往復(fù)壓縮機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析

程顯朋 劉 冬 韓福利 王德帥 馬 寧

（沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110869）

1 往復(fù)壓縮機(jī)概述

隨著社會(huì)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，往復(fù)壓縮機(jī)在多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域中被加以應(yīng)用，涉及到石油、化工、冶金、汽車(chē)、食品等行業(yè)生產(chǎn)，應(yīng)用范圍十分廣泛，發(fā)揮著十分關(guān)鍵的作用。往復(fù)壓縮機(jī)是通過(guò)活塞在氣缸內(nèi)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)對(duì)氣體進(jìn)行壓縮和輸送，其可以根據(jù)生產(chǎn)需要的壓力大小，做成單級(jí)或者多級(jí)的往復(fù)壓縮系統(tǒng)。同時(shí)為了達(dá)到受載均勻的目的，往復(fù)式壓縮機(jī)可以做成單列也可以做成多列。作為生產(chǎn)中的動(dòng)力源，往復(fù)式壓縮機(jī)以其壓縮效率高、壓力范圍廣等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，受到行業(yè)的認(rèn)可并廣泛的推廣應(yīng)用。往復(fù)式壓縮機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在長(zhǎng)期運(yùn)行使用中，運(yùn)動(dòng)副的間隙不斷增加，間隙過(guò)大對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力會(huì)造成直接的影響。在機(jī)械系統(tǒng)中，運(yùn)動(dòng)副是基本的組成部分，雖然在理論分析中常常將其假設(shè)為理想約束，但是在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中運(yùn)動(dòng)副常常存在著不同程度的間隙，這也是造成沖擊力產(chǎn)生的直接原因。間隙過(guò)大必然會(huì)使往復(fù)壓縮機(jī)在運(yùn)行的過(guò)程中產(chǎn)生明顯的噪音和振動(dòng)，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，降低生產(chǎn)精度，縮短使用壽命。針對(duì)動(dòng)力學(xué)的影響因素，已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)外專家和學(xué)者的關(guān)注，并對(duì)此問(wèn)題加大了研究力度。專家學(xué)者專門(mén)對(duì)間隙引起的運(yùn)動(dòng)副碰撞問(wèn)題、對(duì)機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的影響問(wèn)題以及沖擊響應(yīng)進(jìn)行深入的研究。

2 往復(fù)壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)模型

參見(jiàn)上圖1為往復(fù)壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)模型監(jiān)督，圖中的灰度框表示電渦流位移傳感器，其線性范圍在0.5mm至4mm之間。首先用壓蓋螺紋將傳感器支架在填料函外側(cè)固定好，然后使用螺紋將電渦流傳感器連接在支架上，在X方向與Y方向上分別裝置由電渦流傳感器，以保證活塞桿在運(yùn)行的過(guò)程中保持正確的軌跡。電活塞桿距離電渦流傳感器探頭表面保持2mm的間隙，這樣可以使活塞桿無(wú)論是向上運(yùn)動(dòng)還是向下運(yùn)動(dòng)都保持在能夠測(cè)定的范圍之內(nèi)。在地面上利用支架將鍵相傳感器固定其上，與曲軸呈正對(duì)方向，鍵相觸發(fā)點(diǎn)為氣缸上的止點(diǎn)。

假設(shè)活塞組件到上方止點(diǎn)的位移為Y，曲軸半徑為R，連桿的長(zhǎng)度設(shè)定為L(zhǎng)，曲軸中心點(diǎn)和十字頭中心點(diǎn)之間的位移距離為S，曲軸的轉(zhuǎn)角為，根據(jù)已經(jīng)的各組件的位置關(guān)系，可得出：

