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        U型連桿在艦船用空壓機(jī)上的應(yīng)用研究

        2014-11-27 02:56:52高順凱張寶成高元明夏世銅
        壓縮機(jī)技術(shù) 2014年4期
        關(guān)鍵詞:慣性力空壓機(jī)艦船

        高順凱,張寶成,高元明,夏世銅

        (1.華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院,湖北 武漢;430060;2.沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司,遼寧 沈陽 110869)

        1 引言

        高壓空壓機(jī)是海軍艦船最重要的配套設(shè)備之一,但因其采用V型往復(fù)運動機(jī)構(gòu),運行時振動、噪聲較大,不僅影響其它艦船設(shè)備的正常工作,嚴(yán)重時還會影響到艦船的戰(zhàn)術(shù)安全,因此各海軍強(qiáng)國均投入較多人力物力研制低振動、低噪聲空壓機(jī)。國內(nèi)的艦船用空壓機(jī)經(jīng)過多年的不斷改進(jìn),其振動、噪聲水平已大幅降低,但仍無法滿足總體要求,急需進(jìn)一步研究減振降噪辦法。在V型空壓機(jī)的各種不平衡慣性力矩中,因由連桿不在同一平面內(nèi)所產(chǎn)生的不平衡慣性力矩所占比重較小,所以常規(guī)計算時忽略不計,但此慣性力矩對艦船用空壓機(jī)的振動、噪聲仍有很大影響。本文對V型空壓機(jī)連桿慣性力矩進(jìn)行深入的理論分析,并通過使用有限元分析研究應(yīng)用U型連桿結(jié)構(gòu),降低不平衡慣性力矩的可行性,探索艦船用空壓機(jī)減振降噪的新方法。

        2 模型的建立與分析

        2.1 慣性力的分析與計算

        一般V型空壓機(jī)的運動機(jī)構(gòu)簡化后的軸向示意圖如圖1所示。

        圖1

        計算I階往復(fù)慣性力:

        (1) 左側(cè)列

        式中F′I——左側(cè)列的I階往復(fù)慣性力

        m′s——左側(cè)列往復(fù)運動質(zhì)量

        r——曲柄半徑

        ω——曲軸旋轉(zhuǎn)的角速度

        θ——曲柄轉(zhuǎn)角

        (2) 右側(cè)列

        式中F"I——右側(cè)列的I階往復(fù)慣性力

        m"s——右側(cè)列往復(fù)運動質(zhì)量

        計算II階往復(fù)慣性力:

        (1) 左側(cè)列

        式中F′II——左側(cè)列的I階往復(fù)慣性力

        λ——曲柄半徑連桿比

        (2) 右側(cè)列

        式中F"II——右側(cè)列的I階往復(fù)慣性力

        2.2 慣性力矩的分析與計算

        一般V型空壓機(jī)的運動機(jī)構(gòu)簡化后的徑向示意圖如圖2所示。

        圖2

        計算I階往復(fù)慣性力矩

        式中MI——I階往復(fù)慣性力矩

        b——列間距

        計算II階往復(fù)慣性力矩

        式中MII——II階往復(fù)慣性力矩

        由于氣缸夾角γ的存在,一階慣性力F′I與F"I在曲軸各轉(zhuǎn)角位置上均不相等,二階慣性力F′II與F"II也不相等,因此I階往復(fù)慣性力矩MI與II階往復(fù)慣性力矩MII必然存在。通過純數(shù)學(xué)理論分析計算往復(fù)慣性力矩時需要對曲軸、活塞、連桿等部件簡化,由此產(chǎn)生誤差將影響慣性力矩的計算精度,故本文通過有限元分析方法計算采用U型連桿后的不平衡慣性力及力矩減小幅度。

        2.3 有限元分析與計算

        為了保證有限元分析更有指導(dǎo)意義,有限元三維模型是在某現(xiàn)役艦船用空壓機(jī)機(jī)型為基礎(chǔ)建立的。

        原機(jī)組運動機(jī)構(gòu)的三維模型結(jié)構(gòu)見圖(3),U型連桿的三維模型結(jié)構(gòu)見圖(4)。

        圖3 原機(jī)組運動機(jī)構(gòu)

        圖4 U型連桿運動機(jī)構(gòu)

        針對以上三維模型采取的計算步驟如下:

        (1) 將原機(jī)組運動機(jī)構(gòu)的物理特征及運動參數(shù)輸入到三維模型進(jìn)行計算分析,計算原機(jī)組的不平衡慣性力及力矩。

        (2)假設(shè)U型連桿運動機(jī)構(gòu)的物理特征及運動參數(shù)與原機(jī)組運動機(jī)構(gòu)完全相同并進(jìn)行計算分析,計算理論上的U型連桿機(jī)構(gòu)的不平衡慣性力及力矩。

        (3)將U型連桿運動機(jī)構(gòu)的實際物理特征及運動參數(shù)輸入到三維模型進(jìn)行計算分析,計算實際U型連桿機(jī)構(gòu)的不平衡慣性力及力矩。

        計算結(jié)果如表1所示。

        表1

        圖5、圖6、圖7為不平衡慣性力及力矩在一個周期內(nèi)的變化曲線。

        圖5 原機(jī)組運動機(jī)構(gòu)的計算結(jié)果

        圖6 理論上的U型連桿運動機(jī)構(gòu)的計算結(jié)果(與原連桿質(zhì)量相等)

        圖7 實際U型連桿運動機(jī)構(gòu)的計算結(jié)果(實際質(zhì)量)

        3 結(jié)論

        通過以上分析可知:當(dāng)U型連桿材質(zhì)與原連桿一致時,由于U型連桿的結(jié)構(gòu)比原連桿復(fù)雜,重量增加約25%,因此新機(jī)組的最大不平衡慣性力增加了253N,增幅2.77%,不平衡慣性力矩減小196865 N·mm,降幅35.6%。當(dāng)U型連桿采用新材料,并使其與原連桿具有相同質(zhì)量時,則該機(jī)組的不平衡慣性力與原機(jī)組一致,而不平衡慣性力矩減小205669 N·mm,降幅37.2%。

        綜上所述,在應(yīng)用新材料降低U型連桿的質(zhì)量后,U型連桿結(jié)構(gòu)可有效降低V型空壓機(jī)的不平衡慣性力矩,從而實現(xiàn)艦船用空壓機(jī)減振降噪的目的。

        [1] 陳永江.容積式壓縮機(jī)原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].西安:西安交通大學(xué)動力工程系壓縮機(jī)教研室,1985,7.

        [2] 郁永章.容積式壓縮機(jī)技術(shù)手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000,10.

        [3] 吳宗澤.容積式壓縮機(jī)技術(shù)手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004,1.

        [4] 青島森博科技開發(fā)有限公司.SolidWorks2008基礎(chǔ)教和與實例解析[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2008,07.

        [5] 詹有剛.Solid Works快速入門教程(2010中文版)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2010,10.

        [6] 馬連生,楊靜寧,宋曦.理論力學(xué)[M].科學(xué)出版社,2009.

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