摆杆约束往复活塞式压缩机的虚拟仿真分析

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第 38卷 第 5期2013年 1O月广西大学学报：自然科学版Journal of Guangxi University：Nat Sci EdVo1．38 No．50ct．2013文章编号：1001-7445(2013)05．1033-07摆杆约束往复活塞式压缩机的虚拟仿真分析耿葵花 ，郭 靖 ，耿爱农 ，杜时光(1．广西大学 机械工程学院，广西 南宁 530004；2．五邑大学 机电工程学院，广东 江门 529020)摘要：为了了解摆杆约束往复活塞式无油润滑空气压缩机的工作性能，为新机型的设计、物理样机实验和优化提供依据，缩短研发周期，应用虚拟样机技术建立了摆杆约束往复活塞式无油润滑空气压缩机的运动仿真模型，以理论分析为基础，仿真分析了压缩机的运动特性以及主要工作部件的受力情况。仿真结果表明，与传统摇摆往复活塞式压缩机相比，摆杆约束往复活塞式压缩机的活塞和密封环对气缸的换向敲击强度较弱，气缸侧压力较小，说明采用摆杆机构对活塞的往复行为进行约束能有效减少机械噪声和延长密封环的使用寿命。

对新机型进行了物理样机试验，试验结果表明，摆杆约束压缩机的空载噪声比传统摇摆压缩机的空载噪声低约2 dB(A)、整机工作噪声则低约1 dB(A)，密封环寿命比传统摇摆压缩机的寿命大约提高10％，仿真结果与试验结果吻合。

关键词：空气压缩机 ：摆杆约束；仿真设计中图分类号：TH457 文献标识码 ：AVirtual simulation of swinging-rod constraintreciprocating piston-type compressorGENG Kui．hua ，GUO Jing ，GENG Ai—nong ，DU Shi．guang(1．School of Mechanical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China；2．Schol of Mechanical and Electrical Engineering，Wuyi University，Jiangmen 529020，China)Abstract：In order to understand the performance of swinging-rod constraint reciprocating piston—type compressor，and to provide strategy for design，physical prototype test and optimization，and toshorten the development cycle，a swinging·rod constraint reciprocating piston-type oil-free lubrica—ting air compressor is modeled by virtual prototype technology ．Based on theoretical analysis，themotion characteristic，forces of connection constraints were studied and analyzed by simulation．Thesimulation results show that the degree of the piston and seal ring reverse striking to the cylinder isweaker and side·-pressure of cylinder is lower compared to that of the conventional wobbling recipro·-cating piston—type compressors．The motion simulation conclusion shows that the swinging-rod con—straint reciprocating piston-type oil-free air compressor can effectively reduce the working noise andprolong service life of seal ring by the swing—rod mechanism restraining the piston reciprocating．Anexperiment with a new type of physical prototype was done．The result shows that comparing to the收稿日期：2013-03—18；修订日期：2013-05-02基金项目：广西自然科学基金项 目(2013GXNSFAA019309)；广西制造系统与先进制造技术重点实验室项 目(10—0046—07SO3、通讯联系人：耿葵花(1969一)，女，广西北海人，广西大学教授；E—mail：gengkuihua###163．com。

1034 广西大学学报 ：自然科学版 第 38卷conventional type，the new type is 2 dB(A)lower in the empty noise，about 1 dB(A)lower inworking noise，and the service life of seal ring is increased by 10％ ．The simulation results is identi—cal with the test results.

