基于SolidWorks Motion的活塞压缩机运动学和动力学仿真

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SolidWorks是 目前应用较为广泛的三维设计软件，SolidWorks Motion是以美国MDI公司开发的机械系统动力学仿真分析软件 ADAMs(AutomaticDynamic Analysis of Mechanical System1为内核的机械系统运动学和动力学仿真软件，是 SolidWorks的-个插件。本文将以-款我厂自主研制的2CFP系列压缩机为例，介绍如何运用 SolidWorks Motion进行活塞压缩机的运动学和动力学仿真。

2 活塞压缩机基本参数和三维实体建模该活塞压缩机为对称平衡式，卧式 2列2缸，两级压缩，-级压缩缸为 l20 mm双作用压缩缸，二级压缩缸为 70 mm双作用压缩缸。行程 ：Js；76.2 mm；转速：n1800 r/min；曲柄连杆比：A0.2；曲柄半径：r38.1 mm；曲轴旋转角速度收稿日期：2012-05-1540I 瓣黧愁 -//，"-IT：188.5 (rad/s)30利用 SolidWorks完成该活塞压缩机的三维实体建模，运动部件的三维实体模型如图 1所示，主机部件的三维实体模型如图2所示。

3 仿真前的准备工作(1)添加约束 ：在 SolidWorks Motion中可以1.-级活塞组件2.曲轴组件3.连杆组件4.十字头组件5.二级活塞组件图 1 运动部件的三维实体模型2013年0l期(总第237期) 德 e&Ml1iten 击-，1.-级压缩缸组件 t砖萱2- . 中体组祥/ 3. 机身组件4.运动部件5.二级压缩缸组件图2 主机部件的三维实体模型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；零件的材料属性 ，也会反映到SolidWorks Motion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。

(2)添加马达：马达可以控制-个构件在-段时间的运动状况，它规定了构件的位移、速度和加速度为时间函数。对于该活塞压缩机， 马达类型选择 旋转马达]， [零部件/方向选择曲轴主轴颈圆柱面，方向为顺时针方向，等速，1800 r/min。

(4)添加作用力：对于活塞压缩机，需要对 2只压缩缸分别添加气体力，气体力示功图如图3、4所示 。

/ 100 200 300循环角度(。)- 级压缩缸气体力示功图：/ 。

./ 100 200 300循环角度(。)图 4 二级压缩缸气体力示功图无需专门添加惯性力载荷(包括往复运动惯性-2013年0l期(总第237期)力和旋转运动惯性力)，它们将由所施加的曲轴转动角速度和SolidWorks Motion计算得到的各构件质量分布情况，自动施加给相应机构。

4 运动学仿真活塞式压缩机的运动学计算是压缩机设计过程中应进行的基本设计计算。运动学就是研究和计算活塞压缩机活塞的位移、速度和加速度与曲轴转角及几何参数之间的关系。

在 SolidWorks Motion中运行仿真后，得到的-级活塞质心的位移、速度和加速度如图 5 7所示。

盲 O暴8I1791772。 753图5 -级活塞质心的位移l萋堇：1- l图 6 -级活塞质心的速度、/.、/、时间(s)图 7 -级活塞质心的加速度活塞速度和加速度的近似计算公式活塞速度V-rio(sinc sin2a)活塞加速度0r∞ (cosaAcos2a)计算得 ：当曲轴转角 ：O。时 ， 0；01624534.5 mm/s ；当曲轴转 角 ot90。时 ， ：7181.9 mm/s；a-270755.8 mm/s 。

将仿真结果用 CSV格式输出后得：当曲轴转角Ot：OO时，vO；a1632277.6 mm/s ；当曲轴转角o9O。时，v7228.7 mm/s；a260905.1 mm/s 。

从上面的验算结果可以看出：速度误差率约为O.65%，加速度误差率约为 0.48%，仿真结果与按照近似公式计算的速度、加速度存在很小的误差。

5 动力学仿真动力学仿真主要是计算活塞压缩机各运动部件的受力情况。动力学仿真主要结果如图 8-13所示 。

6 结语从上面的仿真结果可以看出，运用 SolidWorks进行三维实体建模，再运用 SolidWorks Motion进图8 -级连杆大头与曲轴轴颈之间在气缸轴线方向的反作用力图9 -级连杆大头与曲轴轴颈之间在气缸轴线垂直方向的反作用力善暖图1 0 -级连杆小头与十字头销在气缸轴线方向的反作用力42l i瓣 翘图 1 1 -级连杆小头与十字头销在气缸轴线垂直方向的反作用力图 12 活塞压缩机消耗的功率百 ，lz，u1l34528Z756357378186唧 l50.O5时间(s)图 13 活塞压缩机的驱动力矩行活塞压缩机的运动学和动力学仿真，可以方便快捷地完成活塞压缩机的运动学和动力学仿真计算，仿真结果是可靠的。通过仿真，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。如果改变气体力的示功图或转速 ，可以快速模拟活塞压缩机性能的变化 ，为产品设计工程师节约了大量的时间，提高了设计效率，缩短了设计周期，为产品的改进和优化带来极大的方便。