【摘 要】
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紧凑高压型活塞式空压机具有整机体积小、压力高、效率高、气量足、可靠性高、寿命长等优点,但其对于设计制造水平有较高要求。其中,余隙容积的设计关系到实际生产过程中的空压机整机性能。本文以某紧凑高压型三级活塞式空压机为研究对象,开展热力学、运动学和动力学分析,热-结构耦合仿真分析与一级压缩余隙容积设计,不同余隙容积的一级压缩过程流体特性分析与空压机试验研究。主要研究内容如下:（1）在活塞式空压机的工作原
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紧凑高压型活塞式空压机具有整机体积小、压力高、效率高、气量足、可靠性高、寿命长等优点,但其对于设计制造水平有较高要求。其中,余隙容积的设计关系到实际生产过程中的空压机整机性能。本文以某紧凑高压型三级活塞式空压机为研究对象,开展热力学、运动学和动力学分析,热-结构耦合仿真分析与一级压缩余隙容积设计,不同余隙容积的一级压缩过程流体特性分析与空压机试验研究。主要研究内容如下:（1）在活塞式空压机的工作原理的基础上,对紧凑高压型活塞式空压机的理论循环过程和实际循环过程进行对比。根据空压机结构,计算出一、三级活塞的位移、速度、加速度与曲轴转角之间的运动关系。通过动力学分析,求出曲柄连杆运动机构在工作循环过程中气体力、惯性力、摩擦力,并得到一、三级活塞和主、副连杆的受力规律曲线。（2）根据在工况下余隙容积装配尺寸链中的关键部件受热、力情况,通过ANSYS Workbench软件对曲柄连杆机构与一级气缸进行热-结构耦合仿真分析。根据仿真结果对曲柄连杆机构、一级气缸和一级压缩余隙容积相关尺寸链进行分析计算,推导出一级活塞在上止点时端面与气缸头端面的距离与余隙调整垫片厚度的关系式,最终选用2mm的余隙调整垫片,使余隙容积为2.51cm~3,端面距离在0.092mm～1.450mm。（3）对紧凑高压型活塞式空压机的一级压缩过程进行流体仿真及特性分析。首先建立不同余隙容积的一级压缩气体模型,然后利用Fluent软件对压缩过程进行流体仿真,分析压缩过程中气体压力、速度和湍动能的变化,最后通过数值分析得出结论:随着余隙容积的增大,一级压缩过程的排气阀开启滞后角增大,排气量减少,容积效率降低。（4）自行设计并搭建空压机性能考核试验平台进行空压机试验。对不同一级压缩余隙容积的空压机进行跑合试验、噪音试验、温度试验和性能试验。跑合试验验证了基于热-结构耦合的余隙容积设计的可行性;噪音试验的结果表明空压机的主轴转速越大,噪音越大,而余隙容积对空压机的噪音影响较小;温度试验的结果表明余隙容积越大,空压机表面温度越低;性能试验的结果表明余隙容积越大,整机压缩效率越低,验证了数值分析中不同余隙容积对排气量和容积效率的影响。
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