(西京學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院， 陜西 西安　710123)

引言

渦旋壓縮機(jī)是近年來發(fā)展迅速的一種新型容積式壓縮機(jī)械，由于體積小、重量輕、效率高、振動及噪聲小等特點(diǎn)，目前已被廣泛應(yīng)用于制冷、機(jī)械、包裝、石化等領(lǐng)域[1]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的快速發(fā)展，渦旋壓縮機(jī)的數(shù)字化、智能化及信息化程度也愈來愈高，以物理樣機(jī)為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)研發(fā)模式已不能適應(yīng)新型高速渦旋壓縮機(jī)的發(fā)展。

相對于以往的設(shè)計(jì)思路和理念，以現(xiàn)代CAD/CAE技術(shù)為核心的虛擬樣機(jī)技術(shù)為當(dāng)今工程領(lǐng)域引入了全新的設(shè)計(jì)模式，特別是對于復(fù)雜機(jī)械的研發(fā)，不僅有效降低了設(shè)計(jì)成本、縮短了研發(fā)周期，而且大幅提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率及質(zhì)量[2]。本研究以美國某公司著名機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)、運(yùn)動學(xué)仿真設(shè)計(jì)軟件ADAMS為平臺，結(jié)合有限單元法、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、虛擬樣機(jī)技術(shù)及柔性化建模技術(shù)，對某型渦旋壓縮機(jī)進(jìn)行動態(tài)設(shè)計(jì)與仿真分析，為渦旋壓縮機(jī)的發(fā)展和技術(shù)革新提供了重要支持。

1　動態(tài)仿真技術(shù)

機(jī)械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術(shù)是一種基于產(chǎn)品計(jì)算機(jī)仿真模型的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法。隨著現(xiàn)代CAD/CAE/CAM和DFA/DFM等技術(shù)的快速發(fā)展，這種以虛擬樣機(jī)技術(shù)為核心的新興設(shè)計(jì)手段，進(jìn)一步融合了先進(jìn)建模技術(shù)、信息管理技術(shù)、多領(lǐng)域仿真技術(shù)、交互界面技術(shù)及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[3]。如圖1所示，相對于“自下而上”的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式，以虛擬樣機(jī)平臺為支撐的動態(tài)仿真技術(shù)，可以反復(fù)對不同設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真試驗(yàn)，擺脫了對物理樣機(jī)的依賴和束縛[2]，為復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的全生命周期設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持。

圖1　虛擬樣機(jī)系統(tǒng)基本架構(gòu)

虛擬樣機(jī)技術(shù)以以多體動力學(xué)(Dynamics of Multibody System)為支撐，具有多學(xué)科綜合的特點(diǎn)，涉及力學(xué)、控制理論、有限元分析、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)及數(shù)值計(jì)算等多學(xué)科知識，與傳統(tǒng)的CAD和FEA等技術(shù)相比，虛擬樣機(jī)技術(shù)涉及專業(yè)面更寬、覆蓋領(lǐng)域更廣[4]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，市場上出現(xiàn)了一系列界面友好、功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定的商業(yè)化虛擬樣機(jī)軟件，國際上有數(shù)十家公司在這個(gè)日益增長的市場中競爭，其中比較有影響產(chǎn)品有：美國MSC公司的ADAMS、比利時(shí)LMS公司的Virtual-Lab. Motion、德國航天局的SIMPACK以及韓國FunctionBay公司的Recurdyn等。

目前，虛擬樣機(jī)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)工程領(lǐng)域，如航空航天、國防工業(yè)、汽車制造、生物工程及船舶制造等[2]。通過工業(yè)產(chǎn)品的全數(shù)字化設(shè)計(jì)和動態(tài)仿真，不僅大幅提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可塑性和靈活性，而且在縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低設(shè)計(jì)成本的基礎(chǔ)上，能夠明顯提高產(chǎn)品的質(zhì)量和系統(tǒng)級性能，有利于設(shè)計(jì)方法的創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步。

2　渦旋壓縮機(jī)構(gòu)成及工作原理

渦旋壓縮機(jī)是通過封閉腔體容積變化來實(shí)現(xiàn)氣體壓縮的流體機(jī)械，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由曲軸、配重、動渦盤、靜渦盤、十字滑環(huán)及支架等構(gòu)成。其中，靜渦盤與支架固定為一體，共同支撐主軸傳動系統(tǒng)；配重安裝于曲軸之上，主要用于平衡偏心主軸在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的慣性離心力；十字滑環(huán)通過相互垂直的兩個(gè)移動副來聯(lián)接動渦盤和支架，主要作用是防止動渦盤發(fā)生自轉(zhuǎn)[1]。

