星型空压机曲柄连杆机­构动力学特性分析

Chinese Journal of Ship Research - - NEWS -

2,吴海平3,石迎潮1李超博 ,楼京俊

1 430033海军工程­大学 动力工程学院,湖北 武汉2 430033海军工程­大学 舰船与海洋学院,湖北 武汉3 266042海军潜艇­学院 动力操纵系,山东 青岛 摘 要:[目的]相对于其他类型的空压­机,往复式空压机能够获取­更高压力的压缩空气,因而曲柄连杆机构的3­受力较大。[方法]对比分析 种结构形式的星型往复­式空压机惯性力和力矩­的特点,得出该型空压机对惯性­力有良好的自平衡能力,能在一定程度上减小惯­性力矩。建立曲柄连杆机构虚拟­样机,将推导的活塞受力构S­PLINE IMPACT造 曲线加载到活塞质心,分别将曲轴和连杆柔性­化,并将基于 函数的接触碰撞力模型­嵌入到ADAMS虚拟­样机中。[结果]动力学仿真结果表明:该型空压机能够自平衡­二阶惯性力,曲轴相对于连杆更趋近­于柔性体,间隙运动副的存在会抑­制某些频率点的振动,但会大大拓宽激振频带。[结论]该分析结果可为空压机­的设计提供参考。 关键词:空压机;曲柄连杆;ADAMS虚拟样机;动平衡;间隙运动副中图分类号:U664.5 文献标志码:A DOI:10. 19693/j.issn.1673-3185. 01114

Dynamic characteri­stic analysis of crank connecting rod mechanism in star-type air compressor

LI Chaobo1,LOU Jingjun2,WU Haiping3,SHI Yingchao1 1 College of Power Engineerin­g,Naval University of Engineerin­g,Wuhan 430033,China 2 College of Naval Architectu­re and Ocean Engineerin­g,Naval University of Engineerin­g,Wuhan 430033,China 3 Power Control Department,Naval Submarine Academy,Qingdao 266042,China Abstract:[Objectives] Compared with other types of air compressor,reciprocat­ing compressor­s can obtain compressed air with a higher pressure,exerting more stress on the crank connecting rod mechanism. [Methods]This paper analyzes the inertia force and torque characteri­stics of the three structural forms of the star-type reciprocat­ing air compressor. It then concludes that the air compressor has a good self-balance ability of inertial force while also reducing inertial torque to a certain extent at the same time. A virtual prototype of a crank connecting rod mechanism is built. The derivation of the force on the piston is acquired in order to construct a SPLINE curve,which is loaded on the centroid of the piston. With a flexible crankshaft,the contact force model of the IMPACT function is added between the crank pin and connecting rod.[Results]The dynamic simulation results show that the air compressor can self-balance second-order inertial force. Clearance will decrease the vibration of the air compressor to a certain extent, but will greatly broaden the excitation frequency band. [Conclusion­s] The findings of this paper can provide valuable references for the design of air compressor­s. Key words: air compressor; crank connecting rod; ADAMS virtual prototype; dynamic balance; clearance motion pair

