基于SOLIDWORKS空压机的设计与分析

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空压机主要依靠马达提供动力，吸进空气，将其压缩后储存储气罐，需要时排出压缩空气。空压机工作时活塞在气缸中上下运动，当活塞下行时，右边的进气门打开吸进空气;当活塞下行时，进气门关闭，因容积变小而压缩空气。空气仅被压缩一次称为单缸空气压缩机，如果需要更高的气压就需要使用多缸空气压缩机。空压机广泛应用于机械行业，其结构和仿真是设计及教学的难点，本文以单缸空气压缩机为例，一般使用压力约为6×105Pa。
   SOLIDWORKS是优秀的CAD软件之一，利用它可完成空压机的建模设计，在此基础上可进行虚拟装配、运动仿真及结构分析、最后可生成工程图及利用其插件PHOTOWORKS渲染输出等。仿真结果可应用于设计，同时也为机械类专业虚拟教学提供了思路。

1 、分析的过程
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( k' f% N. d# ^8 r) }, @(1)建模设计
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- M* j! }) _; [( z    空气压缩机由空压机配件：气缸本体、进出气盖、曲轴、连杆、连杆盖、活塞、活塞环、活塞销、卡簧一、螺栓、垫圈、塞片、弹簧、螺栓、开关把手、垫圈、弹簧、塞片、孔片、卡簧二、弹簧、进出气盖垫片、轴承、轴承衬套、轴承垫圈、皮带轮、螺栓、垫圈、油杯、油杯盖、本体底座底盖、本体底座垫片、油量窗盖、油量窗衬环，六角螺栓、垫圈、螺栓、油杓组成，有43个零件，以下是主要零件造型的过程。

! w7 Q# S6 J/ Z9 I+ r    ①打开SOLIDWORKS2010，新建零件1气缸本体，在基准面中新建草图，依次给予拉伸增料、拉伸除料、旋转除料、倒角、创建螺纹线、创建基准面及草图，扫描切除、阵列等特征，具体建模尺寸参照建模/机构/结构综合实训教程书。
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    ②新建零件2进出气盖，在基准面中创建草图后给予拉伸增料特征，镜像、阵列、倒角，然后给予扫描切除特征，最后创建草图后拉伸除料(其中螺纹也可使用装饰螺纹线替代)。
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2 q, X( @3 @9 y, M; C; ]    ④新建零件6连杆、7连杆盖、8活塞。

: x# I7 d  T* b, T' ]# u8 g    ⑤新建零件9卡簧、10孔片、11油杓。
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: V8 a: T, b! i5 C    ⑥新建零件12油量窗盖、13进出气盖垫片、14皮带轮，。

(2)虚拟装配
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% Y0 z6 D  v) t# j    利用虚拟装配，可以验证装配设计和操作的正确与否，以便及早发现装配中的问题;对模型进行修改，并通过可视化显示装配过程。虚拟装配系统允许设计人员考虑可行的装配序列，自动生成装配规划。它包括数值计算、装配工艺规划、工作面布局、装配操作所模拟等。
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6 [& {- M, b0 I7 I: z% n$ D  m    ①新建装配体1空压机，插入零件1-43，并添加配合重合以及同轴心关系。
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" A7 P/ W6 F9 z' z. N$ ]    ②单击工具中的干涉检查并计算，显示有多处干涉，经详细检查，干涉皆为螺纹干涉，故可忽略，(建议使用装饰螺纹线替代螺纹造型，这就不存在干涉问题，同时还可提高运行速度)说明装配完全正确。

    ③干涉检查无误后，单击插入爆炸视图，爆炸的顺序即为装配的逆顺序。
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(3)效果图渲染

    效果图利用插件PHOTOWORKS完成，添加零件的材质为默认塑料，布景为带完整光源的工作间，其余参数默认。
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(4)工程图
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    新建工程图1，新建模板设为A4图纸，插入所需的装配体零件，添加视图、剖视图、断面图，并标注尺寸公差、形位公差、表面粗糙度。

9 ]& G, ~" p4 t9 V$ Z(5)运动分析

    MOTION是其运动仿真CAE插件，它可建立三维动力学仿真机构模型并添加运动、约束、力、碰撞等，对机构进行仿真模拟、干涉分析，跟踪零件的运动轨迹，分析机构中零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等，并可输出动画、图形、表格等多种形式的结果，其分析的结果可指导修改零件的结构设计或调整零件的材料[2]。

