大型往复式迷宫压缩机气缸体关键部件受力分析

发布时间：2016-08-04 09:48

第 1 章 绪论

装备制造业开始发展阶段，对于静止密封，工业上采用压紧密封，同时对密封材料进行残留间隙填充；对于运动部件，通常采用润滑剂。但由于部分密封面相对滑动速度较快产生温度很高，很难达到理想润滑效果。于是，，大家开始尝试采用非接触密封[1]。如今，非接触式密封在往复式压缩机上得到了长足的发展。在传统往复式压缩机中，活塞环虽然保证了静止密封，但由于往复机产生的压力较大并与气缸壁进行摩擦，从而无法保证较高的密封效果，造成密封环频繁更换。迷宫密封的活塞结构，不与气缸相接触，其自行密封的特点，有效的增大了了使用年限[2-4]。随着往复式压缩机的发展，对产品功能及质量要求的不断提高。研究往复式压缩机领域的热传导和机械载荷问题比较突出。利用计算机辅助工程（CAE），通过计算机进行模拟分析，对研究对象的刚度、强度、流体场、温度场等进行计算，得出结论。在产品设计阶段就能得出可靠且直观的建议，从而使产品质量问题减少，并提高产品的竞争能力。

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第 2 章 压缩机气缸与活塞杆传热与受力分析方法

2.1 压缩机气缸及活塞杆传热分析基本理论

有限元分析法是通过数学近似的方法对真实物理系统工况进行模拟。由于实际情况问题被许多较简利用单的部分问题所代替，所以这个解不是准确解，是近似解。经过几年时间，随着电子及计算机技术的普及和迅速发展，从开始的对结构工程强度分析到如今应用到几乎所有的科学领域，有限元分析方法已经成为一种应用极其广泛并且准确度高的数值分析方法[35-37]。本章主要介绍了压缩机气缸及活塞杆传热与受力分析模型及研究方法，包括传热分析理论基础、对流传热的计算方法及基础理论、湍流对流传热基本特征，然后介绍了机械载荷的理论基础和计算方法，再介绍了对压缩机气缸及活塞体等组件分析所用的有限元方法的相关理论，最后介绍了本课题中主要应用的几何建模及有限元分析软件工具，为后续章节的研究工作提供了相关理论依据。

2.2 气缸与活塞杆对流传热

往复式活塞压缩机结构较复杂，易损件多，运转中有振动，因此要合理选择往复活塞压缩机，不仅了解压缩机的热力性能，更应该了解压缩机的动力性能，以便在全面了解压缩机的基础上，抓住主要需求进行选择。由于惯性力是自由力，而且是周期性变化的，将引起机器的振动。单列压缩机的惯性力包括旋转惯性力和往复惯性力。旋转惯性力数值大小不变，而方向随曲柄转动，一般采用加平衡重的方法来平衡它。平衡质量产生的离心力与旋转惯性力相等，方向始终相反，从而得到平衡，即：切向力的不均衡与缸内气体力周期变化有关。气缸内气体力较均衡时，切向力也会较均衡。在工程设计中，常用的解决办法是在曲轴上加装飞轮。在此不做过多介绍。

第 3 章 压缩机气缸体应力应变有限元分析........... 15

3.1 气缸体几何模型的建立................ 15
3.2 边界条件设定................17
3.3 气缸体热负荷仿真计算结果与分析 .........19
3.4 气缸体机械载荷仿真计算结果与分析 .............22
第 4 章 压缩机活塞体应力应变的有限元分析.............26
4.1 活塞体几何模型的构建与网格处理 ............26
4.2 活塞体有限元分析的边界条件设定 .........28
4.3 活塞体负荷仿真计算结果与分析....................31
第 5 章 气体压缩过程的模拟分析........ 37
5.1 压缩腔模型的建立 ....................... 37
5.2 压缩腔内流场数值模拟..... 37
5.3 压缩腔内部流场网格化分......... 41

第 5 章 气体压缩过程的模拟分析

5.1 压缩腔模型的建立

本章利用SolidWorks三维建模软件对往复式迷宫压缩机气缸的改进压缩腔进行建模，然后把建立的压缩腔模型导入到ANSYS Workbench中对其进行网格划分并生成节点。本文所用某型号往复式迷宫压缩机气缸压缩腔直径为 650mm、活塞工作行程为280mm。由于需要对模型进行相关处理，将简化对模拟结果不受影响的部分，优化对模型模拟结果影响较大的部分。建立的往复式迷宫压缩机压缩腔模型如图 5.1 所示，其中图中有四个顶部突出部分，为压缩机压缩腔吸气、排气口部分。

5.2 压缩腔内流场数值模拟

（1）直接模拟方法（DNS 方法）直接模拟方法是用 N-S 方程的非稳态三维形式对湍流模型进行直接的数学求解计算。其采用小数量级的时间和空间步长来保证分辨出湍流模型中的空间结构的细节情况和剧烈变化的时间等特征。由于不用进行任何简化，其计算结果比较准确。（2）大涡模拟方法（LES 方法）在湍流中的涡旋学说中认为，湍流产生的脉动和混合主要是由大尺寸的涡旋造成的。所以在湍流模型的仿真计算中需要计算域的尺寸既要包含湍流中出现的最大涡旋，又要能分辨出最小的涡旋。大涡旋直接用非稳态的 N-S 方程来模拟计算，小涡旋则通过对其对大涡旋的近似影响来考虑，这就是 LES 方法。（3）雷诺时均方程法（RANS 方法）目前雷诺时均方程法即 RANS 是工程中对湍流模型计算所采用的主要方法。Spalart-Allmaras 模型和 k模型均属于雷诺时均方程法的应用。

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第 6 章 结论

6.1 结论

大型往复式迷宫压缩机制造要求非常严格，其压缩效率、使用性能的优劣直接影响产品的质量。本论文在查阅大量相关文献的基础上，对某型号大型往复式迷宫压缩机的气缸体、活塞体等部分进行了分析温度及机械强度的模拟计算，阐述了所应用的理论方程及方法，模拟了缸内气体压缩过程中流场的情况。对大型往复式迷宫压缩机的设计及改进提供了方法，所以对气缸体关键部件进行受力分析具有相当重要的价值。本课题取得的主要研究成果如下：（1）在对气缸的热分析中，得到气缸温度较高、热应力集中部分，为缸体形状变化较大的部分。采用对零件该部分选用耐热性能较高材料的方法，来保证压缩机性能进而提高连续工作时间。（2）在对气缸的机械载荷分析中，确定气缸机械应力、应变集中部分，大多为缸体形状变化较大的部分，与热载荷集中部分位置重合。选取对零件该部分进行加大圆角、倒角等处理方法，确保压缩机性能进而提高连续工作时间。

6.2 展望

本文虽对大型往复式迷宫压缩机气缸体关键部件进行了受力分析，并通过数值模拟软件进行了相应的仿真分析，得出结论并进行了改进。但由于大型往复式迷宫压缩机价格昂贵，无法反复进行产品实体验证，结构复杂，对大型往复式迷宫压缩机的研究仍有提升空间，具体为以下几个方面：（1）对大型往复式迷宫压缩机进行整体建模研究压缩机整体在工作过程中各个部件的受力情况，进而对压缩机进行改进。（2）本文对大型往复式迷宫压缩机气缸体关键部件进行了受力分析，但如果能够得出压缩机工作时间和疲劳破坏之间的量化关系，则对大型往复式迷宫压缩机提高稳定性和工作效率都将是一个重大的突破，这也是下一步研究的重点。

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参考文献（略）

本文编号：84438