基于虚拟样机的D一1008一C型空压机曲柄连杆机构的运动学仿真.pdf

7 8 工业仪表与自动化装置 2 0 1 0年第 2期 基 于虚拟 样机 的 D一1 0 0 8一C型 空压机 曲柄连杆机构的运动学仿真 蒲海丰 张彬 李南 1 甘肃广播 电视大学 兰州 7 3 0 0 3 0 2 白银有色金属公司 甘肃 白银7 3 0 9 0 0 3 兰州理工大学 兰州 7 3 0 0 5 0 摘要 用 P r o E n g in e e r 建立 D一1 0 0 8 一C型空压机 曲柄连杆机构的实体模型 利 用机械 系统 动力学仿真分析软件 A D A MS 对 曲柄连杆机构进行仿真 得 出活塞的位移 速度 加速度曲线图 为 进一步优化设计和技术改造提供参考 关键词 空压机 A D A M S 仿真 中图分类号 T P 3 9 1 9 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 0 0 6 8 2 2 0 1 0 0 2 0 0 7 8 0 3 Kine ma t ics s imu l a t io n o f t he c r a nk a nd l in ka g e me ch a n is m f o r D 一1 0 0 8一e a ir c o mp r e s s o r b a s e d o n v ir t u a l p r o t o t y pe P U Ha if e n g Z HAN G B in g L I Na n 1 G a n s u R a d i o 1 3 U n i v e r s i t y L a n z h o u 7 3 0 0 3 0 C h i n a 2 B a i y i n 0 r r o ll 胁抛 C o m p a n y G a n s u B a i y i n 7 3 0 9 0 0 C h i n a 3 L a n z h o u U n i v e r s i t y o f T e ch n o l o g y L a n z h o u 7 3 0 0 5 0 C h i na Abs t r a ct Ma k in g u s e o f 3一D t o b u il d t he mo d e l Pr o En g in e e r s o f t wa r e t h e 3 一D e n t it y mo d e l o f a co mp r e s s io n e n g in e wa s b ui l t u s in g the ma ch in e r y s y s t e m s imu l a t e s a n a l y s in g s o f t wa r e ADAMS t h e cr a n k s h a f t co n n e ct in g r o d me ch a n is m w a s s imu l a t e d Acco r d i n g t o t h e a n a l y s is f o r k in e ma t i cs o f t h e co m p r e s s i o n e n g in e S cr a n k s h aft co n n e ct i n g r o d me ch a n i s m the p is t o n d i s p l a ce me n t s p e e d a cce l e r a t io n a n d cu r v e d ia g r a m w a s g a in e d in o r d e r t o f u r t h e r o p t imiz e t h e d e s i g n a n d t e ch n ica l r e f e r e n ce Ke y wo r d s a ir co mp r e s s o r ADAMS s imu l a t io n O 引言 曲柄连杆机构是往复活塞式压缩机 的关键机 构 压缩机 的振动 噪声大部分来源于 曲柄连杆机 构 因此对其进行优化设计是提高压缩机性能的有 效途径 长期以来由于往复式压缩机曲柄连杆机构 的工况比较特殊 传统 的设计方法只能采用一些近 似假设和简化手段进行设计 因而所得的结果不够 