Key words：air compressor；swinging-rod constraint；simulation design0 引 言小型无油空气压缩机因其输出的压缩气体不含油，因而在装饰、医疗、化工和食品等行业得到广泛的应用，成为近十年来发展迅速的压缩机产品类型之一。从现有产品和文献上看，目前的小型无油空气压缩机主要采用摇摆往复活塞的结构形式，由于工作时活塞对气缸存在有较大的敲缸现象，因此传统的摇摆活塞式空气压缩机的运转噪声较高，而且密封环的寿命较短 4¨j。鉴于此，一种摆杆约束往复活塞式压缩机应运而生 ]，它通过一个摆杆机构对活塞的运动进行约束，使活塞按几乎直线运动的方式在气缸中做往复运动，借此降低了活塞对气缸的换向敲击程度，减小了气缸的侧压力，以此谋求减弱压缩机的噪声及延长密封环的使用寿命。为了充分了解新型压缩机摆杆约束机构及活塞连杆机构的运动规律，以便对该类压缩机的结构及布局作进一步的优化设计，本文采用虚拟样机技术对摆杆约束往复活塞式压缩机主要运动件的运动行为特性及应力变化规律进行了仿真分析，并通过物理样机的实验研究，对新机型的降噪效果和延寿效果进行了验证。

1 压缩机的工作原理和三维建模如图 1所示 ，摆杆约束往复活塞式压缩机的主要运动部件由气缸、活塞、连杆、摆杆、驱动杆以及曲柄等零部件组成。其工作原理为：电机带动曲柄运转，活塞在连杆、驱动杆以及摆杆的传动下作周期性的往复直线运动，从而实现进气、压缩、排气的工作循环。与传统机型相比，摆杆约束往复活塞式空气压缩机的主要优势在于 ：①利用摆杆机构约束连杆及活塞以近似直线的方式进行往复运动，从而减小连杆与气缸轴线之间的摆角，使活塞与气缸之间的侧向压力变小，有效缓解活塞对气缸的换向敲击强度及密封环的磨损程度，延长了气缸和密封环的使用寿命；②曲柄轴旋转中心与气缸中心偏置，降低了压缩机的高度，减小了压缩机的重量和体积；③通过近乎直线运动的约束，大幅度减少了活塞相对于气缸的椭圆形变量，有效增强了密封环的密封效果，减少了内部气体泄漏。

参考现有的传统摇摆压缩机的尺寸设计参数。 ，将摆杆约束往复活塞式空气压缩机的主要零部件及其结构尺寸设定为表 1中所示的参数。

表 1 摆杆约束往复活塞式空气压缩机结构参数Tab．1 The structural parameters of swinging-rodconstraint reciprocating piston-type air compressor mm图 1 摆杆约束往复活塞式无油空气压缩机三维实体模型Fig．1 The swinging-rod constraintreciprocating piston-type oil-·free aircompressor three·dimensional physical mod el第5期 耿葵花等：摆杆约束往复活塞式压缩机的虚拟仿真分析 1035根据压缩机结构参数，应用三维建模软件Pro／E创建其零部件模型，并精确地将各零部件组装成图 1的实体模型。

2 构建压缩机的虚拟样机2．1 施加约束与运动将模型导人 ADAMS／View中，建立压缩机的虚拟样机。根据摆杆约束往复活塞式空气压缩机的实际运动情况，在虚拟样机上施加约束和驱动 J。气缸在压缩机运转中静止不动，所以在它与地面之间添加固定副；曲柄在电动机的驱动下做定轴转动，所以在曲柄轴和地面之间添加旋转副(Revolute)，并在其上添加驱动；曲柄将电动机的驱动力通过轴承传递给驱动杆，使其与轴承一起做偏心转动，因此需要定义驱动杆与轴承之间的固定副(Fixed)、轴承与曲柄之间的旋转副(Revolute)；驱动杆通过轴销 2把驱动力传递给摆杆，摆杆在驱动杆的带动下绕摆动中心做往复摆动，故在驱动杆与轴销2之间添加固定副(Fixed)，轴销2与摆杆之间添加旋转副(Revolute)，摆杆与地面之间添加旋转副(Revolute)；同样地，摆杆带动连杆绕轴销1做定轴转动，故定义连杆与轴销1之间的固定副(Fixed)、轴销 1与摆杆之间的旋转副(Revolute)；另外，压缩机工作过程时，活塞在气缸中以近似直线的方式作往复运动，即活塞与气缸之间始终保持线接触，所以使用共线约束(Inline)来定义活塞与气缸之间的约束；由于压缩机的转速为2 890 r／min，因此给摆杆约束往复活塞式压缩机添加旋转运动(Rotational Joint Motion)，大小为17 340 。／s。

