基于UG的空氣壓縮機(jī)參數(shù)優(yōu)化分析

王 功

(江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電汽車學(xué)院，江蘇 揚州 225101)

0 引言

作為氣源裝置的主體設(shè)備，空氣壓縮機(jī)在現(xiàn)代化設(shè)備中起著不可忽視的作用。我國農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化設(shè)備發(fā)展，使得空壓機(jī)行業(yè)市場規(guī)模隨之迅速增長。空氣壓縮機(jī)的種類繁多、功能實現(xiàn)效率不一，應(yīng)用場合也各有不同，從起初的往復(fù)式壓縮機(jī)、螺桿式壓縮機(jī)至渦旋式壓縮機(jī)的演變，農(nóng)機(jī)化設(shè)備中均有體現(xiàn)。圖1為某農(nóng)用設(shè)備上配套使用的空氣壓縮機(jī)三維剖面圖。通過查閱資料可知，國內(nèi)外學(xué)者多年來致力于不斷提升空壓機(jī)的作業(yè)效率、后期維護(hù)便捷度與投入成本等性能指標(biāo)好深入探討取得了一定的成果。筆者以空壓機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)布置及設(shè)計最優(yōu)化為目標(biāo)，從應(yīng)用廣泛的智能化設(shè)備儀表控制和自動化裝置角度出發(fā)，利用可給出三維實體造型及后續(xù)處理加工的大型UG NX7.5仿真軟件，對空氣壓縮機(jī)核心部件的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計與分析，以期獲取更加符合應(yīng)用實際、提高壓縮效率的空氣壓縮機(jī)最佳參數(shù)組合。

1 空氣壓縮機(jī)工作原理

空氣壓縮機(jī)工作原理：通過在一端施加一定的機(jī)械能，驅(qū)動機(jī)械部件產(chǎn)生相對運動，從而改變某一固定空間裝置的容積，實現(xiàn)對空氣或其他氣源的體積的壓縮過程。衡量空氣壓縮機(jī)的兩大技術(shù)指標(biāo)為工作壓力和流量兩大參數(shù)。擬設(shè)計優(yōu)化的空氣壓縮機(jī)為渦旋式，主要構(gòu)件包括定盤、動盤、軸承、電機(jī)、曲軸、氣缸及閥組件等，特點在于只有渦盤進(jìn)行運動嚙合而存在的磨損極少，較其他型式的空壓機(jī)而言具有壽命長、噪音小及壓縮能效高等優(yōu)勢。其核心技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 空氣壓縮機(jī)三維剖面圖Fig.1 Three-dimensional profileFigure of the air compressor表1 空氣壓縮機(jī)核心技術(shù)參數(shù)Table 1 Core technical parameters of the air compressor

參數(shù)名稱單位參數(shù)值型號OX-1.6/10產(chǎn)氣量m3/min1.65排氣壓力MPa1.0電動機(jī)功率kW11

續(xù)表1

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 理論模型

根據(jù)渦旋式空氣壓縮機(jī)的運動機(jī)理，結(jié)合渦盤容積隨工作過程不斷變化的規(guī)律，依據(jù)圖2所示的空氣壓縮機(jī)圓漸開線參數(shù)關(guān)系，建立理論模型為

(1)

(2)

(3)

式中φ—空壓機(jī)定盤渦旋線外端展角；

α—空壓機(jī)內(nèi)渦旋初始角度；

rb—空壓機(jī)基圓半徑；

pb—空壓機(jī)渦齒節(jié)距；

gb—空壓機(jī)渦齒齒寬；

gw—空壓機(jī)渦齒齒槽；

xin、yin—內(nèi)渦旋面投影；

xout、yout—外渦旋面投影；

ζin—內(nèi)渦旋線展開長度；

ζout—外渦旋線展開長度。

圖2 空氣壓縮機(jī)渦齒漸開線Fig.2 The involutes line on vortex teeth of the air compressor

考慮空壓機(jī)進(jìn)行實壓縮過程中容腔與排氣腔的關(guān)系，進(jìn)一步修正各渦圈的端面參數(shù)，使得非同步的排氣熱力學(xué)規(guī)律與泄露通道、排氣總面積分配等相協(xié)調(diào)，選定比功率為目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化圓漸開線節(jié)距、渦旋圈的數(shù)目及背壓位置角度等關(guān)鍵參數(shù)，利用三維實體造型軟件UG進(jìn)行渦盤物理建模。

