往复压缩机传动机构动力学分析

程显朋　刘　冬　韩福利　王德帅　马　宁

（沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁 沈阳110869）

【摘　要】往复压缩机的工作原理是通过活塞在气缸内进行往复运动来对气体进行压缩和输送。在石油、化工、食品、新能源等行业的生产中，往复压缩机被广泛的应用并发挥着重要的作用。往复压缩机传动机构的动力学性能受多方面因素的影响，其中以运动副间隙对传动机构的动力影响最为直接。本文通过建立往复压缩机运动模型和传动机构多体动力学模型，并通过工况仿真，对往复压缩机的传动机构动力学进行研究和分析。

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关键词 往复压缩机；运动副间隙；传动机构；动力学

1　往复压缩机概述

随着社会生产的不断发展，往复压缩机在多个行业领域中被加以应用，涉及到石油、化工、冶金、汽车、食品等行业生产，应用范围十分广泛，发挥着十分关键的作用。往复压缩机是通过活塞在气缸内进行往复运动来对气体进行压缩和输送，其可以根据生产需要的压力大小，做成单级或者多级的往复压缩系统。同时为了达到受载均匀的目的，往复式压缩机可以做成单列也可以做成多列。作为生产中的动力源，往复式压缩机以其压缩效率高、压力范围广等优势特点，受到行业的认可并广泛的推广应用。往复式压缩机的传动机构在长期运行使用中，运动副的间隙不断增加，间隙过大对传动机构的动力会造成直接的影响。在机械系统中，运动副是基本的组成部分，虽然在理论分析中常常将其假设为理想约束，但是在实际应用的过程中运动副常常存在着不同程度的间隙，这也是造成冲击力产生的直接原因。间隙过大必然会使往复压缩机在运行的过程中产生明显的噪音和振动，从而影响整个系统的稳定性和可靠性，降低生产精度，缩短使用寿命。针对动力学的影响因素，已经引起国内外专家和学者的关注，并对此问题加大了研究力度。专家学者专门对间隙引起的运动副碰撞问题、对机械系统动力学的影响问题以及冲击响应进行深入的研究。

2　往复压缩机运动模型

图 1　往复压缩机运动模型

参见上图1为往复压缩机运动模型监督，图中的灰度框表示电涡流位移传感器，其线性范围在0.5mm至4mm之间。首先用压盖螺纹将传感器支架在填料函外侧固定好，然后使用螺纹将电涡流传感器连接在支架上，在X方向与Y方向上分别装置由电涡流传感器，以保证活塞杆在运行的过程中保持正确的轨迹。电活塞杆距离电涡流传感器探头表面保持2mm的间隙，这样可以使活塞杆无论是向上运动还是向下运动都保持在能够测定的范围之内。在地面上利用支架将键相传感器固定其上，与曲轴呈正对方向，键相触发点为气缸上的止点。

假设活塞组件到上方止点的位移为Y，曲轴半径为R，连杆的长度设定为L，曲轴中心点和十字头中心点之间的位移距离为S，曲轴的转角为，根据已经的各组件的位置关系，可得出：

Y=L+R-S（1）

S=Rcosθ+（L2-R2sin2θ）１/２（2）

3　往复压缩机传动机构动力学模型

3.1　气缸压力载荷模型

本文研究的往复压缩机传动机构，是基于ADAMS软件的模型函数。气缸的循环过程是余隙膨胀→吸气→空气压缩→排气。本文模拟的往复压缩机的设定活塞行程为240mm，进气的压力和排气的压力分别为0.1MPa和0.9MPa。将原点为上点，取X轴的正向，自变量为活塞的位移距离，利用ADAMS软件并按照热力学方程进行气缸模拟，建立了四个不同气缸压力的循环过程并对活塞杆端部发生作用。

3.2　机体与连杆柔性体模型

为了能够更好的开展连杆对往复压缩机传动机构动力性的作用的研究，本文研究通过ANSYS有限元软件进行机体与连杆柔性体模型的建立。对各个阶段机体和连杆的频率和表现的特征进行模态的计算。在ADAMS中，将柔性体选择采用中性文件的式样导入其中，然后和其它的关联的部件进行连接固定最终形成柔性体模型。为了达到仿真的效果，设置了1%的阻尼并将其所具有的特征模态全部加以启用。

4　工况仿真及结果

为了能够更好的对往复压缩机传动机构的动力学的影响因素进行研究和分析，本文对建立的传动机构进行仿真试验，以期通过对动力性响应的状态进行性能影响因素的分析。

（1）第一种工况：设0.2mm的间隙，曲轴转速调至300r，气缸呈无载荷的状态，然后开始进行仿真试验。在仿真的过程中，因为大部分的时间轴心轨迹不在圆内，因此运动副呈现出连续接触的模式。在没有气缸压力载荷的情况下，因此接触力的显著减小，接触变形也很小。中轴和轴承之间的碰撞导致有大量冲击力存在同时机体加速度冲击量也较大。

（2）第二种工况：在第一种工况的基础上增加了气缸压力载荷。转动副呈碰撞、连续接触、自由运动三种模式，接触变形更大，这与增加了气缸压力载荷直接相关。由于传动副手到的压力荷载要远大于部件运行产生的惯性力，所以其接触力幅值的增加量基本等同于压力载荷。另外受阻尼的影响，传动副接触力的冲击逐渐减小直至消失。

（3）第三种工况：相比于前两种工况，第三种工况将曲轴转速提高，冲击力比之前的工况更强，也正因为冲击力的增加，加速度方面也有所增加。由此可见，提高曲轴转速，可以使运动副接触力和整个传动机构机体的加速度增加。在此基础上将间隙进一步进行加大的调整，其产生的冲击更大，这是因为间隙的加大促进了穿透速度的提高产生的结果。

经过仿真试验可知，往复压缩机传动机构动力性能受到多方面因素的影响，其中以气缸压力载荷、曲轴转速以及运动副间隙的影响最大也最为直接。

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参考文献

［１］李连生，唐斌．往复压缩机曲轴变工况条件下有限元分析[J]．流体机械，2012．

［２］苗刚．往复活塞式压缩机关键部件的故障诊断方法研究及应用[D]．大连：大连理工大学，2012．

［责任编辑：曹明明］