V型雙缸往復(fù)活塞式無(wú)油空氣壓縮機(jī)慣性力的行為特性及消減方法

何有根，耿愛(ài)農(nóng)，吳勇華，林興勝

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V型雙缸往復(fù)活塞式無(wú)油空氣壓縮機(jī)慣性力的行為特性及消減方法

何有根1，耿愛(ài)農(nóng)1，吳勇華1，林興勝2

（1.五邑大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 江門 529020；2.江門榮勝機(jī)電有限公司，廣東 江門 529000）

以某款車用直聯(lián)式V型雙缸無(wú)油空氣壓縮機(jī)為研究對(duì)象，探討其慣性力的行為特性及消減方法.通過(guò)建立能反映并解析慣性力規(guī)律特征的動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)平衡塊的離心慣性力與活塞組件的往復(fù)慣性力的融合表現(xiàn)進(jìn)行了研究，借助工程分析軟件MATLAB對(duì)不同平衡配重的配置參數(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，獲得了最優(yōu)的平衡配重方案. 研究結(jié)果表明，V型雙缸無(wú)油空氣壓縮機(jī)的往復(fù)慣性力依然可以采用過(guò)量平衡法來(lái)消減，但與傳統(tǒng)單缸機(jī)型相比，其配重在質(zhì)量占比及相位布局方面均存在較大的差異，通過(guò)優(yōu)化包括質(zhì)量半徑積和相位設(shè)置在內(nèi)的過(guò)量配重參數(shù)，仍然可以顯著轉(zhuǎn)移一級(jí)往復(fù)慣性力的大小及方向，從而能夠選擇出滿足壓縮機(jī)在特定敏感方向振動(dòng)強(qiáng)度限制要求的最優(yōu)平衡控制方案.

無(wú)油空氣壓縮機(jī)；往復(fù)慣性力；過(guò)量平衡法；振動(dòng)消減

目前車用無(wú)油活塞式空氣壓縮機(jī)基本上都是采用電機(jī)直聯(lián)驅(qū)動(dòng). 在電機(jī)高速驅(qū)動(dòng)空壓機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，曲柄會(huì)受到活塞組件產(chǎn)生的往復(fù)慣性力、旋轉(zhuǎn)部件產(chǎn)生的離心慣性力及周期性變化的氣體壓力的綜合作用，如果在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)這些力不加以有效控制及消減，空氣壓縮機(jī)不僅會(huì)產(chǎn)生令人難以接受的噪音及振動(dòng)，還會(huì)對(duì)機(jī)器及零部件的壽命產(chǎn)生不利影響。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須嚴(yán)格限制空氣壓縮機(jī)往復(fù)慣性力及旋轉(zhuǎn)離心慣性力的水平.

對(duì)于旋轉(zhuǎn)離心慣性力，可通過(guò)在曲軸不平衡質(zhì)量的相反相位設(shè)置一平衡配重來(lái)精準(zhǔn)抵消，但對(duì)于活塞組件產(chǎn)生的往復(fù)慣性力，迄今為止其消減手段主要有兩種：一種是采用平衡軸消減法，另一種是采用過(guò)量平衡法[1-4]. 前者通過(guò)專門設(shè)置的平衡軸來(lái)產(chǎn)生一個(gè)與一級(jí)往復(fù)慣性力相位相反的等效平衡力，以此精準(zhǔn)消減活塞組件產(chǎn)生的往復(fù)慣性力，但是，該方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高昂，對(duì)于車用無(wú)油空氣壓縮機(jī)來(lái)說(shuō)并不適合；后者通過(guò)配置一個(gè)超量的旋轉(zhuǎn)型配重來(lái)產(chǎn)生額外的離心慣性力，并以此超量離心慣性力的分量去對(duì)抗和抵御活塞組件產(chǎn)生的一級(jí)往復(fù)慣性力，其最終結(jié)果是通過(guò)轉(zhuǎn)移往復(fù)慣性力的影響方向來(lái)降低目標(biāo)方向的振動(dòng)強(qiáng)度. 過(guò)量平衡法簡(jiǎn)單易行且成本低廉，乃當(dāng)下應(yīng)對(duì)往復(fù)慣性力的有效消減措施，已在單缸型壓縮機(jī)和摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)上廣泛應(yīng)用. 不過(guò)，眾所周知的事實(shí)是，過(guò)量平衡法屬于局部作用法，它無(wú)法徹底消除往復(fù)慣性力所帶來(lái)的負(fù)面影響，特別在V型排列的多缸機(jī)型當(dāng)中，由于不同運(yùn)動(dòng)相位的兩列活塞組件的影響相互交織，使得其平衡重量的配置十分講究，稍有差池非但不能起到減振作用，反而會(huì)加劇壓縮機(jī)的振動(dòng)強(qiáng)度. 鑒于此，本文結(jié)合一款V型雙缸往復(fù)活塞式無(wú)油空氣壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)與制作，通過(guò)對(duì)活塞組件的往復(fù)慣性力及曲柄組件的離心慣性力進(jìn)行分析計(jì)算，并通過(guò)改變過(guò)量平衡質(zhì)量的大小及質(zhì)心相位的方式，對(duì)慣性力行為融合特性進(jìn)行研究，探討過(guò)量平衡法在該機(jī)上的具體應(yīng)用，以期找到最優(yōu)的配置參數(shù)并獲得綜合效果最好的往復(fù)慣性力消減方案.

