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MotionView在压缩机动平衡优化设计中的应用 |
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作者：范卓立 高斌 高强 |
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摘要：压缩机具有转速高和工况复杂特点，其结构的动平衡性能与压缩机的振动、噪音和疲劳等现象密切相关。本文通过仿真分析的方法，综合考虑不同转速、以及随转速而改变的冷媒压力和电磁力等因素，对某型号压缩机的动平衡进行了仿真分析，通过优化平衡块质量和重心位置，以及橡胶衬垫的刚度等参数实现了对机构动平衡的优化设计。
1 前言
近年来，压缩机朝着高速度、高效率以及低噪声的方向发展，由此给压缩机的设计提出了更高的要求。活塞式压缩机是问世最早、至今仍被广泛应用的一种压缩机，与其它型式的压缩机相比具有诸多优点，但活塞压缩机需要将电机的回转运动转换为活塞的往复运动，这使得活塞式压缩机的结构复杂，运转时有周期振动等缺点，与当代压缩机发展的方向不符，所以在活塞压缩机的设计阶段充分利用现代设计方法是十分重要的。惯性力是引起活塞式压缩机振动的主要原因之一。活塞式压缩机传统动平衡设计，主要是运用加平衡块的方法对惯性力和惯性力矩加以部分平衡。传统的设计计算方法仅仅靠工程师的经验进行静平衡的计算，这个方法忽略了很多因素，计算得到的平衡块的质量和放置位置并非最优。而本文提出运用HyperWorks软件下的MotionView模块建立活塞式压缩机的虚拟样机，对活塞式压缩机平衡块进行仿真优化，仿真结果表明， 该方法不仅准确，而且缩短了设计周期，取得了满意的平衡效果。
MotionView是Altair公司HyperWorks下一款多体动力学分析软件，它集成了多体动力学前处理软件MotionView和强大的多体求解器MotionSolve。MotionView方便快捷的交互式界面，使多体建模分析非常方便简单。
2 压缩机虚拟样机模型
简单的模型可以在MotionView中直接建立，对于比较复杂的模型可以在其他三位CAD软件中建模，然后直接导入到MotionView中。压缩机结构相对来说是比较复杂的，本文通过Pro/E软件建立正确的压缩机三维模型，提取质量，质心和惯量信息。根据分析的具体需要，把整个压缩机分析一下几个部分：转子，平衡块，曲轴，活塞，底座，滑片和others。压缩机动平衡分析建立的硬点数据和构件信息如下：
表1 压缩机动平衡分析硬点信息
 在MotionView中对压缩机运动构件之间添加约束以及驱动，其中底座和地面之间用衬套连接，亚物体和曲轴之间轴套连接，曲轴和Others之间建立轴套连接，底座和Others部件之间建立固定副，活塞与曲轴之间建立固定副，平衡块与转子之间建立固定副，转子和曲轴之间建立固定副，滑片和Others部件之间建立移动副，亚物体与大地之间建立旋转副（Motion施加在此旋转副上），冷媒力作用在活塞上，活塞式压缩机的转动部门模型如图1所示。
图1 活塞式压缩机转动部分的模型
3 动平衡仿真分析
采用MotionView建立了压缩机不同转速下的虚拟样机模型，对不同转速下压缩机的运动进行了仿真分析计算，得到曲轴径向FX不平衡力计算结果如下：
图2 不同转速下曲轴FX方向不平衡力
曲轴转速为50rps时，得到的曲轴径向（FX和FZ）不平衡力结果如下：
图3 曲轴FX方向受力
图4 曲轴FZ方向受力
当用柔性体曲轴替换刚性曲轴进行多体动力学分析计算时，在曲轴与活塞接触的凸轮部分变形比较大，从而容易引起该处油膜的破坏，进而形成磨损。
图5 曲轴变形放大示意图
4 DOE分析和优化设计
在HyperStudy优化软件中设置优化的变量和目标如下：
优化变量：平衡块的质心位置和质量
优化目标：最小化振动加速度和曲轴不平衡力
图6和图7是上下平衡块的质量以及质心位置对振动加速度的影响程度表，图中不同的线代表不同的变量，而线的斜率代表了该参数对响应的影响程度。
图6 平衡块参数对机构X向振动加速度的影响程度
图7 平衡块参数对机构Z向振动加速度的影响程度
根据DOE分析结果，对上下平衡块的影响较大的参数进行了优化设计，通过多步迭代得出了最佳组合方案，从而实现了对压缩机优化设计。
5 结语
采用MotionView建立压缩机动平衡的分析模型，可以清楚的看到各运转部件之间的运动规律，不平衡力和力矩；采用HyperStudy优化技术对其进行优化设计，避免了大量实验，缩短了产品的研发周期。(end)
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(1/7/2011) |
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