3 往復(fù)壓縮機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型

3.1 氣缸壓力載荷模型

本文研究的往復(fù)壓縮機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，是基于ADAMS軟件的模型函數(shù)。氣缸的循環(huán)過(guò)程是余隙膨脹→吸氣→空氣壓縮→排氣。本文模擬的往復(fù)壓縮機(jī)的設(shè)定活塞行程為240mm，進(jìn)氣的壓力和排氣的壓力分別為0.1MPa和0.9MPa。將原點(diǎn)為上點(diǎn)，取X軸的正向，自變量為活塞的位移距離，利用ADAMS軟件并按照熱力學(xué)方程進(jìn)行氣缸模擬，建立了四個(gè)不同氣缸壓力的循環(huán)過(guò)程并對(duì)活塞桿端部發(fā)生作用。

3.2 機(jī)體與連桿柔性體模型

為了能夠更好的開(kāi)展連桿對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力性的作用的研究，本文研究通過(guò)ANSYS有限元軟件進(jìn)行機(jī)體與連桿柔性體模型的建立。對(duì)各個(gè)階段機(jī)體和連桿的頻率和表現(xiàn)的特征進(jìn)行模態(tài)的計(jì)算。在ADAMS中，將柔性體選擇采用中性文件的式樣導(dǎo)入其中，然后和其它的關(guān)聯(lián)的部件進(jìn)行連接固定最終形成柔性體模型。為了達(dá)到仿真的效果，設(shè)置了1%的阻尼并將其所具有的特征模態(tài)全部加以啟用。

4 工況仿真及結(jié)果

為了能夠更好的對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)的影響因素進(jìn)行研究和分析，本文對(duì)建立的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，以期通過(guò)對(duì)動(dòng)力性響應(yīng)的狀態(tài)進(jìn)行性能影響因素的分析。

（1）第一種工況：設(shè)0.2mm的間隙，曲軸轉(zhuǎn)速調(diào)至300r，氣缸呈無(wú)載荷的狀態(tài)，然后開(kāi)始進(jìn)行仿真試驗(yàn)。在仿真的過(guò)程中，因?yàn)榇蟛糠值臅r(shí)間軸心軌跡不在圓內(nèi)，因此運(yùn)動(dòng)副呈現(xiàn)出連續(xù)接觸的模式。在沒(méi)有氣缸壓力載荷的情況下，因此接觸力的顯著減小，接觸變形也很小。中軸和軸承之間的碰撞導(dǎo)致有大量沖擊力存在同時(shí)機(jī)體加速度沖擊量也較大。

（2）第二種工況：在第一種工況的基礎(chǔ)上增加了氣缸壓力載荷。轉(zhuǎn)動(dòng)副呈碰撞、連續(xù)接觸、自由運(yùn)動(dòng)三種模式，接觸變形更大，這與增加了氣缸壓力載荷直接相關(guān)。由于傳動(dòng)副手到的壓力荷載要遠(yuǎn)大于部件運(yùn)行產(chǎn)生的慣性力，所以其接觸力幅值的增加量基本等同于壓力載荷。另外受阻尼的影響，傳動(dòng)副接觸力的沖擊逐漸減小直至消失。

（3）第三種工況：相比于前兩種工況，第三種工況將曲軸轉(zhuǎn)速提高，沖擊力比之前的工況更強(qiáng)，也正因?yàn)闆_擊力的增加，加速度方面也有所增加。由此可見(jiàn)，提高曲軸轉(zhuǎn)速，可以使運(yùn)動(dòng)副接觸力和整個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)體的加速度增加。在此基礎(chǔ)上將間隙進(jìn)一步進(jìn)行加大的調(diào)整，其產(chǎn)生的沖擊更大，這是因?yàn)殚g隙的加大促進(jìn)了穿透速度的提高產(chǎn)生的結(jié)果。

經(jīng)過(guò)仿真試驗(yàn)可知，往復(fù)壓縮機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力性能受到多方面因素的影響，其中以氣缸壓力載荷、曲軸轉(zhuǎn)速以及運(yùn)動(dòng)副間隙的影響最大也最為直接。

［1］李連生，唐斌.往復(fù)壓縮機(jī)曲軸變工況條件下有限元分析[J].流體機(jī)械，2012.

［2］苗剛.往復(fù)活塞式壓縮機(jī)關(guān)鍵部件的故障診斷方法研究及應(yīng)用[D].大連：大連理工大學(xué)，2012.