第4章活塞式壓縮機(jī)中作用力分析1

1、1壓縮機(jī)中作用力分析各種作用力是進(jìn)行壓縮機(jī)零部件各種作用力是進(jìn)行壓縮機(jī)零部件計(jì)算的依據(jù)計(jì)算的依據(jù)，并為所需要的飛，并為所需要的飛輪矩提出輪矩提出計(jì)算方法計(jì)算方法，為評(píng)價(jià)各類型壓縮機(jī)的動(dòng)力平衡，為評(píng)價(jià)各類型壓縮機(jī)的動(dòng)力平衡奠定基礎(chǔ)。奠定基礎(chǔ)。壓縮機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的作用力主要有三類壓縮機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的作用力主要有三類 (1)(1)往復(fù)和不平衡旋轉(zhuǎn)質(zhì)量造成的慣性力往復(fù)和不平衡旋轉(zhuǎn)質(zhì)量造成的慣性力(2)(2)氣體壓力所造成的作用力氣體壓力所造成的作用力(3)(3)接觸表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦力接觸表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦力2曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析曲柄連桿機(jī)構(gòu)的類型及幾何關(guān)系曲柄連桿機(jī)構(gòu)的類型及幾何關(guān)

2、系3由幾何關(guān)系：由幾何關(guān)系：)coscos(rlrlCOAOx 即連桿在擺動(dòng)平面內(nèi)偏離氣缸中心線的夾角，并規(guī)定在 0180范圍內(nèi) 為正值 180360范圍內(nèi)為負(fù)值 EBCEBO在和sinsinsinsinlrcossinsin22211(cos )(sin)xr221111rl連桿比4 sinsincos )22通常認(rèn)為壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速n是不變的 30ndtd所以活塞的速度 22sin2=(sin)21sindxdx dvrdtddt活塞的加速度 322223/222cos21sin 2(cos)4 (1sin)1sindvdv dardtddtsinsinsin22442211281163.55

3、(cos )(cos)xr1124(sinsin)vr22(coscos)ar221163.56列的活塞力列的活塞力 曲柄和連桿運(yùn)動(dòng)分析曲柄和連桿運(yùn)動(dòng)分析曲柄銷B點(diǎn)作均速旋轉(zhuǎn)，切向線速度及向心加速度為2rrvrararcsin( sin )連桿擺角位移、速度和角速度22cos1sincddt2222223/2sin(1)(1sin)cddt 根據(jù)力學(xué)，慣性力的大小，決定于運(yùn)動(dòng)零件的質(zhì)量和加速度。根據(jù)力學(xué)，慣性力的大小，決定于運(yùn)動(dòng)零件的質(zhì)量和加速度。因此，要討論曲柄連桿機(jī)構(gòu)的慣性力，除前面已經(jīng)分析的運(yùn)動(dòng)因此，要討論曲柄連桿機(jī)構(gòu)的慣性力，除前面已經(jīng)分析的運(yùn)動(dòng)關(guān)系外，還必須確定運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量。關(guān)系外，

4、還必須確定運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量。7 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的質(zhì)量轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化的原則是保持系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)上的等效性轉(zhuǎn)化的原則是保持系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)上的等效性活塞運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量pm連桿作擺動(dòng)，它的大頭裝在曲柄銷上，隨曲軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；小頭與活塞銷(或十字頭銷）相連，作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，整個(gè)連桿是作平面運(yùn)動(dòng)。由于連桿的大部分質(zhì)量集中在大、小頭上，通常將連桿的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為兩部分。8運(yùn)動(dòng)質(zhì)量確定 連桿質(zhì)量的一部分集中在A點(diǎn)，另一部分集中在B點(diǎn) ( . . )llmm 0 30 4( . . )llmm 0 70 6對(duì)已經(jīng)有的連桿質(zhì)量轉(zhuǎn)化可以用稱重的方法 12lllllmmmmlm l21lllllmmllmml轉(zhuǎn)換前后總質(zhì)量不變，質(zhì)心位置不變

5、高轉(zhuǎn)速機(jī)器，連桿旋轉(zhuǎn)部分高轉(zhuǎn)速機(jī)器，連桿旋轉(zhuǎn)部分的質(zhì)量的質(zhì)量 應(yīng)取上限值應(yīng)取上限值lm9 曲拐部分質(zhì)量轉(zhuǎn)化 rkmmrkkkmmmrkm在高速壓縮機(jī)中，由于行程短，主軸頸與曲柄銷往往是重疊的作為負(fù)值代入即可10質(zhì)量轉(zhuǎn)換 smrm經(jīng)過上述質(zhì)量轉(zhuǎn)化，將曲柄連桿機(jī)構(gòu)的質(zhì)量分別轉(zhuǎn)換為往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量它們分別集中作用于A點(diǎn)和B點(diǎn)。其大小由下式確定splrklmmmmmmA點(diǎn)B點(diǎn)經(jīng)過上述質(zhì)量轉(zhuǎn)化簡(jiǎn)化了曲柄連桿機(jī)構(gòu)慣性力的計(jì)算11列的慣性力(coscos)ar22往復(fù)慣性力 往復(fù)運(yùn)動(dòng)件在運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的往復(fù)慣性力為-IssFma2-(coscos2 )IssFm rcos2rmFsIIs2cos2rm

