基于虛擬樣機的活塞式壓縮機動態特性研究

朱海榮,宋麗莉

(1.河北科技大學機械電子工程學院,河北石家莊 050018;2.重慶電子工程職業學院機電工程系,重慶 400030)

基于虛擬樣機的活塞式壓縮機動態特性研究

朱海榮1,宋麗莉2

(1.河北科技大學機械電子工程學院,河北石家莊 050018;2.重慶電子工程職業學院機電工程系,重慶 400030)

以W-0.8/12.5型活塞式壓縮機為研究對象,采用虛擬樣機軟件ADAMS對其運動機構進行三維建模和虛擬裝配,實現了壓縮機的運動學仿真,并得出準確的運動學和動力學參數曲線,為研究壓縮機動態特性提供了一種新的方法。

虛擬樣機;ADAMS;活塞式壓縮機;仿真

機械工程領域的虛擬樣機技術(virtual prototype technology),也稱為機械系統動態仿真技術,是國際上20世紀80年代隨著計算機技術的發展而迅速發展起來的一項計算機輔助工程(CAE)技術。采用虛擬樣機技術,不但可以簡化機械產品的設計開發過程,縮短產品開發周期,而且大幅減少產品的開發費用,并使產品質量顯著提高,從而獲得最優化和創新的設計產品。近年來,虛擬樣機技術在中國也有廣泛的使用和長足的發展[1]。

往復式壓縮機的運動部件有曲軸、連桿、活塞等,其動力學分析主要包括對各部件的運動與受力進行分析。運用虛擬樣機軟件ADAMS,通過建立整個運動機構的系統動力學模型,可以方便快捷地得到各種運動學和動力學參數。筆者采用ADAMS軟件對活塞式壓縮機的動態特性進行了研究。

1 機構模型建立

1.1 運動機構簡介

為了對活塞式壓縮機的動態特性進行研究,筆者以 W-0.8/12.5型活塞式壓縮機為研究對象。W-0.8/12.5型活塞式壓縮機的運動機構為兩級三列,曲軸在電機驅動下作回轉運動,通過套在曲軸上的連桿推動活塞在氣缸里作往復運動。整個運動機構共有7個轉動副,3個移動副,1個固定副,系統只有1個自由度。

1.2 運動機構虛擬建模

活塞式壓縮機虛擬樣機模型的建立是對其進行仿真和分析的前提。首先利用ADAMS軟件建立壓縮機的虛擬樣機模型,由于活塞式壓縮機的運動機構可以簡化為一個曲柄連桿活塞機構,結構比較簡單,因此在建模時可以對構件進行必要的簡化。整機模型如圖1所示,運動機構模型如圖2所示。

2 機構運動仿真

2.1 創建約束

虛擬樣機模型裝配好之后還要對其添加約束[2],這樣才能確定各零部件之間的約束關系。按照前面對壓縮機運動機構的分析,創建如下約束副:在氣缸與機架之間創建固定副(Fixed Joint);在曲軸與機架、連桿與曲軸、連桿與活塞之間創建轉動副(Revolute Joint);在活塞與氣缸之間創建移動副(Translational Joint)。

2.2 創建驅動

整個運動機構的初始運動是由曲軸開始的,運用ADAMS軟件主工具箱中的旋轉驅動命令(Rotational Joint Motion)將其施加在曲軸與機架間創建的轉動副上。設定仿真參數,曲軸轉速為960 r/min,仿真時間為0.3 s,步長為50[3]。

2.3 虛擬樣機的仿真過程

仿真過程見圖3。

圖3是從壓縮機運動機構的一個仿真運動周期中截取的4幅圖片。假定圖3a)為初始運動位置,隨著曲軸逆時針轉動,運動過程依次為圖3a)—圖3d)。這與壓縮機的實際運動規律是一致的。