点击工具选项，在菜单中勾选MOTION选项，考虑到MOTION中装配体的零件太多，为了计算速度更快，可以对机构进行简化，将一些不会影响分析结果的零件删除或者压缩，具体操作步骤如下：

   ①打开装配体，选择曲轴圆柱表面，添加旋转马达作为整个机构的动力来源，设为等速20转/分钟。

# N( l  F7 q4 N* K9 z   ②考虑到机构的特性，将曲轴、连杆、连杆盖添加SF440A(Q235)渡锌碳钢的材料，将活塞设为2618-T61(SS)铝合金材料，选择活塞上表面，添加力的载荷，输入250N(通过实际的测量或是设计来给出);同时给皮带轮添加力矩载荷21364N.mm(假设皮带轮要拖动10kg的载荷计算)。
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   ③选择皮带轮和曲轴相接触的两个面设置阻尼，添加阻尼可消除潜在的高频效应，分别添加的线性扭转阻尼，阻尼的参数为18 N.mm/(deg/s)。
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   ④在时间轨迹框中设定时间，在运动菜单中选择MOTION分析，点击计算按钮，点击结果和图解选择零件活塞杆，可获得活塞Y方向的位移值，可以分析出活塞Y方向的线性位移在40-96mm范围中移动;同理可以输出曲轴颈部的反作用力、左右轴承的反作用力、曲轴的角速度以及角加速度、曲轴颈部的反力矩等。
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6)结构分析

    从空压机的结构来说，曲轴和连杆配合将作用在活塞上的气体压力变为旋转的动力，曲轴是往复活塞式空压机中最重要、载荷最大、成本最高的零件之一。曲轴的受力复杂，它在承受气缸内的气体压力，在由于往复和旋转运动(质量惯性力)所引起的周期性载荷变化的同时，还要对外输出扭矩。另外，曲轴还存在扭矩振动，因而结构分析的重点就是零件曲轴。曲轴的分析包含以下四个方面：平衡块的分析、基本静态分析、频率分析以及疲劳分析。

. W) F) b- Z" \. |% ?   ①早期的曲轴设计如图16a所示，后来发现轴承容易损坏，分析其是由于旋转过程中的不平衡引起的，即动平衡问题。添加了平衡块，从而解决了运动过程中不平衡问题(平衡块的最佳尺寸也是设计的重点之一，本文在此不过多详述)。

   ②简化模型后，新建一个静态分析算例，材料为SF440A镀锌碳钢材料，约束的环境为圆柱面，受力值直接由前面的MOTION分析中得出，运行分析后，其应力、位移、和应变的结果输出。
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   ③曲轴工作过程中承受弯曲应力和扭转应力，并且承受的载荷是周期性的，为了防止共振，分析曲轴的固有频率与振型，对提高曲轴及空压机的使用寿命非常重要。

$ K5 P" N; b) p; k; U2 T* t0 A   新建一个频率分析算例，主要频率数设定为6阶，约束的环境为圆柱面，运行分析后，可得出各阶的固有频率以及对应的位移结果。
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   从分析的结果来看，在曲轴工作时，工作载荷的固有频率应该避开各阶算出的固有频率，从而避免发生共振变形。同时可从计算出来的各阶固有振型来看，两端的主轴颈、中间的连杆轴颈的变形较小，因此发生共振的可能性较小。掌握曲轴的弯曲振型对于分析活塞、轴瓦故障，以及预先在轴瓦和瓦座设计上，防止过高的棱缘负荷很有必要的。
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  ④由于交变载荷的作用，零件开始使用就会进入疲劳的过程，最终产生裂纹从而导致断裂。在运动过程中不断形成损伤所积累的结果，这一经历的时间称为"寿命"，它取于决载荷、循环作用次数、时间以及材料的抗疲劳能力，是机器安全寿命设计的基础。
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  新建一个疲劳分析算例，设置好材料的疲劳曲线(疲劳曲线可通过测量或材料制造商处获得)，运行分析后，可分析生命周期、双轴性。
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# T+ `1 H, L% s$ b  从分析的结果来看，其生命周期为99999997952，表示到此周期才会发生疲劳失效。

shunli

分析的很详细，如果有图片描述就更好了。

xiaoyue888

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