U型連桿在艦船用空壓機上的應(yīng)用研究

高順凱，張寶成，高元明，夏世銅

（1.華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，湖北 武漢；430060；2.沈陽鼓風(fēng)機集團股份有限公司，遼寧 沈陽 110869）

1 引言

高壓空壓機是海軍艦船最重要的配套設(shè)備之一，但因其采用V型往復(fù)運動機構(gòu)，運行時振動、噪聲較大，不僅影響其它艦船設(shè)備的正常工作，嚴(yán)重時還會影響到艦船的戰(zhàn)術(shù)安全，因此各海軍強國均投入較多人力物力研制低振動、低噪聲空壓機。國內(nèi)的艦船用空壓機經(jīng)過多年的不斷改進，其振動、噪聲水平已大幅降低，但仍無法滿足總體要求，急需進一步研究減振降噪辦法。在V型空壓機的各種不平衡慣性力矩中，因由連桿不在同一平面內(nèi)所產(chǎn)生的不平衡慣性力矩所占比重較小，所以常規(guī)計算時忽略不計，但此慣性力矩對艦船用空壓機的振動、噪聲仍有很大影響。本文對V型空壓機連桿慣性力矩進行深入的理論分析，并通過使用有限元分析研究應(yīng)用U型連桿結(jié)構(gòu)，降低不平衡慣性力矩的可行性，探索艦船用空壓機減振降噪的新方法。

2 模型的建立與分析

2.1 慣性力的分析與計算

一般V型空壓機的運動機構(gòu)簡化后的軸向示意圖如圖1所示。

圖1

計算I階往復(fù)慣性力：

（1） 左側(cè)列

式中F′I——左側(cè)列的I階往復(fù)慣性力

m′s——左側(cè)列往復(fù)運動質(zhì)量

r——曲柄半徑

ω——曲軸旋轉(zhuǎn)的角速度

θ——曲柄轉(zhuǎn)角

（2） 右側(cè)列

式中F"I——右側(cè)列的I階往復(fù)慣性力

m"s——右側(cè)列往復(fù)運動質(zhì)量

計算II階往復(fù)慣性力：

（1） 左側(cè)列

式中F′II——左側(cè)列的I階往復(fù)慣性力

λ——曲柄半徑連桿比

（2） 右側(cè)列

式中F"II——右側(cè)列的I階往復(fù)慣性力

2.2 慣性力矩的分析與計算

一般V型空壓機的運動機構(gòu)簡化后的徑向示意圖如圖2所示。

圖2

計算I階往復(fù)慣性力矩

式中MI——I階往復(fù)慣性力矩

b——列間距

計算II階往復(fù)慣性力矩

式中MII——II階往復(fù)慣性力矩

由于氣缸夾角γ的存在，一階慣性力F′I與F"I在曲軸各轉(zhuǎn)角位置上均不相等，二階慣性力F′II與F"II也不相等，因此I階往復(fù)慣性力矩MI與II階往復(fù)慣性力矩MII必然存在。通過純數(shù)學(xué)理論分析計算往復(fù)慣性力矩時需要對曲軸、活塞、連桿等部件簡化，由此產(chǎn)生誤差將影響慣性力矩的計算精度，故本文通過有限元分析方法計算采用U型連桿后的不平衡慣性力及力矩減小幅度。

2.3 有限元分析與計算

為了保證有限元分析更有指導(dǎo)意義，有限元三維模型是在某現(xiàn)役艦船用空壓機機型為基礎(chǔ)建立的。

原機組運動機構(gòu)的三維模型結(jié)構(gòu)見圖（3），U型連桿的三維模型結(jié)構(gòu)見圖（4）。

圖3 原機組運動機構(gòu)

圖4 U型連桿運動機構(gòu)

針對以上三維模型采取的計算步驟如下：

（1） 將原機組運動機構(gòu)的物理特征及運動參數(shù)輸入到三維模型進行計算分析，計算原機組的不平衡慣性力及力矩。

（2）假設(shè)U型連桿運動機構(gòu)的物理特征及運動參數(shù)與原機組運動機構(gòu)完全相同并進行計算分析，計算理論上的U型連桿機構(gòu)的不平衡慣性力及力矩。

（3）將U型連桿運動機構(gòu)的實際物理特征及運動參數(shù)輸入到三維模型進行計算分析，計算實際U型連桿機構(gòu)的不平衡慣性力及力矩。

計算結(jié)果如表1所示。

表1

圖5、圖6、圖7為不平衡慣性力及力矩在一個周期內(nèi)的變化曲線。

圖5 原機組運動機構(gòu)的計算結(jié)果

圖6 理論上的U型連桿運動機構(gòu)的計算結(jié)果（與原連桿質(zhì)量相等）

圖7 實際U型連桿運動機構(gòu)的計算結(jié)果（實際質(zhì)量）

3 結(jié)論

通過以上分析可知：當(dāng)U型連桿材質(zhì)與原連桿一致時，由于U型連桿的結(jié)構(gòu)比原連桿復(fù)雜，重量增加約25%，因此新機組的最大不平衡慣性力增加了253N，增幅2.77%，不平衡慣性力矩減小196865 N·mm，降幅35.6%。當(dāng)U型連桿采用新材料，并使其與原連桿具有相同質(zhì)量時，則該機組的不平衡慣性力與原機組一致，而不平衡慣性力矩減小205669 N·mm，降幅37.2%。

綜上所述，在應(yīng)用新材料降低U型連桿的質(zhì)量后，U型連桿結(jié)構(gòu)可有效降低V型空壓機的不平衡慣性力矩，從而實現(xiàn)艦船用空壓機減振降噪的目的。

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