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        基于Solidworks 的曲柄圓滑塊機(jī)構(gòu)仿真分析

        2019-08-05 01:46:18姜慧君金麗瓊毛京兵李金祿譚躍進(jìn)
        中國設(shè)備工程 2019年12期
        關(guān)鍵詞:分析

        姜慧君,金麗瓊,毛京兵,李金祿,譚躍進(jìn)

        (合肥通用機(jī)械研究院有限公司 壓縮機(jī)技術(shù)國家重點實驗室,安徽 合肥 230031)

        一般活塞式壓縮機(jī)中的傳動方式多采用曲柄連桿機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)具有技術(shù)成熟、加工方便等優(yōu)點,但也存在著運轉(zhuǎn)過程中慣性力不好平衡、機(jī)組振動大且不好消除的缺點。隨著人們對設(shè)備振動噪音越來越多的關(guān)注,減振降噪的要求也越來越高。曲柄圓滑塊機(jī)構(gòu)就是為了改善設(shè)備的振動噪聲而在曲柄連桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上改進(jìn)得來的,此傳動機(jī)構(gòu)消除了二階慣性力,減小了設(shè)備的振動。本文就是通過采用Solidworks里的Motion 插件,對該機(jī)構(gòu)進(jìn)行運動學(xué)仿真分析,得到機(jī)構(gòu)的運動規(guī)律。

        1 Solidworks Motion 仿真分析基本流程

        Solidworks Motion 是Solidworks premium 版本里的一個功能強(qiáng)大的仿真計算插件,它使用計算能力強(qiáng)大的動力求解器,可以在計算中添加材料屬性和質(zhì)量及慣性,可用于精確模擬和分析裝配體上的運動狀態(tài),還可使用它描述模擬結(jié)果供進(jìn)一步分析。

        Solidworks Motion 仿真分析的基本流程首先是對機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模,得到裝配體后通過對模型添加定義和約束,并對其施加力和驅(qū)動,建立一個完善的接近于真實的系統(tǒng),進(jìn)行分析仿真,最后處理分析結(jié)果并得出結(jié)論。

        2 曲柄圓滑塊機(jī)構(gòu)原理分析

        圖1 曲柄連桿機(jī)構(gòu)原理圖

        常見的曲柄連桿機(jī)構(gòu)中有個重要的參數(shù)叫曲柄連桿比λ,為曲柄半徑r 與連桿長度l 的比值,即。在活塞式壓縮機(jī)中,曲柄連桿比對活塞的運動學(xué)影響很大。通常連桿比λ 的取值是在1/3 ~1/6,值越小表示連桿長度越長,壓縮機(jī)活塞軸向方向所需的空間越大;值越大表示連桿長度越短,機(jī)構(gòu)緊湊,但活塞上所承受的側(cè)向力會越大。曲柄連桿機(jī)構(gòu)的原理圖如1。

        一般曲柄連桿機(jī)構(gòu)活塞的運動規(guī)律為:

        式中,r 為偏心距,θ 為曲軸轉(zhuǎn)角。

        曲柄圓滑塊機(jī)構(gòu)是從曲柄連桿機(jī)構(gòu)演變而來。當(dāng)λ 的值變?yōu)? 時,曲柄和連桿的長度相等,機(jī)構(gòu)就演變成了曲柄圓滑塊機(jī)構(gòu)。曲柄圓滑塊機(jī)構(gòu)的原理圖如圖2。

        圖2 曲柄圓滑塊機(jī)構(gòu)原理圖

        在曲柄圓滑塊機(jī)構(gòu)中,由于連桿比λ 為1,則:

        其中ω 為曲軸旋轉(zhuǎn)角速度。

        3 曲柄圓滑塊機(jī)構(gòu)運動學(xué)仿真

        Solidworks Motion 是Solidworks 里的一個功能強(qiáng)大的插件,在對裝配體添加約束、驅(qū)動及作用力后可以用于分析求解裝配體的狀態(tài),可以得到機(jī)構(gòu)的運動學(xué)仿真。

        3.1 建模

        建模得到曲柄圓滑塊活塞機(jī)構(gòu)的三維裝配圖,見圖3。

        圖3 曲柄圓滑塊機(jī)構(gòu)裝配圖

        3.2 添加配合及驅(qū)動

        在對圓滑塊、曲軸及活塞施加定位及約束后,對曲軸施加一個“馬達(dá)”,模擬機(jī)構(gòu)的運轉(zhuǎn)。

        3.3 選擇“結(jié)果和圖解”,確定要分析計算的參數(shù)

        在Motion 插件里選擇“結(jié)果和圖解”命令后,再選擇“位移/速度/加速度”選項,依次選取子類別中的“線性位移”“線性速度”“線性加速度”,再選取Y 分量,對其中一列活塞選取頂部進(jìn)行分析,可以得到活塞的位移曲線,速度曲線和加速度曲線。

        3.4 仿真分析結(jié)果

        為了便于分析,將曲軸的轉(zhuǎn)速設(shè)定為6r/min,分析的時長選取為15s 即1.5 個周期。在Solidworks 的Motion 模塊里進(jìn)行結(jié)果分析,依次得到活塞的位移、速度和加速度隨時間的圖解。

        圖4 活塞位移曲線

        圖5 活塞速度曲線

        圖6 活塞加速度曲線

        由活塞的位移速度及加速度曲線可以看出來,活塞的運動規(guī)律為一個簡諧運動,與前面的公式推導(dǎo)結(jié)果保持一致。3 個曲線的周期相同均與曲軸的旋轉(zhuǎn)周期相同。當(dāng)活塞到達(dá)上止點時,此時位移達(dá)到最大值,速度為零,加速度達(dá)到最大值;當(dāng)活塞運動到行程中點處,此時速度達(dá)到最大值,加速度為零;當(dāng)活塞運動到下止點時,此時位移達(dá)到最小值,速度為零,加速度達(dá)到最小值。

        4 結(jié)語

        本文采用Solidworks 里的Motion 分析模塊對曲柄圓滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模及運動學(xué)仿真分析,得到曲柄圓滑塊機(jī)構(gòu)的運動學(xué)特性。該方法也可以用于其他四桿機(jī)構(gòu)、復(fù)雜機(jī)構(gòu)的運動學(xué)分析,相較于數(shù)學(xué)原理分析,采用計算機(jī)仿真分析得出的結(jié)果更形象直觀。

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