1 空氣壓縮機(jī)總體布局及設(shè)計(jì)參數(shù)

1.1 總體布局

因V型空氣壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，為滿足汽車上狹窄的空間要求，本文設(shè)計(jì)的車用無(wú)油空氣壓縮機(jī)采用交流電機(jī)直聯(lián)驅(qū)動(dòng)的方式，2個(gè)氣缸呈V型布置，且2個(gè)連桿共用一根曲軸. 從電機(jī)軸向方向上看，兩氣缸中心線夾角呈布局，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示. 在連桿與曲軸之間用含油滾動(dòng)軸承連接，連桿小頭裝有滾針軸承及油封并通過(guò)活塞銷與活塞連接，氣缸頂部裝有氣閥座組件及氣缸頭，曲軸兩端采用滾動(dòng)軸承支撐并通過(guò)聯(lián)軸器與電機(jī)轉(zhuǎn)軸相連，壓縮機(jī)的曲軸箱與電機(jī)之間用連接筒配接. 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)通過(guò)聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，再由連桿驅(qū)動(dòng)活塞在氣缸內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以此達(dá)成氣缸工作容積的周期性改變，最終實(shí)現(xiàn)外界氣體的吸入、壓縮，提高壓力后經(jīng)由氣閥座組排出并輸送至儲(chǔ)氣罐內(nèi).

a.沿氣缸及曲軸中心線剖切示意圖??????????b.空氣壓縮機(jī)總體軸測(cè)圖

1.曲軸箱；2.滾動(dòng)軸承；3.曲軸；4.連桿；5.氣缸；6.滾針軸承；7.活塞；8.活塞銷；9.活塞環(huán)；10.氣閥座組合；11.氣缸蓋；12連接筒；13.電機(jī)

圖1 車用V型雙缸無(wú)油空氣壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本無(wú)油空氣壓縮機(jī)采用一級(jí)壓縮的工作方式，另外考慮到成本控制以及制造方便，壓縮機(jī)的兩組氣缸及活塞組件均采用相同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，亦即它們的缸徑及行程完全一致. 根據(jù)客戶的具體需求，最終確定出主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示.

表1 無(wú)油空氣壓縮機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)及受力分析

2.1 數(shù)學(xué)建模

為便于建模、分析和計(jì)算，將本空氣壓縮機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的幾何關(guān)系簡(jiǎn)化為圖2的形式[5-7]. 其中，I、II為活塞，軸為鉛垂方向，軸為水平方向，及軸分別為活塞I及活塞II的往復(fù)運(yùn)動(dòng)方向，及軸與軸之間的夾角均為，為曲柄旋轉(zhuǎn)中心，為曲柄半徑并設(shè)其長(zhǎng)度為，及為連桿并設(shè)其長(zhǎng)度為，為曲柄角速度.

