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1、1 前言 近年来,压缩机朝着高速度、高效率以及低噪声的方向发展,由此给压缩机的设计提出了更高的要求。活塞式压缩机是问世最早、至今仍被广泛应用的一种压缩机,与其它型式的压缩机相比具有诸多优点,但活塞压缩机需要将电机的回转运动转换为活塞的往复运动,这使得活塞式压缩机的结构复杂,运转时有周期振动等缺点,与当代压缩机发展的方向不符,所以在活塞压缩机的设计阶段充分利用现代设计方法是十分重要的。惯性力是引起活塞式压缩机振动的主要原因之一。活塞式压缩机传统动平衡设计,主要是运用加平衡块的方法对惯性力和惯性力矩加以部分平衡。传统的设计计算方法仅仅靠工程师的经验进行静平衡的计算,这个方法忽略了很多因素,计算得到
2、的平衡块的质量和放置位置并非最优。而本文提出运用HyperWorks软件下的MotionView模块建立活塞式压缩机的虚拟样机,对活塞式压缩机平衡块进行仿真优化,仿真结果表明, 该方法不仅准确,而且缩短了设计周期,取得了满意的平衡效果。 MotionView是Altair公司HyperWorks下一款多体动力学分析软件,它集成了多体动力学前处理软件MotionView和强大的多体求解器MotionSolve。MotionView方便快捷的交互式界面,使多体建模分析非常方便简单。2 压缩机虚拟样机模型 简单的模型可以在MotionView中直接建立,对于比较复杂的模型可以在其他三位CAD软件中建
3、模,然后直接导入到MotionView中。压缩机结构相对来说是比较复杂的,本文通过Pro/E软件建立正确的压缩机三维模型,提取质量,质心和惯量信息。根据分析的具体需要,把整个压缩机分析一下几个部分:转子,平衡块,曲轴,活塞,底座,滑片和others。压缩机动平衡分析建立的硬点数据和构件信息如下:表1 压缩机动平衡分析硬点信息表2 压缩机动平衡分析构件信息 在MotionView中对压缩机运动构件之间添加约束以及驱动,其中底座和地面之间用衬套连接,亚物体和曲轴之间轴套连接,曲轴和Others之间建立轴套连接,底座和Others部件之间建立固定副,活塞与曲轴之间建立固定副,平衡块与转子之间建立固定
4、副,转子和曲轴之间建立固定副,滑片和Others部件之间建立移动副,亚物体与大地之间建立旋转副(Motion施加在此旋转副上),冷媒力作用在活塞上,活塞式压缩机的转动部门模型如图1所示。图1 活塞式压缩机转动部分的模型3 动平衡仿真分析 采用MotionView建立了压缩机不同转速下的虚拟样机模型,对不同转速下压缩机的运动进行了仿真分析计算,得到曲轴径向FX不平衡力计算结果如下:图2 不同转速下曲轴FX方向不平衡力 曲轴转速为50rps时,得到的曲轴径向(FX和FZ)不平衡力结果如下:图3 曲轴FX方向受力图4 曲轴FZ方向受力 当用柔性体曲轴替换刚性曲轴进行多体动力学分析计算时,在曲轴与活塞
5、接触的凸轮部分变形比较大,从而容易引起该处油膜的破坏,进而形成磨损。图5 曲轴变形放大示意图4 DOE分析和优化设计 在HyperStudy优化软件中设置优化的变量和目标如下: 优化变量:平衡块的质心位置和质量 优化目标:最小化振动加速度和曲轴不平衡力图6和图7是上下平衡块的质量以及质心位置对振动加速度的影响程度表,图中不同的线代表不同的变量,而线的斜率代表了该参数对响应的影响程度。 图6 平衡块参数对机构X向振动加速度的影响程度图7 平衡块参数对机构Z向振动加速度的影响程度 根据DOE分析结果,对上下平衡块的影响较大的参数进行了优化设计,通过多步迭代得出了最佳组合方案,从而实现了对压缩机优化设计。5 结语 采用MotionView建立压缩机动平衡的分析模型,可以清楚的看到各运转部件之间的运动规律,不平衡力和力矩;采用HyperStudy优化技术对其进行优化设计,避免了大量实验,缩短了产品的研发周期。