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内燃式水平对动空气压缩机平衡设计及多工况动力学仿真研究

王庆前  
【摘要】:内燃式水平对动空气压缩机将内燃机与空气压缩机组合成一个整体,并通过内燃机产生的热能来转化为空气压缩机的气体压力能,是一种新型的压气装置。目前存在的双拐对称布置的内燃式水平对动空气压缩机方案,记为方案1,由于存在惯性力系中的不平衡力矩成分,仍会引起些许整机的振动问题。因此,针对内燃式水平对动空气压缩机的动不平衡问题,提出了一种三拐对称布置的内燃式水平对动空气压缩机方案,记为方案2。并针对这两种方案,进行了分析及对比研究,主要的研究内容如下:应用解析法分别对两种方案进行了计算分析,结果表明:在添加平衡块的前提下,方案1有旋转惯性力、旋转惯性力矩、一阶往复惯性力达到了平衡状态,而相比方案1,方案2不仅有以上惯性力和力矩达到了平衡状态,其一阶往复惯性力矩也达到了平衡状态。故方案2的内燃式水平对动空气压缩机处于外部平衡状态,其综合平衡性能要优于方案1的。应用逐个平衡法在方案2曲轴的每个曲拐的每个曲柄臂上安装了一块平衡块。经计算分析,确定了方案2曲轴两端的每个平衡块质量为0.153,偏心距为15.92;中间的每个平衡块质量为0.276,偏心距为17.38。应用ADAMS分别对两种方案的虚拟样机进行仿真分析,结果表明:三种工况(曲轴平均转速分别为1500、2000、2400)下方案1的最大主轴承平均受力载荷为2228N,而方案2的最大主轴承平均受力载荷为为1956N。按照轴承平均载荷最小这一平衡目标可知,方案2的平衡性能要优于方案1的。应用ANSYS Workbench对方案2曲轴进行了有限元静力学分析和模态分析。其中,有限元静力学分析结果表明:曲轴的最大等效应力位于曲柄销与曲柄臂连接圆角处,其最大值为305.09,小于曲轴材料球墨铸铁QT700-2的许用应力,证明了曲轴的设计满足强度设计的要求;曲轴的变形主要分布在平衡块处,其最大变形量为0.417,属于小变形,证明了曲轴的设计满足刚度设计要求。模态分析结果表明:曲轴最大振幅的部位出现在曲柄销、曲轴端面以及平衡块上;曲轴约束模态的固有频率相比其自由模态的较大,其最低固有频率为628.42,明显高于内燃式水平对动空气压缩机在实际工作时的基频(曲轴平均转速为2400,对应的基频为40),使曲轴有效地避免了共振现象的发生,证明了曲轴的动态性能满足设计要求。


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