2．2 施加作用力在摆杆约束往复活塞式空气压缩机的 ADAMS动力学仿真中，需要加载的力主要是压缩机热力循环所产生的施加在活塞上的气体力和密封环与气缸之间的摩擦力。在压缩机一个工作循环内，工作腔内的气体压力 p 变化规律 为pc=( ) (0。≤ <57。)p (57。≤ ≤169， (1)＼
S
|s
o
。
+
+S
，
／nlp
。 (169。< <3。8。)pd (308。≤0<360。)式中， 为活塞位移，s为活塞行程，Js。为余隙容积当量行程，m为膨胀过程指数，n。为压缩过程指数，P 为实际进气压力，P 为实际排气压力。

气体力 F 作用于活塞上，方向沿着连杆并指向连杆底端M点，大小为工作腔内气体压力与活塞有效面积的乘积一
n 2F Pc× ,n-L ／
。 (2)利用数值分析软件 MATLAB计算出气体压力大小，并导人 ADAMS，将其添加在活塞质心位置，方向沿着连杆杆身指向连杆质心，最终得到活塞上的气体力。同样地，与加载气体力相类似，此处也用参数化的方法加载摩擦力。

3 压缩机的仿真分析3．1 压缩机的运动分析在 ADAMS中仿真得到反映摆杆约束往复活塞式空气压缩机运动学性能的仿真曲线 I “J，如图 2和图3所示。图2是活塞在两个周期内的速度曲线图，通过仿真得出，在一个周期内，当活塞从上止点位置运动到下止点位置，即压缩机进气终了时，活塞速度极值为4．5 m／s；当曲柄轴旋转到 308。，即压缩机压缩过程结束并开始排气时，活塞速度极值为 4．9 m／s。

1036 广西大学学报：自然科学版 第 38卷● l0／(。)图2 摆杆约束往复活塞式空气压缩机活塞速度Fig．2 The piston veloci~ curve of swinging-rod constraint reciprocating piston·type air compressor图3为活塞在两个周期内的加速度曲线图，通过仿真得出，当活塞运动到上止点和下止点位置的时候，活塞加速度达到极值，分别为 1．17~10 mm／s 和 1．75~10 mrn／s 。将仿真结果与传统摇摆压缩机对比可知，新机型活塞运动的速度和加速度与传统机型相近，符合密封环工作可靠性的指标要求。

0／(。)图3 摆杆约束往复活塞式空气压缩机活塞加速度Fig．3 The piston acceleration curve of swinging-rod constraint reciprocating piston-type air compressor3．2 压缩机的动力学分析摆杆约束往复活塞式空气压缩机在运转过程中受力比较复杂的部件是活塞、驱动杆，因此着重分析这两个部件的受力情况。

由压缩机工作腔内的气体压力变化规律，仿真得到活塞受到气体力的变化曲线如图4所示。从图 4中可知，在一个循环周期内，当曲柄轴旋转角度为 0～57。时，对应为压缩机的膨胀过程，气体力从最大值开始逐渐变小；当曲柄轴旋转角度为 57～169。时，对应为压缩机的进气过程，气体力保持不变；当曲柄轴旋转角度为 169—308。时，对应为压缩机的压缩过程，气体力逐渐增大到最大值；当曲柄轴旋转角度为308—360。时，对应为压缩机的排气过程，气体力保持最大值不变。