准确 随着计算机 的广泛应用 出现了一些功能强 大的通用分析软件 利用这些软件使得精确分析曲 柄连杆机构的特性 进而优化设计成为了可能 虚拟样机技术又称为动态仿真技术 其核心是 机械系统运动学和动力学仿真技术 建立零件的三 收稿 日期 2 0 0 9一l 1 一l 9 作者简介 蒲海丰 1 9 7 1 兰州理 工大 学硕 士毕业 机械 工程 师 曾长期从事空压机安装 调试及设备管理工作 现 在甘肃广播 电 视大学任教 从事虚拟仿真以及有限元分析方面的研究工作 维实体模型并对其进行虚拟装配 获得虚拟样机 对 其在各种工况下的运动和受力情况进行仿真分析 预测产品的整体性能 进而改进产品设计 提高产品 性能的一种新技术 虚拟样机技术在一些较发达 国家 如美 国 德 国 日本 等 已得 到广泛 的应 用 美 国航空 航天局 N A S A 的喷气推进实验室 J P L 工程师利用虚拟 样机技术仿真研究宇宙飞船在不同阶段 的工作过 程 保证 了火星登陆计划的成功 我国从 九五 期 间开始跟踪和研究虚拟样机的相关技术 应用多集 中在一些高精尖领域 近年来 才尝试着将虚拟样 机技术用于一般机械的开发研制 目前利用虚拟样机技术进行分析的软件比较多 但是最著名的是 A D A MS软件 在汽车 航天等领域 得到广泛的应用 成为动力学仿真软件的主流 占整 个市场份额的 7 0 它能为工程技术人员提供从产 品概念设计 方案论证 详细设计 到产 品方案修改 2 0 1 0年第 2期 工业仪表与自动化装置 7 9 优化 试验规划甚至故障诊断各阶段 全方位 高精度 的仿真计算分析结果 从而达到缩短产品开发周期 降低开发成本 提高产品质量及竞争力的目的 1 虚拟样机的建立 虚拟样机模型的建立有多种办法 1 直接在 A D AM S里建模 但 A D A MS本身的 建模功能比较差 除非零件外形 比较简单且数量较 少 否则一般不采用这种方法 2 通过 A D A MS提供的众多与其他优秀 C A D 软件之间的接口 用 i g s p a r a s o l i d等格式把零件导 人 A D A MS V ie w 然后在 A D A M S V ie w装配 添加 约束 以及载荷 3 通过专业连接 AD A MS和 P r o E n g i n e e r的 模块 Me ch a n is m P r o 通过该模块可实现两者 的无 缝链接 可将 P r o E n g i n e e r 建好的装配体直接送人 ADAMS 三种方式各有优缺点 笔者认为 对于零件外形 比较复杂的简单机构 后两种方法都是可行 的 由 于空压机曲柄连杆机构零件比较多 特别是曲轴形 体比较复杂因此不宜采用第一种方法 该文对 于白 银有色金属公 司使用的柳州压缩机厂生产 D一1 0 0 8一c 型空压机的曲柄连杆机构 在 P r o E n g in e e r 下 建立曲柄连杆机构 的三维装配体 图 使用 A D A MS 仿真 软件 A D A MS 2 0 0 5 r 2 采 用 了无 缝 集 成 me ch p r o 2 0 0 5版本 在 m e ch p r o 组件模式下根据实际情况分别定义 各构件的质量 转动惯量 惯性矩等物理信息 并定 义各构件之 间的相互 约束 这样就在 A D A MS中建 立了曲柄连杆机构虚拟样机 曲柄连杆机构 需要定义 的主要运动副和力如 下 1 一 二级 十字头与机体之间的移动副 2 一 二级十字头与连杆之间的转动副 3 连杆与曲柄梢之间的转动副 4 曲轴与机体之间的转动副 在 m e ch p r o 组件模式下根据以上步骤施加运动 副 定义驱动后点菜单 i n te r f a ce再点击下拉菜单 A D A MS V ie w 然后按 e n t e r键 于是进入 A D A MS V ie w中 建立 的曲柄连杆机构的虚拟样机模型如图 1 所示 2 运动学仿真结果 1 位移曲线图如图 2所示 图 1 曲柄连杆机构 的虚拟样机 指定活塞处于外止点位置的时刻为时间零点 由 A D A MS 计算所得一 二级活塞的 z向位移 曲线如 图 2所示 定义一级曲柄连杆机构所对应 的曲线用实 线来表示 二级曲柄机构所对应的曲线用虚线来表 示 以下曲线表示方法相同 由图 2可知 当其 中一 个活塞处于内 外 止点位置时 另外一个活塞也处在 内 外 止点位置 而两个活塞相位相差 1 8 