SolidWorks空气压缩机的建模及仿真分析

0 前言

    随着近代科学技术的发展，压缩空气在现代工业中的应用已日趋普遍和重要，压力能应用日益广泛。空气压缩机(以下简称空压机)作为一种通用机械设备，它的主要功能是利用气体弹性特性，通过压缩气体介质传递动力的机械。在国民经济各部门中特别是在化工、石油、矿山、冶金、机械以及国防工业中已成为必不可少的关键设备。在矿山开采中，空压机号称煤矿矿山四大固定设备之一。由于可以工作在恶劣的环境中，而且操作简单，经久耐用，因此，在煤矿企业中使用相当广泛。

1 空压机的结构

    空压机主要是依靠马达提供动力，采用曲柄连杆机构将原动机的旋转运动转化成空压机活塞的往复运动，吸进空气，将其压缩后储存于储气槽，需要时再排出压缩空气。主要由气缸本体、进出气盖、曲轴、连杆、连杆盖、活塞等部分组成。

2 利用SolidWorks对各零件建模

    空压机模型的建立是仿真和分析的前提。SolidWorks 2009采用基于特征的、参数化的三维建模技术，具有交互建模和编辑复杂实体模型的能力，可以快速进行概念设计和结构细节设计。它为三维建模提供了多种不同的应用模块如实体建模、特征建模和自由曲面建模等，实现设计意图。

    对于空压机的诸零件，曲轴是其中的主要零部件之一，建模相对复杂，下面以曲轴为例简述其参数化建模的过程：

    (1)在草图环境中创建曲柄轮廓，拉伸形成曲柄宴体；

    (2)用拉伸特征创建曲拐轴颈；

    (3)用编辑、镜像命令复制曲柄和另一半曲拐轴颈：

    (4)用拉伸、镜像命令创建左右两端轴承支座；

    (5)用放样命令创建带轮支座；

    (6)倒角等命令完成整个曲轴的建模。

    以类似步骤对空压机的其他零部件进行建模。

利用SolidWorks标准件库，可以快速准确地创建标准件、通用件。参数化设计零件可“大大提高模型的生成和修改速度，在产品的设计方面有较大的应用价值。

3 虚拟装配

    虚拟装配的实现有助于产品零部件的分析、设计，解决零部件从设计到生产所出现的技术问题，从而缩短了产品开发周期，降低了生产成本，优化产品性能。

    SolidWorks采用虚拟装配模式，提供了自下而上、自上而下或2种方法结合使用的装配方法。Solidworks中的装配是简洁而又符合实际情况的，只要通过很少的步骤就可以将各种零件按要求装配在一起，进而还可以检查零件间关联情况，是否有干涉发生，甚至可以模拟机构的运动情况，验证整个产品设计的正确性。本文采用自上而下的设计方式，即将已经设计好的零部件的三维模型，这种做法符合一般的工程习惯，应用较多。

    装配时，单击文件、从零件制作装配体，装配体会在插入零部件roperty Manager打开的同时打开，在图形区域中单击将零件添加到装配体。SolidWorks使第1个零部件同定。

完成组装后，按工具(T)→干涉检查(R)命令来检查后发现，大多数螺纹部位干涉，这是因为在建模时的螺纹孔和螺钉零件的螺距不准确，所以组装以后不会对位。这时需单击忽略按钮来排除。

4 基于Motion的仿真分析

    SolidWorks Motion可以模拟装配体的机械动作以及它们产生的作用力。它还可以确定各相关因素，如能量消耗、运动零件之间是否干涉以及抗压力。设计人员可根据任务书给定的相关条件和参数，模拟产品的不同运动状，态检验产品的运动性能投产品的设计计算结果正确性。了解其设计方案将在何时失效、零件将在何时断裂，以及它们是否存在安全隐患。

    空压机属于标准的四连杆曲轴机械，零件繁多，装配体结构复杂。根据操作Motion的经验，如果装配体零件较多，就难以计算，甚至在计算过程中产生错误。因此，必须删除或压缩一些不会影响分析结果的零件，如螺栓、垫片、弹簧等，以求整个机构的简化。

仿真参数没置：

    (1)动力来源设置

    该空压机选择等速旋转马达作为其动力来源；

    (2)零件材料选择

    曲轴材料选0235；

    (3)力载荷设置

    曲轴受到来自活塞的作用力，活塞顶面受到来自燃烧室燃气的压力，假设此压力为245N；

    (4)力矩载荷设置

    空压机由皮带轮驱动，假设皮带轮要拖动10kg的载荷，皮带轮的半径为220mm，那么力矩M=FS=21560Nmm；

    (5)阻尼载荷设置

    在轴承上添加扭转阻尼，以消除高频效应；

    (6)结果输出

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