小型空压机的运动学和动力学仿真研究.pdf.doc

402011年第 3期 (总 227期 )文章编号: 1006 2971( 2011) 03 0040 04计算机应用小型空压机的运动学和动力学仿真研究刘晓叙, 田建平, 陈 敏(四川理工学院机械工程学院, 四川自贡 643000)摘 要: 用 So lidW o rks软件建立了一个小型双缸空气压缩机模型, 用 COSM OS M o tion对该模型进行了运 动学和动力学仿真, 对运动学仿真的结果进行了验证, 给出了动力学仿真的主要结果。仿真结果与该型 空压机的设计计算参数是符合的。关键词: 空气压缩机; 运动学; 动力学; 仿真中图分类号: TK457 文献标志码: ASim ulation Research on K inem atics and Dynam ics for Sm all Type A ir CompressorLIU X iao xu, T IAN Jian ping, CH EN M in( Co llege of M echanical and Engineering, S ichuan Institute of T echnology, Z igong 643000, China)A bstract: The So lidW orks softw are is applied to establish a m ode l for sm a ll type a ir com pressor w ith doub le cy l inder. T he CO SM O SM otion is used to carry out the kinema tics and dynam ics sim ulation on the m ode l. T he result o f kinem a tics simu la tion is v erified and the ma in result o f dynam ics s mui la tion is g iven. T he s mui la tion resu lt is co inc ident w ith the design calcu lation param ete rs of th is type a ir compresso .rK ey words: a ir compressor; kinema tics; dynam ics; s mui la tion小型空气压缩机是一种应用广泛的通用机械。空压机的运动学和动力学计算是空压机设计过程 中, 应进行的基本设计计算。运动学是研究和计算 空压机活塞的位移、速度和加速度与曲轴转角及几 何参数之间的关系; 动力学主要计算和分析空压机 曲柄 - 连杆机构中各零件所受的作用力和它们之间 的关系, 为零件的强度计算以及空压机的平衡性计 算提供依据。在通常的设计中, 空压机的运动学和 动力学计算可以采用计算机编程的方式进行。So lidW orks是目前应用较为广泛的三维设计软 件, COSMOS M o tion则是以美国 MD I公司开发的机 械系统动力学仿真分析软件 ADAM S ( Autom atic Dynam ic Analysis ofM echan ica l System ) 为内核的机 械系统运动学和动力学仿真软件, 是 So lidW orks的 一个插件。该软件采用多体系统动力学理论来建立 系统动力学方程, 对虚拟机械系统进行运动学、静力 学以及动力学分析 1 - 2 。本文运用该软件, 对某小 型双缸空压机进行了运动学与动力学仿真, 现将研收稿日期: 2010 - 11- 23究情况介绍如下:1 空压机基本参数和虚拟装配模型的建立空压机为 V 型双缸, 缸径: 75mm; 行程: 55mm; 转速: 1200r /m in; V 型角: 90 ; 连杆 = 0 25; 排气压 力: 600 kPa; 总排气量: 约 40 m3 /h。按照空压机的 零件图纸, 对主要的零件进行三维实体造型设计, 其 中, 曲轴, 连杆和活塞的造型如图 1 3所示。图 1 曲轴按照零件的装配关系, 将曲轴、连杆、活塞、活塞 销和气缸等零件进行虚拟装配, 得到空压机曲柄连 杆机构的虚拟装配模型, 模型见图 4, 拆去气缸盖的 空压机装配模型见图 5。2011年第 3期刘晓叙, 等: 小型空压机的运动学和动力学仿真研究41图 2 连杆图 3 活塞按照零件的装配关系, 将曲轴、连杆、活塞、活塞 销、轴瓦和气缸套等零件进行虚拟装配, 得到发动机 曲柄连杆机构的虚拟装配模型, 模型见图 4。在本次仿真中, 需要对 2只气缸添加气缸的气 体压力, 气体压力来源于空压机的计算 p - V 示功 图。由于空压机转速为 1200 r/m in, 所以, 空压机完 成一个循环的时间为 0 05 s, 本次仿真的时间设为 空压机完成 2个循环, 仿真时间为 0 1 s。仿真的始 点是图 5中从带轮方向看, 位于右列的气缸活塞处 于压缩排气行程终点。后面图 7、图 8 是该活塞的 速度和加速度曲线, 空压机的转向从带轮端看, 顺时 针转。系统坐标系为 Y轴向上为正。3 空压机的运动学仿真按照设定的仿真参数, 在 COSMOS M otion中运 行仿真后, 可以得到活塞质心的位移、速度和加速 度, 见图 6 8。按照活塞速度 v和加速度 a 的近似计算公式v = R ( sin +sin2 )( 1)2图 6 空压机 2个活塞位移幅值曲线图 4 空压机曲柄 - 连杆机构装配模型图 7 右列活塞的速度图 5 拆去气缸盖的空压机装配模型2 仿真的准备工作装配好的空压机模型在 COSMOS M o tion中, 可以按照零件之间装配时定义的约束关系自动转化为相应的运动副, 在造型设计时零件所选定的材料属性, 也会反映到 COSMOS M otion中。