0度 点击 A D A MS主菜单下的 r e v ie w下 的 p o s t p r o ce s s in g 测得 低压活塞在 t 0 1 8时刻 时的位移为 一1 3 6 3 4 2 5 8 m m 为内止点 在 t 0 1 2时刻的位移为 一 1 6 0 3 9 8 0 6 m m 为外止点 则 活塞行程为 一1 3 6 3 4 2 5 8一 一 1 6 0 3 9 8 0 6 2 4 0 5 5 5 8 mm 活塞 的行程参数为 2 4 0 mm 这与实际是完全符合的 M P RO m o d e l l 00 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 An a l y s is La s t Ru n Time s 2 0 08 0 3 2 7 图2 位移仿真曲线图 2 速度曲线如图 3所示 0 O 5 00 0 O f J l V l l 一 r 0 0 0 1 0 2 An alys is La s t Ru n 0 3 0 4 0 5 0 6 Time s 2 0 08 0 3 2 7 图 3 速度仿真曲线图 由图 3也可看 出低压活塞 自外止点位置向内止 0 0 0 0 0 蛳 眦 砌 一 日g 专 g D O 舢 u 一 u o l 8 0 工业仪表与自动化装置 2 0 1 0年第2期 点运动时 速度增大 高压活塞也从外止点位置向内 止点运动 速度增大 但是方向相反 由仿真曲线图中得知低压活塞 t 0 0 2 4 s 时的 速度为 6 4 0 3 3 3 0 9 m m s 0 0 2 4时 0 戈 r 1 一 co s 0 牟 1 一 c o s 2 0 1 r io s in 0 A s in 2 2 co s 0 A co s 2 0 3 由式 2 得 1 s 5 2 3 6 n 5 0 0 r m in r 1 2 0 mm l 5 5 0 mm A 手 0 2 1 8 z r w s in 0 A s in 2 0 6 3 7 8 mm s 绝对误差 640 3 3 3 0 9 6 3 7 8 2 5 3 3 相对误差 2 5 3 3 6 3 7 8 0 0 0 3 9 7 1 这充分说明仿真的精度是完全足够的 3 加速度曲线图 由A D A MS 计算所得一 二级活塞的 z向加速 度曲线如图4所示 由加速度曲线图可知当 t 0 1 2时刻时的高压 活塞的加速度为 4 0 1 8 6 1 0 m m s 当 t 0 1 2 S 时 0 2 w 由式 3 得 r w co s 0 A co s 2 0 1 2 0 5 2 3 6 co s 2 r r 0 2 1 8 co s 4 4 0 0 7 1 0 mm s 这充分说明 仿真结果与实际相符合 由图4 可知 当活塞处于内外止点位置时其加速度最大 从 一 一 卜 卜 一 卜 一 卜 n 上接第 7 4页 的指令或者现场的按钮等 只有执行到顺控程序时 其才起作用 有时候 顺控也包含有联锁的作用 但 不能代替联锁 如 S P一 6 A关 回讯到达且开信号消 失后 才能打开 S P一 7 A 在顺控部分程序里是这么 规定的 但必须在联锁部分程序里单独表达出来 表 示在任何时间 不仅在顺控执行时 这个要求都保证 被满足 4 结束语 惠州炼油 4 2 0 0 k t a 延迟焦化装置是 目前 国内 而形成的往复惯性力最大 而且当一个 活塞处于内 外止点位置时 和另外一个活塞的加速度相等 但变 化趋势相反 3结语 采用虚拟样机对空压机进行仿真 可 以迅速而 准确地得到空压机的各种参数 曲线 为空压机设计 计算提供了一种新 的手段 A D A M S不仅能够从系 统的层面来分析整机系统特性 而且能够用有限元 对部件进行分析 以后工作还可以利用该模型对所 有部件进行有限元分析 参考文献 1 活塞式压缩机设计 编写组 活塞式压缩机设计 M 北京 机械工业出版社 1 9 7 4 2 9 8 2 宋培林 虚拟模型 机械工程的一门新兴技术 M Me e ha nie N Dy n a mics n C 1 99 9 3 王国强 张进平 马若丁 虚拟样机技术及其在 A D A MS 上的实践 M 西安 西北工业大学出版社 2 0 0 2 4 郑建荣 A D A Ms 虚拟样机技术入门与提高 M 北京 机械工业出版社 2 0 0 1 5 陈立平 机