基于Solidworks 的曲柄圓滑塊機構(gòu)仿真分析

姜慧君，金麗瓊，毛京兵，李金祿，譚躍進

（合肥通用機械研究院有限公司 壓縮機技術(shù)國家重點實驗室，安徽 合肥 230031）

一般活塞式壓縮機中的傳動方式多采用曲柄連桿機構(gòu)，該機構(gòu)具有技術(shù)成熟、加工方便等優(yōu)點，但也存在著運轉(zhuǎn)過程中慣性力不好平衡、機組振動大且不好消除的缺點。隨著人們對設(shè)備振動噪音越來越多的關(guān)注，減振降噪的要求也越來越高。曲柄圓滑塊機構(gòu)就是為了改善設(shè)備的振動噪聲而在曲柄連桿機構(gòu)的基礎(chǔ)上改進得來的，此傳動機構(gòu)消除了二階慣性力，減小了設(shè)備的振動。本文就是通過采用Solidworks里的Motion 插件，對該機構(gòu)進行運動學(xué)仿真分析，得到機構(gòu)的運動規(guī)律。

1 Solidworks Motion 仿真分析基本流程

Solidworks Motion 是Solidworks premium 版本里的一個功能強大的仿真計算插件，它使用計算能力強大的動力求解器，可以在計算中添加材料屬性和質(zhì)量及慣性，可用于精確模擬和分析裝配體上的運動狀態(tài)，還可使用它描述模擬結(jié)果供進一步分析。

Solidworks Motion 仿真分析的基本流程首先是對機構(gòu)進行建模，得到裝配體后通過對模型添加定義和約束，并對其施加力和驅(qū)動，建立一個完善的接近于真實的系統(tǒng)，進行分析仿真，最后處理分析結(jié)果并得出結(jié)論。

2 曲柄圓滑塊機構(gòu)原理分析

圖1 曲柄連桿機構(gòu)原理圖

常見的曲柄連桿機構(gòu)中有個重要的參數(shù)叫曲柄連桿比λ，為曲柄半徑r 與連桿長度l 的比值，即。在活塞式壓縮機中，曲柄連桿比對活塞的運動學(xué)影響很大。通常連桿比λ 的取值是在1/3 ～1/6，值越小表示連桿長度越長，壓縮機活塞軸向方向所需的空間越大；值越大表示連桿長度越短，機構(gòu)緊湊，但活塞上所承受的側(cè)向力會越大。曲柄連桿機構(gòu)的原理圖如1。

一般曲柄連桿機構(gòu)活塞的運動規(guī)律為：

式中，r 為偏心距，θ 為曲軸轉(zhuǎn)角。

曲柄圓滑塊機構(gòu)是從曲柄連桿機構(gòu)演變而來。當λ 的值變?yōu)? 時，曲柄和連桿的長度相等，機構(gòu)就演變成了曲柄圓滑塊機構(gòu)。曲柄圓滑塊機構(gòu)的原理圖如圖2。

圖2 曲柄圓滑塊機構(gòu)原理圖

在曲柄圓滑塊機構(gòu)中，由于連桿比λ 為1，則：

其中ω 為曲軸旋轉(zhuǎn)角速度。

3 曲柄圓滑塊機構(gòu)運動學(xué)仿真

Solidworks Motion 是Solidworks 里的一個功能強大的插件，在對裝配體添加約束、驅(qū)動及作用力后可以用于分析求解裝配體的狀態(tài)，可以得到機構(gòu)的運動學(xué)仿真。

3.1 建模

建模得到曲柄圓滑塊活塞機構(gòu)的三維裝配圖，見圖3。

圖3 曲柄圓滑塊機構(gòu)裝配圖

3.2 添加配合及驅(qū)動

在對圓滑塊、曲軸及活塞施加定位及約束后，對曲軸施加一個“馬達”，模擬機構(gòu)的運轉(zhuǎn)。

3.3 選擇“結(jié)果和圖解”，確定要分析計算的參數(shù)

在Motion 插件里選擇“結(jié)果和圖解”命令后，再選擇“位移/速度/加速度”選項，依次選取子類別中的“線性位移”“線性速度”“線性加速度”，再選取Y 分量，對其中一列活塞選取頂部進行分析，可以得到活塞的位移曲線，速度曲線和加速度曲線。

3.4 仿真分析結(jié)果

為了便于分析，將曲軸的轉(zhuǎn)速設(shè)定為6r/min，分析的時長選取為15s 即1.5 個周期。在Solidworks 的Motion 模塊里進行結(jié)果分析，依次得到活塞的位移、速度和加速度隨時間的圖解。

圖4 活塞位移曲線

圖5 活塞速度曲線

圖6 活塞加速度曲線

由活塞的位移速度及加速度曲線可以看出來,活塞的運動規(guī)律為一個簡諧運動，與前面的公式推導(dǎo)結(jié)果保持一致。3 個曲線的周期相同均與曲軸的旋轉(zhuǎn)周期相同。當活塞到達上止點時，此時位移達到最大值，速度為零，加速度達到最大值；當活塞運動到行程中點處，此時速度達到最大值，加速度為零；當活塞運動到下止點時，此時位移達到最小值，速度為零，加速度達到最小值。

4 結(jié)語

本文采用Solidworks 里的Motion 分析模塊對曲柄圓滑塊機構(gòu)進行建模及運動學(xué)仿真分析，得到曲柄圓滑塊機構(gòu)的運動學(xué)特性。該方法也可以用于其他四桿機構(gòu)、復(fù)雜機構(gòu)的運動學(xué)分析，相較于數(shù)學(xué)原理分析，采用計算機仿真分析得出的結(jié)果更形象直觀。