1.軸承端蓋　2.曲軸　3.大平衡鐵　4.小平衡鐵5.靜渦盤　6.動渦盤　7.滾針軸承　8.十字滑環(huán)　9.支架10.深溝球軸承　11.皮帶輪圖2　渦旋壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)分解

渦旋壓縮機(jī)工作時(shí)，電動機(jī)通過帶傳動將轉(zhuǎn)矩輸入至主軸系統(tǒng)，動渦盤在曲軸驅(qū)動下繞靜渦盤中心軸線作圓周軌跡平動[5]。渦旋壓縮機(jī)的吸氣孔口和排氣孔口均位于靜渦盤上，如圖3所示。在曲軸回轉(zhuǎn)過程中，動、靜渦旋齒會進(jìn)行周期性嚙合，并形成多個(gè)月牙形封閉容積，從而完成氣體的吸入、壓縮及排放過程。

圖3　實(shí)體結(jié)構(gòu)剖面圖

3　虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)

3.1　動力學(xué)理論基礎(chǔ)

動力學(xué)研究力與運(yùn)動之間的相互關(guān)系。多體動力學(xué)將剛體力學(xué)、分析力學(xué)、數(shù)值算法和計(jì)算機(jī)技術(shù)綜合應(yīng)用于多體機(jī)械系統(tǒng)，經(jīng)過多年的研究和發(fā)展，多體系統(tǒng)動力學(xué)已獲得了豐碩的研究成果，并誕生了多種經(jīng)典的數(shù)值算法和數(shù)學(xué)工具，例如遞歸方法、矩陣分解、圖論、李群、微分幾何、最優(yōu)化理論和鍵合圖等[4]。

(1)

完整約束系統(tǒng)：

φ(q,t)=0

(2)

非完整約束系統(tǒng)：

(3)

求解動力學(xué)問題時(shí)，ADAMS采用帶乘子的第一類拉格朗日方程處理具有多余坐標(biāo)的完整約束系統(tǒng)(如式2)和非完整約束系統(tǒng)(如式3)，并利用剛性積分算法和稀疏矩陣技術(shù)求解如式(1)所示的以笛卡爾廣義坐標(biāo)qi=(x，y，z，φ，θ，<)為變量的動力學(xué)方程，不僅大大提高了計(jì)算效率，而且能夠有效預(yù)測機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動范圍、碰撞檢測及峰值載荷等[3]。

3.2　剛?cè)狁詈夏Ｐ?/h3>

在Pro/E平臺上對渦旋壓縮機(jī)進(jìn)行實(shí)體建模和虛擬裝配設(shè)計(jì)，通過數(shù)據(jù)接口程序?qū)⑷SCAD裝配模型送入ADAMS/View環(huán)境，并設(shè)置各零部件的材料屬性、約束類型、運(yùn)動關(guān)系及相關(guān)仿真參數(shù)，經(jīng)模型驗(yàn)證成功后，建立針對渦旋壓縮機(jī)的數(shù)字化樣機(jī)仿真模型，如圖4所示。以此樣機(jī)為平臺，對渦旋壓縮機(jī)展開動態(tài)仿真與分析。

圖4　虛擬樣機(jī)仿真模型

ADAMS/View環(huán)境下的柔性體模型采用模態(tài)向量與模態(tài)坐標(biāo)的線性組合來表示彈性位移，通過計(jì)算每一時(shí)刻物體的彈性位移來描述其變形運(yùn)動[7]。廣義坐標(biāo)下的機(jī)械系統(tǒng)柔性體動力學(xué)方程如式(4)所示，其中，M不柔性體質(zhì)量矩陣；K為廣義剛度矩陣；fg為廣義重力；D為模態(tài)阻尼矩陣；ψ為約束方程；λ為拉格朗日因子；Q為廣義作用力；ξ為廣義坐標(biāo)，如式(5)所示，其中qi為模態(tài)坐標(biāo)；m為模態(tài)坐標(biāo)數(shù)。

(4)

ξ=(x,y,z,φ,θ,∠,qi，(i=1,2,…,m)T

(5)

在ANSYS平臺上對曲軸、動渦盤及十字滑環(huán)進(jìn)行單元設(shè)置和網(wǎng)格劃分，建立這些運(yùn)動構(gòu)件的模態(tài)中性文件(MNF文件)，然后將其導(dǎo)入ADAMS對各構(gòu)件進(jìn)行柔性化處理。MNF文件的形成需要通過Mass21單元建立兩個(gè)以上的剛性區(qū)域，如圖5所示，分別在曲軸有限元模型兩端中心位置建立剛性區(qū)域(圖中虛線連接區(qū)域)，ADAMS會自動與剛性區(qū)域建立連接，通過替換MNF文件形成柔性化曲軸模型，如圖6所示，曲軸柔性體與平衡鐵、皮帶輪仍為剛性連接。同樣對動渦盤和十字滑環(huán)進(jìn)行柔性化建模，形成基于ADAMS平臺的渦旋壓縮機(jī)剛?cè)狁詈戏抡婺Ｐ汀?/p>