在仿真前, 还要按照整机的装配和约束关系, 补充必要的约束和运动副约束关系, 并添加作用力。图 8右列活塞的加速度42压缩机技术2011年第 3期a= R 2 ( cos + cos2 )( 2)式中 R曲柄半径曲轴角速度曲轴转角连杆比 为验证仿真结果的正确性, 以曲轴转角 90 , t=0 0125s时为例, 对速度和加速度进行了验算。按 照公式 ( 1) 、( 2) 计算得到的速度 v = 3454 mm /s, 加 速度 a = 108455 mm /s2。在仿真输出曲线上可以看到仿真的结果, 但不 容易得到精确值。为了得到精确的仿真结果, 将仿 真结果用 CSV 格式输出后, 用 Exce l软件打开, 得到 的仿真结果为速度 v = - 3446 mm /s; 加速度 a = 116471 5 mm /s2。从上面的验算结果可以看出: 仿真计算值与按 照近似公式计算的速度、加速度值存在很小的误差, 速度误差率为 0 23% , 加速度误差率为 7 4% 。但 在最大值处, 计算速度值为 3541 mm / s, 加速度为325367 mm /s2; 速度的仿真值为 3562 mm /s; 加速度 的仿真值为 325688 mm /s2, 误差是非常小的。4 动力学仿真动力学仿真主要是计算空压机曲柄 - 连杆机构 各运动件的受力情况, 动力学仿真的主要结果见图9 13。图 9 右列气缸活塞的侧推力图 10 右列气缸连杆小头与活塞销之间 在气缸轴线方向的反作用力图 11 右列气缸连杆大头与曲轴的连杆轴颈之间 在气缸轴线方向的反作用力图 12 空压机的驱动扭矩图 13 空压机消耗的功率从图 12、13可以看出, 空压机的平均驱动扭矩 约为 29 N m, 平均驱动功率约为 3 6 kW, 这与该 空压机的设计计算轴功率 3 45 kW 很接近, 说明仿 真结果误差较小。5 结束语从上面的仿真结果可以看出, 采用 So lidW orks 进行实体建模和用 COSMOS M otion 对虚拟样机进 行空压机的运动学和动力学仿真, 可以方便快捷地 完成空压机的运动学和动力学进行仿真计算, 仿真 结果是可靠的。通过仿真运算, 可以方便地得到各 个运动件的运动参数和各个运动副之间的反作用力 等各种参数, 如果改变示功图的气体压力或转速, 可 以快速模拟空压机性能的变化, 为产品的设计、改进2011年第 3期 (总 227期 )43文章编号: 1006 2971 ( 2011) 03 0043 03三维建模软件在活塞压缩机平衡计算中的应用许大钊( 陆轮汽车零部件 (上海 ) 有限公司, 上海 201901 )摘 要: 利用三维建模软件进行活塞压缩机的平衡计算, 不仅提高计算精度, 而且大大提高设计效率, 将 设计师从繁琐的计算、试验中解脱出来。关键词: 活塞压缩机; 平衡; 计算; 三维建模中图分类号: TP391. 72; TH457 文献标志码: BThe Application of 3- D M odeling Software in the Balance Calculation of P iston CompressorXU Da zhao( Lulun Au tom obile Parts ( Shangha i) Co., L td. Shanghai 201901, China)A bstract: 3 D m odelingso ftw are has been u tilizedto ca rry ou t the ba lance ca lcu la tion o f rec iprocator p istoncompresso ,r w hich has miproved the ca lcu lating prec ision and greatly mi proved the design effic iency. D es ignershave been ex tricated from the cockam am ie ca lculating and testing.K ey words: piston compresso ;r ba lancing; calculate; 3 D modeling1 引言力的最大值是二阶往复惯性力最大值的 1 / , 通常活塞压缩机的 值在 1 /3 5 1 /6。因此, 在往复活活塞压缩机中曲柄连杆机构的惯性力和惯性力塞压缩机中, 一阶惯性力起主要作用, 而要平衡二阶矩, 是随着曲轴转角呈现周期性变化, 在压缩机设计惯性力的将会大大地增加压缩机结构的复杂程度。时应设置相应的平衡力和平衡力矩与之平衡。否因此在一般情况下往复压缩机中只考虑其一阶惯性则, 会导致压缩机的振动, 同时也会引起压缩机噪声力和一阶惯性力矩的平衡。就目前而言, 仅在内燃的异常。因此, 在活塞压缩机设计时力求在压缩机机中才有进行二阶惯性力的平衡。内部将惯性力和惯性力矩尽可能的完全平衡, 从而在三维建模软件出现以前, 压缩机设计时进行使压缩机振动和噪声降到最低值, 确保压缩机安全的平衡计算, 先是根据各个零件的二维图样及其材平稳的运行。料密度分别计算活塞、活塞环、活塞销及连杆等各个在郁永章先生主编的 容积式压缩机技术手运动零件的质量及其质心以及曲轴中的曲柄销、曲册 第 8章中往复压缩机动力计算中给出了惯性力柄臂、平衡重等各部分的质量和质心, 进行相应的叠和惯性力矩的平衡方法。加计算, 根据叠加的结果, 计算需要平衡量, 设计曲在压缩机惯性力和惯性力矩的平衡计算中, 一轴的平衡重。必要时请木工师傅按照实际大小制作般情况我们可以将旋转惯性力和旋转惯性力矩进行曲轴的木模, 根据木材的重度计算曲轴各个部分的完全平衡。而对于往复惯性力, 由于一阶往复惯性