6、FsIIIsIIIsIIsIsFFF變化周期等于曲軸旋轉(zhuǎn)周的時(shí)間，最大值發(fā)生在 最小值發(fā)生在 ，變化周期為曲軸旋轉(zhuǎn)半周的時(shí)間 往復(fù)慣性力是沿氣缸中心線作用，并規(guī)定在連桿中引起拉伸的慣性力為正否則為負(fù)，在以后的計(jì)算中不再顧及符號(hào) 0=00=18022maxminIIIssIssFm rFm r 12 00=0=1802cos2rmFsIIIs二階往復(fù)慣性力變化的周期為曲軸回轉(zhuǎn)半周的時(shí)間，最大值在曲軸回轉(zhuǎn)一周內(nèi)會(huì)出現(xiàn)二次二階往復(fù)慣性力的最小值發(fā)生在00=90=2702IIIssFm r 應(yīng)該注意：不論一階和二階往復(fù)慣性力，其力的方向總是沿著該列氣缸軸線方向，僅大小隨著曲柄的轉(zhuǎn)角周期變化著，在慣性力

7、中，起主要作用的是一階往復(fù)慣性力。13 =1/4時(shí)總的慣性力變化曲線如果對(duì)往復(fù)慣性力對(duì)轉(zhuǎn)角求導(dǎo)數(shù)，并令其為零，則得到往復(fù)慣性力的最大、最小值的曲柄轉(zhuǎn)角位置22(sin2 sin2 )sin (14 cos )0IsssdFm rdm r 1/414慣性力sin0如果取慣性力達(dá)到極限值000180當(dāng)00往復(fù)慣性力達(dá)到最大值2max(1)IssFm r0180往復(fù)慣性力到達(dá)最小值2max(1)IssFm r 如取1(14 cos )0cos4 只有當(dāng) 才有實(shí)際意義，當(dāng) 時(shí)，慣性力的最小值不發(fā)生在活塞的內(nèi)止點(diǎn)位置處，而是在內(nèi)止點(diǎn)附近141415 慣性力旋轉(zhuǎn)慣性力 不平衡旋轉(zhuǎn)質(zhì)量不平衡旋轉(zhuǎn)質(zhì)量 rm引

8、起的旋轉(zhuǎn)慣性力(離心力) 該力沿曲柄半徑方向作用，規(guī)定引起曲柄拉伸的力為正，符號(hào)可以不考慮 2IrrFm r 氣體壓力所造成的作用力氣體壓力所造成的作用力氣體力氣體力作用在活塞上的氣體力，為活塞兩側(cè)氣體壓力與相應(yīng)活塞有效面積的乘積之代數(shù)和，氣體力的正負(fù)按慣性力的同樣規(guī)則確定。gipipp A對(duì)于單作用壓縮機(jī)，氣體力基本上使曲柄連桿機(jī)構(gòu)受壓縮；對(duì)于雙作用壓縮機(jī)，軸側(cè)氣缸工作容積所產(chǎn)生的氣體力使曲柄連桿機(jī)構(gòu)受拉伸，蓋側(cè)氣缸工作容積所產(chǎn)生的氣體力使曲柄連桿機(jī)構(gòu)受壓縮，因此在向蓋行程和向軸行程中，氣體力使曲柄連桿機(jī)構(gòu)交替地承受壓縮和拉伸。16列的氣體力列的氣體力 17縱坐標(biāo)為氣體的壓力，橫坐標(biāo)為活塞的

9、行程當(dāng)量行程0SSsssdddpppp膨脹過程氣體力 00mmdciicpippip VpVVA SVA SA x()mgdggiiiSFp Ap AxS0000直至對(duì)于蓋側(cè)工作容積的膨脹過程從外止點(diǎn)算起18進(jìn)氣過程氣體力進(jìn)氣過程氣體力()gssgssgFp ApA1應(yīng)從膨脹結(jié)束點(diǎn)算起，而進(jìn)氣過程的結(jié)束點(diǎn)即ie0180壓縮過程氣體力壓縮過程氣體力 ()ngiigsgiSSFp Ap AxS00直至idpp排氣過程氣體力排氣過程氣體力 ()gddgddgFp ApA12ci19 蓋側(cè)氣缸工作容積指示圖計(jì)算表20 222212(1cos )(11sin(11sinxrr）1=r(1+cos )-）軸側(cè)氣缸工作容積指示圖按照同樣的方法計(jì)算，只是相對(duì)于不同曲柄轉(zhuǎn)角下 的活塞位移相應(yīng)的壓縮過程應(yīng)從外止點(diǎn)算起，相應(yīng)的膨脹過程應(yīng)從內(nèi)止點(diǎn)算起21 相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面間產(chǎn)生的摩擦力相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面間產(chǎn)生的摩擦力壓縮機(jī)各部分的摩擦功率占總功率的比例，根據(jù)計(jì)算的資料及壓縮機(jī)試驗(yàn)的部分結(jié)果，大致為：往復(fù)摩擦功率占總摩擦功率的6070，旋轉(zhuǎn)摩擦功率占總摩擦功率的4030，因此可得往復(fù)摩擦力和旋轉(zhuǎn)摩擦力分別為22摩擦力 ( /)( . . )imfPFSn11600 60 72( /)