圖5　曲軸有限元模型及剛性區(qū)域

圖6　曲軸柔性化建模

4　動態(tài)仿真與分析

4.1　機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真

1) 渦旋齒嚙合運(yùn)動規(guī)律

動、靜渦旋盤結(jié)構(gòu)基本一致，其型線均采用阿基米德螺旋線。當(dāng)動、靜渦旋齒嚙合時(shí)，漸開線內(nèi)外輪廓會形成數(shù)對封閉的月牙形容積腔，如圖7所示，為曲軸旋轉(zhuǎn)角度α在0°、90°、180°及270°處的渦旋齒嚙合變化過程。隨著曲軸的轉(zhuǎn)動，封閉氣腔的形狀大小不斷地在變化。

圖7　動、靜渦旋齒嚙合過程

渦旋壓縮機(jī)的吸、排氣是同時(shí)進(jìn)行的，主軸旋轉(zhuǎn)一周完成一次吸氣和排氣過程，低壓氣體從未封閉的外緣容積腔進(jìn)入，經(jīng)過壓縮后從靜渦盤中心的排氣孔排出。在曲軸回轉(zhuǎn)過程中，動渦盤實(shí)質(zhì)上是在繞靜禍盤基圓中心作圓周軌跡平動，分析圖7可知，在周期性的平動過程中，動、靜渦旋齒嚙合形成的封閉容積腔會相應(yīng)地?cái)U(kuò)大或縮小，從而實(shí)現(xiàn)氣體的連續(xù)吸入、壓縮和排出。

2) 曲軸與十字滑塊運(yùn)動狀態(tài)

旋壓縮機(jī)運(yùn)行過程中，曲軸作周期性回轉(zhuǎn)運(yùn)動，十字滑環(huán)沿著支架和動渦盤上的滑槽作往復(fù)平動。圖8為主軸轉(zhuǎn)角α在0°、90°、180°及270°處時(shí)曲軸與十字滑環(huán)的運(yùn)動狀態(tài)。實(shí)際當(dāng)中，做往復(fù)運(yùn)動的十字滑環(huán)會產(chǎn)生一定慣性力，在滑槽極限位置時(shí)加速度最大，對支架和動渦盤產(chǎn)生的沖擊也最劇烈，如圖8中十字滑環(huán)和動渦盤的動態(tài)仿真云圖，當(dāng)主軸運(yùn)動至90°、180°及270°處的極限位置時(shí)，柔性體振動變形和應(yīng)力分布最為明顯，由此可知，應(yīng)盡量減輕十字滑環(huán)自重，以減小慣性沖擊載荷的影響。

圖8　曲軸與十字滑環(huán)運(yùn)動位置

4.2　柔性體動力學(xué)仿真

將曲軸轉(zhuǎn)速設(shè)置為2800 r/min[1]，對渦旋壓縮機(jī)剛?cè)狁詈夏Ｐ瓦M(jìn)行柔性體動力學(xué)仿真分析。相對于剛體模型，柔性體可以更為精確地反映結(jié)構(gòu)的真實(shí)形態(tài)，如圖9所示，十字滑環(huán)、動渦盤及曲軸的柔性體模型在仿真過程中會發(fā)生一定的振動變形，這與實(shí)際情況相吻合，大大提高了動態(tài)仿真的精度和可靠性。

圖9　柔性體形態(tài)仿真云圖

圖10為十字滑環(huán)和動渦盤在不同形態(tài)下的質(zhì)心位移仿真曲線，比較可知，質(zhì)心位移運(yùn)動規(guī)律基本一致，但在剛體與柔性體形態(tài)下的位移曲線存在一定差異，即與剛體形態(tài)相比，十字滑環(huán)和動渦盤在柔性狀態(tài)下的質(zhì)心位移峰值及谷值均偏小，特別是位移谷值的偏小幅度更為明顯。兩種結(jié)構(gòu)形態(tài)下的仿真結(jié)果數(shù)據(jù)比較見表1，其中，d1max為十字滑塊位移峰值；d1min為十字滑塊位移谷值；d2max為動渦盤位移峰值；d2min為動渦盤位移谷值。