3 仿真結果及分析

3.1 活塞運動學分析

ADAMS軟件提供了ADAMS/PostProcessor,以提高對仿真結果的處理能力。在ADAMS/Post-Processor中可以得到模型的一些參數曲線,如物體任意點的位置、速度和加速度曲線,以及構件的受力情況曲線等[4]。圖4—圖6分別為3個活塞在仿真運動過程中的位移、速度、加速度變化曲線圖。從圖中可以看出,3個活塞的位移、速度、加速度變化規律基本一致,但是在曲線圖上存在著一定的相位差。這是因為在壓縮機的實際運動過程中,隨著曲軸的轉動,各列活塞的運動存在著一定的超前或滯后關系,反映到曲線圖上就是存在相位差。從圖4中還可以看出,3條曲線最高點與最低點之間的垂直距離相等,這說明3個活塞的行程相等,這也與實際情況一致。因此,從仿真分析結果看,壓縮機的虛擬樣機模型具有一定的準確性。

3.2 連桿受力分析

在圖2所示的W-0.8/12.5型活塞式壓縮機運動機構模型中,兩側連桿為一級連桿,中間連桿為二級連桿。圖7a)、圖7b)分別為一、二級連桿大頭處受力曲線圖。圖中3條曲線分別是連桿在x,y,z3個方向上的受力曲線。從圖中可以看出,一級連桿和二級連桿的受力曲線形狀大致相同但也存在一定的相位差,而且連桿在活塞往復運動方向受力較大,說明往復運動慣性力要大于其他方向的力。

圖8a)、圖8b)分別是曲軸在一、二級連桿大頭處的受力曲線圖。比較圖7a)和圖8a)可以看出,在連桿大頭處,連桿和曲軸的受力是一對相互作用力,其大小相等方向相反。同理,比較圖7b)和圖8b),也可以得出類似的結論。曲線不是完全對稱主要是由于曲軸旋轉不平衡引起的,這與實際情況是相符的。

4 結 語

采用ADAMS軟件建立了精確的W-0.8/12.5型活塞式壓縮機虛擬樣機模型完成了壓縮機運動,機構的運動仿真過程,得到其運動學和動力學參數,解決了在傳統的二維設計模式下較為困難的運動學分析等問題。同時,得到的各零部件的受力數據還可以再導入有限元軟件中進行零部件的強度分析,為零部件的設計和改進提供理論依據,這些都充分顯示出虛擬樣機技術在壓縮機設計領域的強大優勢和巨大潛力[4]。

[1]鄭建榮.ADAMS-虛擬樣機技術入門與提高[M].北京:機械工業出版社,2006.

[2]王國強,張進平,馬若丁.虛擬樣機技術及其在ADAMS上的實踐[M].西安:西北工業大學出版社,2002.

[3]郝云堂,金 燁,季 輝.虛擬樣機技術及其在ADAMS中的實踐[J].機械設計與制造,2003(6):16-18.

[4]李海生,徐 超,章新喜.無油潤滑渦旋壓縮機虛擬設計的研究[J].煤礦機械,2008(4):58-60.

Study on dynamic characteristics of piston compressor based on virtual prototype

ZHU Hai-rong1,SONG Li-li2
(1.College of Mechanical and Electronic Engineering,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang Hebei 050018,China;2.Mechanical and Electrical Engineering Department,Chongqing College of Electronic Engineering,Chongqing 400030,China)

In the study of the W-0.8/12.5 type piston compressor,the virtual prototype software ADAMS is used to make the three-dimensional model and the virtual assembly of the movement mechanism so as to realize the kinematics simulation of the compressor,and the curves of accurate kinematic and dynamic parameters are achieved.It provides a new method for studying the dynamic characteristics of the compressor.

virtual prototype;ADAMS;piston compressor;simulation

TH457

A

1008-1534(2011)04-0226-04

2010-12-19

責任編輯:馮 民

河北省高等學校自然科學研究計劃資助項目(Z2010253)

朱海榮(1979-),女,河北廊坊人,講師,碩士,主要從事動力機械優化及仿真方面的研究。