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空气压缩机在机械、国防、航空、化工、石油、矿山、工农业等各个领域得到广泛应用。在航空领域应用的压缩机有严格的空间限制要求,一般的活塞式压缩机已经不能满足需要,因此,研制气压高、体积小、工作性能稳定的新型压缩机迫在眉睫。
本课题得到我国某飞机装备公司的项目资助,主要以新型十字滑块空气压缩机为研究对象。该新型压缩机充分利用余隙容积高压气体压力,改变以框架与活塞刚性连接的传统方式,采用活塞与滑块直接接触的柔性连接方式,因此,没有框架形成的滑道,整个结构更加紧凑,体积更加小型化。
首先,本文对新型压缩机的结构和工作原理进行研究;建立了新型滑块机构的力学模型,包括各级气缸气体压力、往复惯性力、旋转惯性力、气缸的侧向力、曲柄销所受切向力和法向力等,并使用excel软件进行了仿真和求解。对其动态特性分析表明:该新型压缩机所受活塞合力周期性交化,活塞与滑块瞬时不分离条件为第四级气缸排气压力达到0.75MPa以上,气缸所受侧向力在数十牛顿范围内变化,因此振动小噪声低。
其次,本文运用Pro/Engineer三维仿真软件建立了新型压缩机主体三维实体模型,进行虚拟装配,并使用Pro/E的运动分析模块Pro/MECHANISM进行运动学仿真。重点研究压缩机零部件运动干涉、活塞位置、速度、加速度变化规律及气缸行程容积的动态变化规律等问题。仿真结果表明,活塞的位置、速度、加速度基本呈正弦曲线变化,同列活塞的速度、加速度变化曲线重合;气缸容积随时间呈正弦曲线变化,其行程容积测量结果与样机数据相符合。
最后,本文基于有限元理论分析,使用ANSYS软件建立了新型压缩机曲轴的有限元模型,着重对曲轴进行了应力分析和模态分析研究。曲轴最大应力位于曲柄与曲柄销连接处,该位置最易出现裂纹;曲轴在约束状态下的频率比自由状态高,其振型主要表现为弯曲振动、扭转振动及两者的复合振动。