0引言

空压机作为生产压缩空­气的动力机械,是现代舰船气动系统的“心脏”。高压空气主要用于启动­柴油机和倒车、发射雷弹、吹除压载水舱、加强海损邻舱等,还用于气动操纵通海阀­和通气阀,接通和断开气动工具、操纵火炮等。目前,主流的大、中型空压机类型有往复­式、离心式和螺杆式,对于需要超高压空气的­场合,往复式空压机具有一定­的优势[1]。对曲柄连杆机构而言,往复式空压机在运转过­程中,主要有压缩气体产生的­气体力、机构运动过程中产生的­惯性力和力矩、运动副处的摩擦力。通过合理配置空压机列­的结构、优化平衡铁配重或添加­合理的支撑,可在一定程度上平衡惯­性力和力矩。马瑞红等[2]对全平衡式空压机进行­了研究,得出该型空压机能够完­全平衡惯性力,但3]对惯性力矩无法完全平­衡的结论。宋忠尚[ PY40V2型空压机­平衡重的重量和尺寸进­行了设计,并对其振动噪声性能进­行了预测。刘成武[4]对大型往复式压缩机的­动力学特性进行了分析,重点分析了曲轴的强迫­振动特性,并结合边界元和有限元­的方法,建立了整机噪声预测模­型。为使动力学模型更加准­确,黄华军等[5-8]对运动副进行了建模分­析,考虑轴承弹性、阻尼、油膜、接触碰撞等因素,获得了相对精确的结果。压缩机的结构形式直接­影响曲轴的动平衡,大型往复式压缩机多采­用卧式曲轴,类似星型立式曲轴的压­缩机比较少见,相关的理论研究还处于­起步阶段。曲柄连杆机构的动平衡­对压缩机减振设计尤为­重要,运动副的运转情况更是­直接影响整机振动。本文将以某型星型空压­机曲柄连杆机构为3研­究对象,对比分析 种结构形式星型连接方­式惯性力和力矩的特点。根据空压机压缩气体的­相关规律,运用解析的方法推导活­塞受力情况。ADAMS在 软件中建立虚拟样机,分析平衡铁对动平衡的­影响和惯性力的自平衡­情况,然后将活Matlab SPLINE塞受力的 数据,构造 曲线加载到活塞质心,采用柔性化曲轴,并嵌入间隙运动副动力­学模型,分析间隙运动副模型的­添加对主轴承 支反力的影响。

1 空压机结构形式

1图 所示为曲柄连杆机构示­意图。对于四级1压缩的压缩­机,传统的曲柄连杆组成形­式如图(a)~图 1(b)所示,本文研究的压缩机结合­了两者1(c)所示,其中1~4的特点,其组成形式如图 表示3活塞销的位置。将 种方案的惯性力和力矩­进行1所示[1]。表中:m对比,结果如表 为旋转不平衡r质量;m 为往复运动质量;r 为曲柄半径;ω为曲s轴旋转角速度;θ 为曲柄转角;λ为曲柄连杆长度2 3比;a ,a3分别为方案 和方案 相邻两列连杆的2轴向­距离,在进行方案对比时暂且­认为它们取值1相等。从表中可以看出,方案 主要存在惯性力, 2 3方案 和方案 主要存在惯性力矩。相对于方案2 3而言,方案 的各列曲柄间距进一步­缩小,能更大限度地减小惯性­力矩。

2 活塞受力

空压机气体力的计算最­早是采用图解的方法,Matlab作为一个­强大的数据处理软件,通过解析的方法计算气­体力显得更加方便。空压机一个~工作循环包括压缩、排气、膨胀和吸气,P1 P 分4别表示各个阶段对­应的气体力,对应的曲柄转角0°~27°,27°~180°,180°~295°,295°~360°,分别为满足如下关系式[1]: S + Sc (1) P1 = ( )k P s′ A S + Sc x (2) P 2 = P s′ A Sc (3) P =( )mP A ′ 3 d S + Sc x (4) P 4 = P d′ A P s′ P (5) λ = = d′ p Ps Pd式中: S 为活塞总行程; S 为活塞实际行程; Sc x P ,P 分别为吸、排气公称压力;为′余隙容积; s d P s ,P d′分别为考虑压力损失后­的实际吸、排气压力;λ 为压力系数;A为气缸横截面积;k 为绝热p系数;m为多变系数。轴侧气体实际上为大气­压力,摩擦力 f0 一直180°与气体力的方向与活塞­的运动方向相反,前180°与气体力的方向相反,用相同,后 N 表示指id示功率,则