圖2 壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

活塞I及活塞II做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，其中活塞I相位超前活塞II相位，如圖2所示.設(shè)曲柄繞以角速度作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，以軸作為起點(diǎn)，當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)過(guò)任意角度時(shí)，活塞I及活塞II在和方向上的位移方程分別為：

2.2 連桿質(zhì)量代換計(jì)算

在空氣壓縮機(jī)的工作過(guò)程中，因連桿連接曲軸與活塞，其運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜，為方便計(jì)算連桿慣性力，通常作法是把連桿的質(zhì)量分為兩個(gè)等效質(zhì)量：一部分是隨活塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量，集中在連桿小頭；另一部分是隨曲軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量，集中在連桿大頭. 根據(jù)3D模型在PRO/E軟件中求出連桿的質(zhì)心分別距離連桿大頭孔與小頭孔的距離，再利用質(zhì)量代換法（即保持連桿總質(zhì)量不變和質(zhì)心位置不變的原則下）求出連桿大頭與小頭的代換質(zhì)量[8-10].

根據(jù)所建立的三維模型及部分實(shí)物可以分別求出做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞組件（包含活塞環(huán)、導(dǎo)向環(huán)、活塞銷、連桿小頭軸承及連桿）的代換質(zhì)量，最終得到總往復(fù)質(zhì)量為. 而做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量包括連桿大頭軸承、曲軸軸頸、平衡塊連接部分及連桿的代換質(zhì)量，其總旋轉(zhuǎn)質(zhì)量為.

2.3 活塞組件往復(fù)慣性力分析

本機(jī)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖參見(jiàn)圖3. 根據(jù)式（4）及式（5）可得活塞組件I和II的總往復(fù)質(zhì)量在和方向上產(chǎn)生的往復(fù)慣性力分別為：

2.4 曲柄旋轉(zhuǎn)慣性力分析

曲柄連桿機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)慣性力可分為兩部分：一部分是連桿代換到大頭隨曲軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心慣性力，另一部分是總旋轉(zhuǎn)質(zhì)量產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)慣性. 參照?qǐng)D3，總旋轉(zhuǎn)質(zhì)量s的旋轉(zhuǎn)半徑為曲柄半徑，則總旋轉(zhuǎn)質(zhì)量產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)慣性力為：

圖3 壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖

2.5 曲柄旋轉(zhuǎn)慣性力的消減

為抵消曲柄連桿機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)慣性力s，其通用作法是在旋轉(zhuǎn)慣性力s的反方向上加一平衡質(zhì)量. 如圖3所示，設(shè)該質(zhì)量為，其旋轉(zhuǎn)半徑為平衡塊質(zhì)心到曲柄旋轉(zhuǎn)中心的距離，設(shè)該距離長(zhǎng)度設(shè)為，其旋轉(zhuǎn)角速度同樣為，則平衡質(zhì)量產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)慣性力為：

在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用過(guò)量平衡質(zhì)量來(lái)進(jìn)行分析[11-12]，其中過(guò)量平衡質(zhì)量為超過(guò)當(dāng)量平衡質(zhì)量的部分，借助所產(chǎn)生的離心慣性力在氣缸軸線上的分力來(lái)抵御和消減活塞組件的一級(jí)往復(fù)慣性力，而通過(guò)改變的質(zhì)量半徑積以及相位設(shè)置，可以尋求到目標(biāo)方向上能接受的最小振動(dòng)強(qiáng)度. 顯然，實(shí)際配置的總的平衡質(zhì)量為，當(dāng)為正時(shí)表明是增重、為負(fù)時(shí)則意味著去重，而其中相對(duì)于的份額被稱為過(guò)量平衡質(zhì)量占比，在傳統(tǒng)單缸機(jī)型當(dāng)中過(guò)量平衡質(zhì)量占比一般為15%～30%.

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 過(guò)量平衡質(zhì)量大小對(duì)慣性力的影響

根據(jù)前面分析和推導(dǎo)出的公式，通過(guò)MATLAB 軟件編程可計(jì)算出在曲軸上加裝平衡質(zhì)量后（假設(shè)并保持當(dāng)量平衡質(zhì)量質(zhì)心旋轉(zhuǎn)半徑不變而僅改變過(guò)量平衡質(zhì)量的數(shù)值）壓縮機(jī)在軸及軸方向的受力曲線，如圖4所示. 其中假定曲柄不平衡旋轉(zhuǎn)質(zhì)量為、當(dāng)量平衡質(zhì)量、過(guò)量平衡質(zhì)量均布局在同一條直線上，亦即為零.

