 运动的浮游体。阀片的移动速度与气流的推动力成一定的比例关系，而气流推 动力又取决于气流速度与气体的比重，即阀片的运动速度与气体流过气阀的气 流速度成一定的比例关系。 气阀的气流速度是衡量气阀性能的一个重要尺度。气阀的气流速度过高， 对气阀的耐用期与阻力不利；气阀的气流速度过低，必然要增加气阀的个数或 加大尺寸，对气缸的制造、气阀安装、维修都不利。