基于COSMOSMotion的活塞压缩机运动仿真分析

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往复压缩机属于容积压缩机，是使-定容积的气体顺序地吸人和排出封闭空间提高静压力的压缩机，在石油、化工行业中被广泛应用。其中最典型的往复压缩机是活塞压缩机 [1，如空气压缩机、氢气压缩机、煤气压缩机等。活塞压缩机依靠气缸内活塞的往复运动来压缩气体，主要是由气缸、活塞 、驱动活塞运动的连杆、曲轴、进气阀、排气阀等组成。曲轴旋转，通过连杆带动活塞做往复运动 ，则 由气缸 、气缸盖和活塞顶面所构成的工作容积会发生周期性变化 (进气 、压缩 、排气)。活塞压缩机具有适用压力范围广、压缩效率高、.适应性强等特点。分析压缩机各个部分的运动关系，并绘制出其运动参数曲线在活塞压缩机的理论分析和设计中有着重要的意义。

本文利用 SolidWorks对活塞压缩机的各个零收稿 日期：2012-07-17-2013年02期(总第238期)件进行建模及装配，并用 COSMOSMotion对三维模型进行运动仿真分析，得出系列参数曲线。同时，从理论上分析了相应运动参数，对比验证运动仿真结果。

2 COSMOSMOfion介绍COSMOSMotion作为 SolidWorks的-个插件，是-个全功能运动仿真软件 ，与当今主流的三维CAD软件 SolidWorks无缝集成，是-种用于机械系统仿真的计算机软件。COSMOSMotion能够帮助设计人员利用已经建立的三维模型进行运动仿真，对复杂机械系统进行完整的运动学和动力学仿真，得到系统中各零部件的运动情况 (包括位移、速度、加速度和作用力及反作用力等)，并以动画、图形、表格等多种形式输出结果；还可将零部件在复杂运动情况下的复杂载荷情况直接输出到相关有限元分析软件中，进行强度和结构分析 ，其设计研究D ＆R h表1 工作阻力值过程 吸气 压缩 排气t/s 0 l，24 5/12 1/2 7/12 2/3 17，24 3，4 19，24 5，6 11/12 1eR O 1/12耵 S6 1T 1f6 4B 17/12"IT 3/2"IT 1 9/12叮r 5/3竹 l1，6霄 2订FlN O 0 O 20o 1020 2850 4610 7650 960o 9600 960o O分析结果可指导修改零件的结构设计或调整零件的材 。

3 活塞压缩机的运动仿真3.1 活塞压缩机三维模型建立三维软件SolidWorks是-款基于参数化造型的CAD软件，利用 SolidWorks软件建立活塞压缩机各个零件实体模型，并依据个零件装配机运动约束关系建立活塞压缩机的三维装配体。

3.2 活塞压缩机运动分析在 SolidWorks中建立活塞压缩机的装配体三维模型后 ，打开装配体 ，在 SolidWorks主菜单工具”中选择 插件”，选 中 COSMOSMotion”选项，激活了COSMOSMotion插件，利用该插件进行活塞压缩机的运动仿真模拟及其分析。

3.2.1 添加约束在进行活塞压缩机的运动仿真过程中，首先应添加约束 ，定义装配体中各个零件的可动性(-般情况下，系统会自定义各个零件的静止和运动关系，只要根据具体情况做适当的修改)；其次根据零件之间的运动约束关系定义各种约束副，在 COSMOSMotion中，共有旋转副、平面副、圆柱副、万向节、球副、固定约束和移动副等约束副，通常在进入 COSMOSMotion界面时，系统会 自动地将在 SolidWorks中对机构的装配关系转化成约束关系，只需要根据实际情况进行适当地修改，在本仿真模拟过程中应在活塞式压缩机上定义以曲柄的圆心作为中心的旋转副。

3.2.2 添加驱动给曲柄与基座之间的旋转运动副添加-个角速度为360。/s的驱动，使压缩机的曲柄成为原动件。

3.2.3 添加工作阻力给活塞添加-个单作用力，方向为沿活塞轴向，指向曲柄方向 [3]。力的大小通过样条线函数，从文件中加载，具体参数如表 1所示。

3.3 仿真结果分析3.3.1 理论分析及仿真结果预测将活塞压缩机结构简化成如图 I所示的曲柄连杆机构 。A点为外止点 ，即活塞离曲柄距离最远点 ，B点称为内止点，即活塞离曲柄距离最近点。

AB为活塞行程，S2r。曲柄的瞬时位置以曲柄与气缸中心线的夹角0表示 ( 在外止点处为0。)，卢为连杆摆角，即为连杆f与气缸中心线的夹角。从该机构的几何关系和运动关系中，可以确定压缩机活塞的位移、速度、加速度的理论值。

取任意-个转角瞬间，此时活塞离外止点的位移为z，且xA AOA-OA OA-(OCCA )lr-(rcosOlcosf1)r(1-cosO)f(1-COS) (1)在 AOCD和 AA CD中有sin/3÷si胡 Si胡式中 Ar--曲柄半径连杆比Z故有cosfl、/l-sin 、/1-A sin活塞质点的位移为r(1-cos0)/(1-%/1-A2sin20)r[(1-cos0)÷(1-、/ ) (2)A将(2)式对t求导，可以得出活塞运动的速度Vdd d d：，(sin0 ) (3)2x/l-A sin d仿真条件给定曲轴的旋转为匀速圆周运动，2013年O2期(总第238期)-设计研究即：ao： 所以，活塞运动速度为： (sin0安 ) (4)将 (4)式对时间t求导，可以得出活塞运动的加速度凸 [cos A三co s2i0 A3sin 20 ] (5)、/1-A sin 4× l-Asln仿真条件给定r15 mm、l90 mm(Ar1)、 2 1T，同时在模拟中，1 S曲柄转-圈 ，即02丌·t。分别带人(2)、(4)、(5)式，得出活塞质心位移为5c。s(27rt) V - in (2订) (6活塞质心速度为 3。竹[sin(21T ) 1 i sin(4"rt) (7)活塞质心加速度为口：60，n-t cos(2订 ) -! - N/36-sin2(21rt)--2013年o2期(总第238期)- - 壁 ～ (8)864×[ - in (2订 )]活塞质心位移曲线图、速度曲线图和加速度曲线图，分别如图2、3、4所示。

图 2 活塞质心位移理论曲线图3 活塞质心速度理论曲线图 4 活塞质，6/Jn速度理论曲线3.3.2 COSMOSMotion仿真结果分析通过 COSMOSMotion仿真，可以得到活塞质心在z轴 (受力方向上)的位置 (位移)、速度、加速度曲线，分别如图5、6、7所示。