0／(。)图4 活塞受到的气体力变化曲线Fig．4 VaCation curve of gas stress on the pistonO } ； l × × × X × X ×O 5 0 5 5 O 5 2 l l O 0 l 1 _ - _
('N_s．矗gJ／第 5期 耿葵花等：摆杆约束往复活塞式压缩机的虚拟仿真分析 1037图5为在 ADAMS中仿真得到的新机型与传统机型气缸侧压力仿真对比曲线 。 。从图5中可知，活塞与气缸之间的侧压力呈周期性变化，随着活塞运动方向的改变，侧压力的正负也相应的产生变化。将两条仿真曲线作对比可知，传统机型气缸侧压力 F的最大值为35．27 N，而新机型 F的最大值仅为3．57 N，是传统机型的10％，即通过增加摆杆机构，可达到缓解活塞对气缸换向敲击强度的目的，能显著降低密封环与气缸之间的磨擦损耗，延长密封环的使用寿命。

40．030．020．0Z lO·O0．0． 10．0．20．0．30．0．40．00．0 l 8O．0 360．0 540．0 720．00／(。)图5 新机型与传统机型气缸侧压力仿真对比曲线Fig．5 The side-pressure of cylinder contrast simulation curve for new and traditonal compressor图6为在 ADAMS中仿真得到的新机型驱动杆作用力变化趋势曲线。从图 6中可知，驱动杆的作用力呈周期性变化，其整体变化规律与气体力的变化趋势密切相关，驱动杆作用力的极值位置出现在压缩机排气阶段，其最大数值接近4 000 N。

4 000．03 500．03 000．0Z 2 500．02 000．01 500．0l 000．0500．00o．U I 8U．0 360．0 540．0 720．00／(。)图6 新机型驱动杆作用力变化趋势曲线Fig,．6 The drive-rod force curve of new compressor3．3 压缩机的应力分析本文对摆杆约束往复活塞式空气压缩机中受力最复杂的连杆活塞组和驱动杆进行应力分析。利用ANSYS Workbench创建摆杆约束往复活塞式空气压缩机的模型，确定材料属性、设定接触、划分网格、添加约束和施加载荷，并对模型进行仿真分析 。 ，得到如图7(a)所示的连杆活塞组应力云图，最大应力发生在连杆与活塞间过渡圆角的位置，最大应力为 74．998 MPa，在安全范围内。同时也表明，密封环的受力状况非常不均衡，其破坏往往首先从密封环与气缸在连杆摇摆平面的接触处开始。图7(b)所示为驱动杆的应力云图，最大应力发生在驱动杆与曲柄轴的轴承接触处 ，最大应力值为 61．18 MPa，在许用应力 125 MPa范围内。由此可知，连杆活塞组、驱动杆达到设计要求。

第 5期 耿葵花等：摆杆约束往复活塞式压缩机的虚拟仿真分析 1039式往复运动，从而减小连杆与气缸轴线之间的摆角，使活塞与气缸之间的侧向压力减小，有效缓解活塞对气缸的换向敲击强度及密封环的磨损程度，延长了气缸和密封环的使用寿命。

② 通过对摆杆约束往复活塞式空气压缩机与传统摇摆压缩机的主要相对运动部件之间产生接触力的大小进行仿真分析比较，发现摆杆约束往复活塞式空气压缩机产生的接触力与传统摇摆压缩机产生的接触力，并且从仿真发现前者得到的侧压力的曲线更加平缓，说明新机型的运转较为平稳，降低了运转中产生振动和噪音，进一步证明了新机型的优越性。

③ 通过压缩机应力的仿真分析，发现压缩机的应力主要集中在连杆与活塞间过渡圆角和驱动杆与曲柄轴的轴承接触处，其最大应力均小于许用应力。

④ 样机实验结果与仿真分析结论吻合，表明本文所采用的分析思路和研究方法是正确的，能够指导杆约束往复活塞式空气压缩机的设计。

⑤ 运用三维建模软件与仿真软件对摆杆约束往复活塞式空气压缩机虚拟样机的建模和仿真，相比于理论计算，能更直观地反映其运动过程和运动特性，从而为进一步的分析、评测、优化和设计提供依据。

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(责任编辑 梁 健)