2.2 物理模型

空氣壓縮機(jī)的核心部件-渦盤主要由定、動兩部分組成，兩者之間的裝配角度相錯180°。利用UG提供的強(qiáng)大智能建模功能，給出后臺輸入?yún)?shù)化的控制程序，經(jīng)系列復(fù)雜計算后生成所需的部件實體造型，圖3為空氣壓縮機(jī)參數(shù)優(yōu)化程序設(shè)計的原理。通過預(yù)設(shè)基本幾何參數(shù)，作為模板文件，在UG配置的核心模式下自動進(jìn)行設(shè)計匹配，圓漸開線取值P=17～19mm，渦旋的圈數(shù)取值N=2.65～3.05，渦旋的高度取值H=22～25.8mm，背壓位置角度取值β=36°～70°。圖4和圖5為通過此法獲取的空壓機(jī)定盤、動盤三維模型。

圖3 空氣壓縮機(jī)參數(shù)優(yōu)化程序設(shè)計原理圖Fig.3 Design principle diagram on parameter optimization program of air compressor

圖4 基于UG的空壓機(jī)定盤三維模型Fig.4 3D model of the fixed disk on air compressor based on UG

圖5 基于UG的空壓機(jī)動盤三維模型Fig.5 3D model of the dynamic disk on air compressor based on UG

3 試驗

3.1 前置條件

結(jié)合空氣壓縮機(jī)動態(tài)測試軟件流程(見圖6)與空壓機(jī)試驗裝置布置(見圖7)，從左至右依次可表述為：通過電機(jī)給定源動力，儲氣罐提供氣源，研究對象旋渦空氣壓縮機(jī)運作。此過程中，通過壓差變送、儀表柜及控制啟動柜將信息匯至工控機(jī)進(jìn)行關(guān)鍵控制參數(shù)的測定對比。

此試驗過程中，擬控制的參數(shù)為：空氣壓縮機(jī)進(jìn)出口溫度、空氣壓縮機(jī)進(jìn)出口流量、電機(jī)的功率、氣源裝置的壓力等。

圖6 空氣壓縮機(jī)動態(tài)測試軟件系統(tǒng)流程Fig.6 Dynamic test software system process of the air compressor

圖7 空氣壓縮機(jī)試驗裝置連線圖Fig.7 Test device connection diagram of the air compressor

3.2 試驗分析

利用目標(biāo)函數(shù)與控制基數(shù)，選定比功率PQ為目標(biāo)函數(shù)，即

f(X)min=f(P,N,H,β)=PQ

(4)

通過測定外部參數(shù)，進(jìn)而判斷空氣壓縮機(jī)最優(yōu)參數(shù)組合。

由表2計算數(shù)據(jù)統(tǒng)計可知：序號3的參數(shù)組合可以得到最小的比功率值，為最佳參數(shù)組合。同時，得出整體空氣壓縮機(jī)的性能參數(shù)對比(見表3)，在同等的電動機(jī)給定功率基礎(chǔ)上，在排氣壓力一定時，空壓機(jī)內(nèi)部參數(shù)的組合優(yōu)化，產(chǎn)氣量可以由優(yōu)化前的1.65m3/min提高至1.87m3/min，大大提高了壓縮機(jī)的工作效率。

表2 空氣壓縮機(jī)優(yōu)化計算數(shù)據(jù)統(tǒng)計Table 2 Optimization computational data statistics of the air compressor

表3 空氣壓縮機(jī)優(yōu)化前后試驗對比Table 3 Test comparison on the before and after optimization of the air compressor

4 結(jié)論

1)根據(jù)農(nóng)用機(jī)械用空氣壓縮機(jī)的工作原理及特點，建立型號OX-1.6/10的渦旋空壓機(jī)核心部件優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，利用三維實體造型及后續(xù)加工處理軟件UG給出定盤、動盤的物理模型。

2)建立漸開線節(jié)距、渦旋圈數(shù)、渦旋體的高度、背壓位置角與空氣壓縮機(jī)比功率之間的函數(shù)關(guān)系，利用數(shù)值處理與優(yōu)化思想，得出最佳的內(nèi)部參數(shù)組合。

3)分析了空壓機(jī)渦旋型線角度展開，通過改進(jìn)參數(shù)，優(yōu)化型線以獲取該型號空氣壓縮機(jī)的排氣量，搭建測試試驗平臺，得出經(jīng)優(yōu)化后壓縮機(jī)的排氣量提高至1.87m3/min，在保證基礎(chǔ)條件前提下效率提高10%以上。通過軟件仿真、實地測驗共同驗證了此優(yōu)化的可行性，為其他類似空壓機(jī)改善提供借鑒思路，值得推廣。