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本帖最后由 woohyuk9733 于 2012-3-6 11:38 编辑
9 d$ x5 {& ~2 a% e
* `$ l7 A9 f; e6 g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。
+ d' X$ t/ F! v8 F3 z; P 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。
. I/ W7 l4 [+ i$ _% F6 D1 a' R6 }. V4 y! K* I; X" U) R# O
1 、分析的过程6 |0 \5 f' E+ J x
) a& o7 A$ Q- k& u: g, W(1)建模设计/ m$ F( j) C# L4 |2 H( c
$ p1 Y, [% s2 o+ g 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。
( w* T7 S6 R, v# l2 p5 v5 R
: x* v: M# H; N4 T& O4 m 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)。9 S; v) L+ o |( X/ M9 `6 d
/ x8 d" t! f( x1 S0 ?: \ ④新建零件6连杆、7连杆盖、8活塞。
" B/ x9 a7 a% M* n5 T$ X# u* ~5 p' u$ K3 R/ m
⑤新建零件9卡簧、10孔片、11油杓。
/ U8 R8 t- e' {* B$ [
m& g, f7 a* i; o; @9 p* [ ⑥新建零件12油量窗盖、13进出气盖垫片、14皮带轮,。
?) V8 b7 S: ?3 C4 o4 l) f
# u# j+ k! {. K" `& t) m(2)虚拟装配# s2 q% {/ a" t: Q
1 o! p6 Q: ?) }/ v* g: _
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。
* H4 v- U" X3 v1 a, ~* K1 A8 E6 K% x, A+ _
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。" [+ Q6 O1 r% c$ B
: m X9 h0 _. o h; e: R8 E" q/ {
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。
$ G5 T' f" S. T% {7 ~6 e5 F4 N! W2 i8 o
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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6 a$ f& w3 n F* `8 e(3)效果图渲染+ P* W# w( g) f; B* ?# U+ j. d
( ^8 O! z: V! i 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。' G+ d/ \1 F! k+ i, }: c8 v0 y" s9 W
; E) x( {" M- F* D. Y. x% O9 g1 r(4)工程图
; Y6 G8 f, a- l% ]
! S r, J, f0 B- q" h- ?; N8 J% L: H 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。; y) P- F9 R6 [; f5 I7 ]9 j
5 B. n6 o) R. ], M3 J(5)运动分析
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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]。
& A0 C* }! ?, X& m6 M. v+ j" _3 n ~# Z6 G: e" h, }
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:
: V$ J3 ^9 x+ [# u6 Z9 W$ p
4 P9 C2 Z3 c7 }) P9 ~ 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。
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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)。% U6 g: x' J' z/ b5 J$ I1 {
& R7 r1 l6 v4 |; F [. n6 Y: v H
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)。7 L% `1 D. Y+ E% v0 x& R+ l
+ \6 \; n3 v" b/ [3 p" J 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。$ v+ v) F2 ?; t& n& _) s
, q" c$ y Z' q+ d4 a0 m6)结构分析
, Z& N8 c6 g& W/ v! b/ H. z- g5 E0 S3 }% _
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。
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5 Q! {0 L3 D; f8 {" g3 r8 h 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)。
; {$ j7 p0 x! w( }/ C" k( w5 P+ h4 c* F2 M: r
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。/ i& u3 F# _0 }& J
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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。/ h5 M6 F% W) g: I4 Z
3 J, n) Y/ f" e 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。7 X) @; b) N+ r3 ]7 @
x3 }8 @. ~3 m4 X% v! N/ s
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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0 Y( F5 h% N: @& I& K 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。 |
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