基于Solidworks的往復式活塞壓縮機虛擬設計與研究

柏子剛

（桂林電子科技大學信息科技學院， 廣西　桂林　541004）

引言

隨著工業水平的不斷提高，各行各業對活塞壓縮機的需求也不斷增加，活塞壓縮機的種類及結構型式也呈現出多樣化的趨勢。同時計算機輔助設計（CAD）技術和虛擬現實（VR）技術相結合的虛擬樣機技術得到不斷發展[1]。本文以兩缸往復式活塞壓縮機為例，利用大型CAD／CAE集成化軟件Solid-Works設計系統，對活塞壓縮機進行設計，并通過SolidWorks Simulation對氣缸、曲軸等主要零部件的可靠性和安全性進行了有效分析，上述設計方法可以很好地實現壓縮機的虛擬設計，并可縮短活塞壓縮機的設計周期和有效提高設計質量。

1　虛擬設計系統組成

通常壓縮機虛擬設計系統包括總體結構設計模塊、熱力計算模塊、動力計算模塊和零件設計模塊，如圖1所示[2]。

1.1　活塞壓縮機總體結構設計

壓縮機的型式、級數和列數、各級氣缸在列中的排列和各列間曲柄角的排列是決定活塞壓縮機整體結構方案的三個主要因素。因此在確定活塞壓縮機總體結構方案時，要綜合考慮壓縮機的用途、排氣量和排氣壓力、運轉條件、生產的可能性、驅動方式以及占地面積等條件。綜合考慮以上因素，先確定壓縮機的型式和級數，逐步定出總體結構方案。

1.2　熱力計算

熱力學計算分為等壓力比計算和不等壓力比計算兩種形式。多級壓縮過程中，常按等壓力比計算，這樣各級消耗的功相等，壓縮機的總耗功也最小。利用總體結構設計中的有效數據信息，比如：排氣量、排氣壓力、壓縮機類型等，確定出壓縮機各級排氣溫度，各級壓縮性系數及各級的6大系數（容積系數、壓力系數、溫度系數、泄露系數、抽氣系數、凝析系數），進而確定各級氣缸行程容積、各級氣缸行程等，從而選擇合理的電動機[3]。

1.3　動力計算

活塞壓縮機動力計算主要是分析活塞組件的運動特性，分析氣缸內氣體壓力隨活塞行程位移及按曲柄轉角而變化的規律，從而獲得活塞式壓縮機的慣性力、活塞力、氣體力、切向力和連桿力等[4]。活塞壓縮機是將曲柄的回轉運動轉化為活塞的往復直線運動，所以在運動過程中振動是不可避免的，為了減少振動，對活塞壓縮機的慣性力平衡計算以及振動分析變得尤為重要。因此慣性力平衡計算及振動分析是壓縮機動力計算的核心。

1.4　零件設計

為了簡化活塞壓縮機的零件設計，將活塞壓縮機的零部件劃分為傳動部件設計、工作部件設計和其它部件設計三個模塊，設計時按模塊分別設計和劃分，同時為后續參數化設計做好準備工作，如圖2所示。設計過程中對整機系統的仿真分析以及關鍵零件的有限元分析日益重要，所以本文運用Solid-Works軟件直接得到壓縮機零件的3D模型，并進行重要零件的仿真及有限元分析。

2　工作部件設計

2.1　氣缸結構設計

氣缸是活塞壓縮機中主要的工作部件，也是組成壓縮容積的主要部分。氣缸不但應具有足夠的強度、剛度、良好的耐磨性，而且還要有良好的冷卻、減阻及密封性；同時還要有良好的制造工藝性和裝配工藝性。本文引入SolidWorks三維建模如圖3所示。

2.2　氣缸有限元分析

引入SolidWorks軟件的有限元分析插件Solid-Works Simulation進行校核分析。調用SolidWorks Simulation插件，具體分析過程為五個步驟：一是生成算例；二是選擇材料為灰鑄鐵；三是施加約束和壓力（對與機身連接端面施加固定約束）；四是對氣缸內壁添加最高氣體壓力P；五是劃分網格并運行結果，如圖4所示。圖4中最大應力不超出氣缸材料的許用應力即校核成功。

圖4　氣缸應力分析結果

3　傳動部件設計

3.1　曲軸結構設計

曲軸受電動機以扭矩形式輸入的動力，是活塞壓縮機中將旋轉運動變為活塞的往復直線運動的重要零件。假設曲拐垂直向上時為最大活塞力，則：最大活塞力 Fmax=F1cos45°+F2cos45°，F1、F2為兩級汽缸的活塞力。分別按照經驗公式得出曲柄銷直徑、主軸頸直徑、曲柄厚度、曲柄寬度等參數，并利用SolidWorks獲得三維模型如圖5所示。

圖5　曲軸三維模型

3.2　曲軸校核

同樣引入SolidWorks軟件的有限元分析插件SolidWorks Simulation對曲軸進行校核分析[5]。調用Simulation插件，具體過程同氣缸校核過程類似，不同之處在于施加的約束和載荷不同，對軸頸施加扭矩和對曲柄銷加載最大活塞力后的運行結果分別如圖6和圖7所示。

圖6　軸頸施加扭矩的應力分析結果

圖7　曲柄銷加載最大活塞力的應力分析結果

4　結語

本文利用SolidWorks軟件的CAD和CAE功能，采用虛擬設計技術，對兩缸往復式活塞壓縮機進行三維建模、虛擬校核及裝配等，這樣不但可以及早發現早期設計上的缺陷，降低后期制作的成本，而且還可以提高設計的可靠性，縮短壓縮機的開發周期。同時該研究說明了基于SolidWorks虛擬設計在其他產品設計上的可行性。

[1]李銳，汪小芳.基于UG的三缸活塞式空氣壓縮機的虛擬設計[J].機械工程與自動化，2008（5）：65-67.

[2]唐良寶，白亮亮.活塞壓縮機CAD設計系統研究[J].流體機械，2008（1）：43-46.

[3]韓綠霞.活塞式壓縮機計算方法的研究[D].河南:鄭州大學，2005：6-20.

[4]活塞式壓縮機設計編寫組.活塞式壓縮機設計[M].北京：機械工業出版社，1974.

[5]朱禮友.基于SolidWorks的曲軸應力分析[J].科技信息，2008（27）：441.