圖4 機(jī)構(gòu)在y軸和x軸方向的慣性力曲線圖

圖5 機(jī)構(gòu)x軸與y軸方向慣性力的融合曲線

3.2 過(guò)量平衡質(zhì)量配置相位對(duì)慣性力的影響

當(dāng)改變過(guò)量平衡塊質(zhì)心的相位亦即角度時(shí)，其旋轉(zhuǎn)離心慣性力的相位也將隨之發(fā)生改變，與此同時(shí)，壓縮機(jī)的慣性力橢圓曲線亦會(huì)發(fā)生改變. 假設(shè)過(guò)量平衡塊質(zhì)心的布局與原質(zhì)心夾角為，則旋轉(zhuǎn)離心慣性力在軸、軸方向的分量分別為：

圖6 改變過(guò)量平衡質(zhì)量質(zhì)心角度時(shí)，機(jī)構(gòu)軸及軸方向的慣性力曲線

圖7 過(guò)量平衡質(zhì)量質(zhì)心相位對(duì)慣性力融合特性的影響

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)某款V型雙缸車用無(wú)油空氣壓縮機(jī)慣性力行為特性的建模分析，獲得了平衡塊質(zhì)量與相位對(duì)壓縮機(jī)活塞組件一級(jí)往復(fù)慣性力的影響規(guī)律，結(jié)果表明：該往復(fù)慣性力依然可以采用過(guò)量平衡法來(lái)予以消減，但與傳統(tǒng)單缸機(jī)型相比，V型雙缸往復(fù)式壓縮機(jī)的最佳配重表現(xiàn)為去重方式，而且該配重的質(zhì)心相位按曲軸旋轉(zhuǎn)方向比單缸機(jī)型要稍微超前一定角度. 因此，不能套用傳統(tǒng)單缸機(jī)型的平衡參數(shù)來(lái)進(jìn)行過(guò)量平衡質(zhì)量的配置. 研究證實(shí)，通過(guò)優(yōu)化過(guò)量配重參數(shù)可以明顯轉(zhuǎn)移一級(jí)往復(fù)慣性力的大小及方向，從而可以選擇出能夠滿足壓縮機(jī)在特定敏感方向振動(dòng)強(qiáng)度要求的最優(yōu)平衡控制方案，這對(duì)于對(duì)振動(dòng)和噪聲有苛刻要求的車用無(wú)油空氣壓縮機(jī)來(lái)說(shuō)無(wú)疑具有較大的現(xiàn)實(shí)意義，并且具有很強(qiáng)的可操作性. 從這一點(diǎn)上講，本文的研究工作對(duì)當(dāng)下同類型壓縮機(jī)的減振控制設(shè)計(jì)有一定的啟迪作用.

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[責(zé)任編輯：熊玉濤]

Behavior Characteristics of the Inertia Force of the V-type Double-cylinder Reciprocating-piston Type Oil-free Air Compressors and the Reduction Method

HEYou-gen1, GENGAi-nong1, WUYong-hua1, LINXing-sheng2

(1. School of Mechan ical and Electrical Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China;2. Rongsheng (Jiangmen) Co Ltd, Jiangmen 529000, China)

A direct connected V-type double cylinder reciprocating-pistonoil-free air compressorinstalled on cars was used as the research object to study the behavior characteristics of its inertial force and the reduction measures. By establishing a dynamic model which can reflect and analyze the characteristics of inertia force, the confluent behavior of the centrifugal inertia force and the reciprocating inertia force of the piston assembly were studied. By means of the engineering analysis software MATLAB the configuration parameters of different counterweights were simulated, and the optimal layout scheme for the counterweights was obtained. The research results show that the reciprocating inertia force of the V-type double cylinder oil-free air compressor can be reduced by the excess balance method, but compared with the traditional single-cylinder model, there is a big difference in quality proportion and the phase layout. By optimizing the excess weight parameters including the mass radius product and phase setup, the strength and direction of the first order reciprocating inertia force can be transferred significantly and the optimal balance control scheme can be obtained that can meet the requirements of the vibration intensity and the sensitive direction of the compressor.

oil-free air compressor; reciprocating inertia force; over-weight balance; vibration reduction

1006-7302（2016）04-0038-08

TH457

A

2016-10-17

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51565004）

何有根（1981—），男，廣東江門人，工程師，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與制造.