圖10　剛?cè)狁詈夏Ｐ团c剛體模型仿真結(jié)果比較

剛體與柔性體仿真結(jié)果比較見表1。

表1　剛體與柔性體仿真結(jié)果比較　mm

渦旋壓縮機(jī)為典型旋轉(zhuǎn)機(jī)械，實(shí)際運(yùn)行過程中，主軸系統(tǒng)在啟動階段存在加速現(xiàn)象，即曲軸從靜止?fàn)顟B(tài)爬升至2800 r/min過程中，由于加速度作用會使機(jī)體出現(xiàn)一定的振動和噪聲。如圖11所示，曲軸的角速度和角加速度在啟動階段(0～0.3 s)存在明顯振蕩，0.3 s 以后曲軸角速度趨于平穩(wěn)，保持在2800 r/min左右運(yùn)轉(zhuǎn)，且振蕩幅度極小，而角加速度則逐漸趨于0。說明啟動0.3 s以后主軸系統(tǒng)開始穩(wěn)定運(yùn)行，符合渦旋壓縮機(jī)實(shí)際工作情況。

圖11　曲軸角速度與角加速度

實(shí)際工況下，動渦盤在啟動階段也存在速度和加速度的振蕩，如圖12所示，0.3 s以后動渦盤質(zhì)心速度保持在3 m/s左右，而加速度則穩(wěn)定在884.68 m/s2附近，說明氣體的吸入、壓縮及排放過程也是在0.3 s以后趨于穩(wěn)定， 與主軸系統(tǒng)的振動衰減規(guī)律一致。 由此可知， 渦旋壓縮機(jī)啟動后，在0～0.3 s內(nèi)為加速爬升階段，這期間會出現(xiàn)一定的振動和噪聲，0.3 s以后整機(jī)系統(tǒng)會以2800 r/min的工作轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行。

圖12　動渦盤速度與加速度

5　結(jié)論

虛擬樣機(jī)技術(shù)為當(dāng)前工程領(lǐng)域引入了全新的設(shè)計(jì)理念，在未來的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)中，虛擬樣機(jī)技術(shù)將會大幅提高工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、仿真、分析、制造及裝配的虛擬開發(fā)過程。

通過虛擬樣機(jī)技術(shù)和ADAMS仿真平臺，在可視化環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了渦旋壓縮機(jī)的動態(tài)仿真分析，為其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、技術(shù)改造及運(yùn)動學(xué)參數(shù)的確定提供了方便、快捷的設(shè)計(jì)手段。在剛?cè)狁詈辖；A(chǔ)上對渦旋壓縮機(jī)進(jìn)行柔性體動力學(xué)仿真，更為精確地分析了靜、動渦盤的嚙合過程，進(jìn)一步明確了主軸傳動系統(tǒng)的啟動運(yùn)行狀態(tài)，為渦旋壓縮機(jī)的性能提升和技術(shù)進(jìn)步提供了有力支持。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張波. 渦旋壓縮機(jī)實(shí)體建模與傳動系統(tǒng)動力學(xué)分析[D]. 沈陽：東北大學(xué)，2006.

[2]王榮，曹源文. 機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)淺析[J]. 科技信息，2013，(18)：147-148.

[3]馮景華，吳南星，余冬玲. 機(jī)械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術(shù)及ADAMS的理論基礎(chǔ)研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2004，(4)：17-19.

[4]鄭相周，唐國元．機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)[M]．北京：高等教育出版社，2010．

[5]李超，余洋，趙嫚. 渦旋壓縮機(jī)的虛擬建模與運(yùn)動仿真[J]. 流體機(jī)械，2012，40(1)：17-21.

[6]楊義勇，金德聞. 機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[7]邱海飛. 基于ADAMS的四連桿打緯機(jī)構(gòu)動態(tài)設(shè)計(jì)與仿真[J]. 機(jī)械傳動，2011，36(7)：52-55.

[8]Kim S, Park J, Ahn K, et al. Improvement of the Performance of a Centrifugal Compressor by Modifying the Volute Inlet[J]. ASME Journal of Fluids Engineering, 2010,(132):91-101.

[9]邱海飛，王益軒.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的經(jīng)紗張力仿真與分析[J]. 紡織學(xué)報(bào)，2011，32(1)：119-123.

[10]王國梁. 采用雙圓弧加直線單元組合型線的渦旋壓縮機(jī)理論及試驗(yàn)研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，46(10)：144-147.

[11]李峰，王永娟，徐誠，等．虛擬樣機(jī)技術(shù)及其在輕武器研制中的應(yīng)用[J]．計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2006，18(6)：885-888．