程顯朋　劉冬　韓福利　王德帥　馬寧
（沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧沈陽　110869）

　　【摘　要】往復(fù)壓縮機的工作原理是通過活塞在氣缸內(nèi)進行往復(fù)運動來對氣體進行壓縮和輸送。在石油、化工、食品、新能源等行業(yè)的生產(chǎn)中，往復(fù)壓縮機被廣泛的應(yīng)用并發(fā)揮著重要的作用。往復(fù)壓縮機傳動機構(gòu)的動力學性能受多方面因素的影響，其中以運動副間隙對傳動機構(gòu)的動力影響Z為直接。本文通過建立往復(fù)壓縮機運動模型和傳動機構(gòu)多體動力學模型，并通過工況仿真，對往復(fù)壓縮機的傳動機構(gòu)動力學進行研究和分析。

　　【關(guān)鍵詞】往復(fù)壓縮機；運動副間隙；傳動機構(gòu)；動力學
　　1　往復(fù)壓縮機概述
　　隨著社會生產(chǎn)的不斷發(fā)展，往復(fù)壓縮機在多個行業(yè)領(lǐng)域中被加以應(yīng)用，涉及到石油、化工、冶金、汽車、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)壓縮機是通過活塞在氣缸內(nèi)進行往復(fù)運動來對氣體進行壓縮和輸送，其可以根據(jù)生產(chǎn)需要的壓力大小，做成單級或者多級的往復(fù)壓縮系統(tǒng)。同時為了達到受載均勻的目的，往復(fù)式壓縮機可以做成單列也可以做成多列。作為生產(chǎn)中的動力源，往復(fù)式壓縮機以其壓縮效率高、壓力范圍廣等優(yōu)勢特點，受到行業(yè)的認可并廣泛的推廣應(yīng)用。往復(fù)式壓縮機的傳動機構(gòu)在長期運行使用中，運動副的間隙不斷增加，間隙過大對傳動機構(gòu)的動力會造成直接的影響。在機械系統(tǒng)中，運動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，但是在實際應(yīng)用的過程中運動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。間隙過大必然會使往復(fù)壓縮機在運行的過程中產(chǎn)生明顯的噪音和振動，從而影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，降低生產(chǎn)精度，縮短使用壽命。針對動力學的影響因素，已經(jīng)引起國內(nèi)外專家和學者的關(guān)注，并對此問題加大了研究力度。專家學者專門對間隙引起的運動副碰撞問題、對機械系統(tǒng)動力學的影響問題以及沖擊響應(yīng)進行深入的研究。
　　2　往復(fù)壓縮機運動模型

　　參見上圖1為往復(fù)壓縮機運動模型監(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，以保證活塞桿在運行的過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論是向上運動還是向下運動都保持在能夠測定的范圍之內(nèi)。在地面上利用支架將鍵相傳感器固定其上，與曲軸呈正對方向，鍵相觸發(fā)點為氣缸上的止點。

　　假設(shè)活塞組件到上方止點的位移為Y，曲軸半徑為R，連桿的長度設(shè)定為L，曲軸中心點和十字頭中心點之間的位移距離為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)壓縮機傳動機構(gòu)動力學模型
　　3.1氣缸壓力載荷模型
　　本文研究的往復(fù)壓縮機傳動機構(gòu)，是基于ADAMS軟件的模型函數(shù)。氣缸的循環(huán)過程是余隙膨脹→吸氣→空氣壓縮→排氣。本文模擬的往復(fù)壓縮機的設(shè)定活塞行程為240mm，進氣的壓力和排氣的壓力分別為0.1MPa和0.9MPa。將原點為上點，取X軸的正向，自變量為活塞的位移距離，利用ADAMS軟件并按照熱力學方程進行氣缸模擬，建立了四個不同氣缸壓力的循環(huán)過程并對活塞桿端部發(fā)生作用。
　　3.2機體與連桿柔性體模型
　　為了能夠更好的開展連桿對往復(fù)壓縮機傳動機構(gòu)動力性的作用的研究，本文研究通過ANSYS有限元軟件進行機體與連桿柔性體模型的建立。對各個階段機體和連桿的頻率和表現(xiàn)的特征進行模態(tài)的計算。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)的部件進行連接固定Z終形成柔性體模型。為了達到仿真的效果，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
　　為了能夠更好的對往復(fù)壓縮機傳動機構(gòu)的動力學的影響因素進行研究和分析，本文對建立的傳動機構(gòu)進行仿真試驗，以期通過對動力性響應(yīng)的狀態(tài)進行性能影響因素的分析。
　　（1）種工況：設(shè)0.2mm的間隙，曲軸轉(zhuǎn)速調(diào)至300r，氣缸呈無載荷的狀態(tài)，然后開始進行仿真試驗。在仿真的過程中，因為大部分的時間軸心軌跡不在圓內(nèi)，因此運動副呈現(xiàn)出連續(xù)接觸的模式。在沒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機體加速度沖擊量也較大。
　　（2）第二種工況：在種工況的基礎(chǔ)上增加了氣缸壓力載荷。轉(zhuǎn)動副呈碰撞、連續(xù)接觸、自由運動三種模式，接觸變形更大，這與增加了氣缸壓力載荷直接相關(guān)。由于傳動副手到的壓力荷載要遠大于部件運行產(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，也正因為沖擊力的增加，加速度方面也有所增加。由此可見，提高曲軸轉(zhuǎn)速，可以使運動副接觸力和整個傳動機構(gòu)機體的加速度增加。在此基礎(chǔ)上將間隙進一步進行加大的調(diào)整，其產(chǎn)生的沖擊更大，這是因為間隙的加大促進了穿透速度的提高產(chǎn)生的結(jié)果。
　　經(jīng)過仿真試驗可知，往復(fù)壓縮機傳動機構(gòu)動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)速以及運動副間隙的影響Z大也Z為直接。

　　參考文獻
　　[1]李連生，唐斌.往復(fù)壓縮機曲軸變工況條件下有限元分析[J].流體機械，2012.
　　[2]苗剛.往復(fù)活塞式壓縮機關(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，2012.

來源：《科技視界》2015年02期