k P d′ ε + εd k -1 N = 1.634P sV λ 1[( (6) k s ) - 1] id t v k - P s′ 2εs

η1m 0.6N ( - 1) ´ 60 ´ 102 id 7 f0 = ( ) 4rω 1 ε 8 λ = 1 - S c( εm - 1) ( ) s v εd式中:V 为活塞的行程容积;λ 为容积系数; ηm t v为机械效率;ε 为公称吸气状态下气体­的压缩性s系数;εd 为公称排气状态下气体­的压缩性系数;ε为压比。查 阅 相 关 标 准 ,取 λ = 0.95 , k = 1.4 , p m = 1.4 ,η = 0.92 ,ε = εd ,ε = 4.325 。由以上公m s 2)。式,计算得到动力计算图(图 在虚拟样机中赋予质量­属性后,可自动计算惯性力。不考虑惯性3)。各级气缸的气体压强不­力,得到综合活塞力(图同,通过设计活塞头面积,使得各级压力尽量相等。

3 曲柄连杆虚拟样机 3.1 建立模型

113该型空压机曲柄­连杆机构共有 个零件, 4连杆、4 1 9将其简化为活塞和 曲轴,共计 个零部CATIA件。用 建立三维装配体模型,模型保存为stp SOLIDWORKS *. x_t格式文件后,导入 另存为Parasol­id格式文件,从而得到 实体。将实体导入ADAMS/View 中,不同部件之间用移动副­和转动副相连接,平衡铁与曲轴固定,曲轴转速为1 480 r/min,添加相应驱动,得到ADAMS虚拟样­4所示[9-11]。其中,活塞质量定义为相等,机如图5kg ADAMS steel均为 ,连杆和曲轴都是赋予 中 材3.96 kg,三、四料属性得到,一、二级连杆质量均为3.98 kg,曲轴质量为33 kg。级连杆质量均为

3.2 动平衡

空压机曲轴所受惯性力­分为旋转惯性力和往复­惯性力,其中旋转惯性力不存在­高阶的情况。由于连杆的往复运动和­回转运动同时存在,因而产生了高阶往复惯­性力。把各部件设定为刚性体,并假定平衡铁的位置和­形状不变,质量可变。考虑到结构的对称性,把主轴承 x 方向受力的 Fx作为其所受合力进­行研究。通过虚拟样机仿真,可得到主轴承 x 方向受5)。从图中可以力幅值与平­衡质量m的关系(图看出,平衡铁存在一个最优质­量,在设计阶段,应该尽可能去接近这个­平衡质量。在平衡铁取得最优质量­的情况下,得到主轴承 x 方向受力频域图6)。虽然理论上该型空压机­的惯性力为0,但(图在工程实际中,不能保证活塞质量和连­杆质量完0.5 mm,全相等,三、四级连杆要比一、二级连杆厚因而会出现­惯性力不平衡的情况。该型空压机的惯性力主­要集中在前三阶,四阶及以上可忽略不计。由于活塞圆周布置对二­阶惯性力有着良好的自­平衡能力,所以动平衡应主要考虑­一阶和三阶惯性力。

3.3 柔性化

3 ADAMS将图 得到的综合活塞力在 软件中 SPLINE构造 曲线,加载到活塞质心,方向沿气体膨胀时活塞­的运动方向。采用四面体单元将曲轴­3 574和连杆柔性化,曲轴划分为 个单元,一、二级980连杆划分为 个单元,三、四级连杆划分为1 056 4个单元。单独将 根连杆柔性化,得到如图7 8所所示受力图;单独将曲轴柔性化,得到如图2示受力图。从 幅图中可以看出,连杆柔性化时,主轴承的受力基本没有­变化,曲轴柔性化时,主轴

承的受力发生了一定程­度的变化,这说明曲轴比连杆更趋­近于柔性体。在运动的初始阶段,柔性体力的传递有一个­过程,驱动带动的运动需要经­过短时加速阶段,所以初期主轴承的受力­较大。而刚性体则认为力和位­移都是瞬时传递的,从运动开始便进入稳态。

4 含运动副间隙动力学模­型

由于制造、装配误差和磨损,运动副间隙总是 存在。间隙会引起运动副关节­存在脱离接触的 情况,等到再次接触时会触发­碰撞,引起冲击载

荷,并有可能造成运动副磨­损加剧或破坏失效。ADAMS IMPACT软件内置­有 碰撞函数,该函数计算接触力的表­达式为[12]

Fn = Kδn + step(δ 0 0 δ C max) dδ ; δ >0 max 9 dt ( ) 0 ;δ 0 step(δ 0 0 δ max C max) = 0 ; δ 0 C ( δ )(3 -2 δ ); 0 < δ < δ max max δ δ maxC max ; δ  δ max max

式中: K 为碰撞刚度;δ 为运动副接触面的穿透­深度;dδ 为碰撞的相对速度;n为碰撞力指数;C dt为阻尼系数。在建立运动副碰撞间隙­的同时,考虑摩擦作COULO­MB ADAMS用,将 摩擦模型嵌入到 分析软件中,以更加全面地研究运动­副间隙对主轴承支4反­力的影响[13]。本文仅在曲柄销和 个连杆大端2之间添加­了间隙模型,仿真参数设计如表 所示。 9图 为无摩擦间隙转动副模­型主轴承受力频3域图。由图可见,前 阶惯性力依然比较明显,间200~400 Hz隙模型使得主轴承­在 处出现宽频带10激励­力。图 为有摩擦间隙转动副模­型主轴承9 225 Hz受力频域图。对比图 可以发现, 处及之2后的 个频谱峰值都有所下降,除转频及其倍频外,其他频率下的频谱峰值­都是由于间隙及摩擦的­存在而产生,激振频带明显比无摩擦­时要宽。为验证计算的真实性,通过实验进行验证。4 脚(1#~4#)通将空压机 个机 过搭载隔振器与基 4座相连接,采集 个机脚的垂向振动加速­度a,得11到空压机机脚加­速度频谱如图所示。从图中200~400 Hz可以看出,在 频段处出现了振动加强­的情况,这与仿真得到的主轴承­受力在该频段内出现增­强的情况相符。

5结论

本文以星型空压机曲柄­连杆机构为研究对象,考虑气体力和运动副间­隙,建立了虚拟样机,通过动力学仿真,可得到如下结论: 1)该型空压机相对于传统­结构形式的星型压缩机­能够更好地平衡惯性力,并最大程度的减小惯性­力矩;尤其对于二阶惯性力,该机构具有良好的自平­衡能力,动平衡设计主要考虑一­阶和三阶惯性力即可。2)考虑柔性效应的动力学­模型更接近空压机的实­际工作情况,对该机型而言,连杆的柔性化对主轴承­受力的影响可以忽略不­计,曲轴柔性化对主轴承受­力有一定的影响。3)间隙摩擦的存在对主轴­承受力的影响较

大,通过合理设置接触模型­的相关参数,可以得出中、高频的振动能量极有可­能是由运动副的相互4­作用产生。通过实测 个机脚的振动数据,在一定程度上验证了所­建动力学模型的正确性。

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图1 曲柄连杆机构示意图F­ig.1 Schematic diagram of crank connecting rod mechanism

Fig.2 2图 活塞动力计算图Pis­ton power calculatio­n drawing

图4 ADAMS虚拟样机模­型Fig.4 ADAMS virtual prototype model

3图 综合活塞力图Fig.3 Synthetic piston force

Fig.7 图7 连杆柔性化前、后主轴承受力Main bearing force before and after connecting rod flexibilit­y

Fig.8 图8 曲轴柔性化前、后主轴承受力Main bearing force before and after crankshaft flexiblili­ty

Fig.5 图5 主轴承受力幅值与平衡­质量的关系Relat­ionship between main-bearing stress amplitude and equilibriu­m mass

Fig.6 图6曲轴旋转副受力频­域图Frequenc­y domain stress diagram of crankshaft revolution joint

Fig.9 图9 无摩擦间隙转动副模型­主轴承受力Main bearing force of revolute joints clearance model without friction

10图 有摩擦间隙转动副模型­主轴承受力Fig.10 Main bearing force of revolute joints clearance model with friction

11图 实测空压机机脚振动加­速度Fig.11 Foot vibration accelerati­on of air compressor measuremen­t

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