基于SolidWorks的往復式壓縮機優化及其有限元分析

金正

摘要：往復式壓縮機作為目前各工廠最常用設備之一，普遍用于各種環境，但目前往復式壓縮機面臨機械效率低等問題。為此本文提供一種新型往復式壓縮機的優化思路，并用Solidworks進行了模擬，并對其關鍵部位進行了有限元分析。

Abstract： Reciprocating compressor is one of the most commonly used equipment in various factories at present， and it is commonly used in various environments. However， the current reciprocating compressor faces problems such as low mechanical efficiency. To this end， this article provides a new reciprocating compressor optimization ideas， and uses solidworks to simulate， and the key parts of the finite element analysis.

關鍵詞：往復式壓縮機;優化;SolidWorks;有限元分析

Key words： reciprocating compressor;optimization;SolidWorks;finite element analysis

中圖分類號：TP391.72? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）11-0059-02

1? 往復式壓縮機現狀及改進

目前往復式壓縮機里最為常用的為活塞式壓縮機，由于活塞式壓縮機具有較強的熱效應，廣泛的壓力情況下都可以使用，適應性較強的優點而被常用于各種場合。而目前活塞式壓縮機面臨著機械效率低等問題，因此，提高壓縮機的效率對于經濟效益和檢維修有重大意義。

為此本文提出了一種新的往復式壓縮機的結構，旨在提高目前往復式壓縮機的工作效率。

傳統的壓縮機是由曲軸箱、曲軸、十字頭、中體、填料、活塞、氣缸與氣閥等部件組成。當壓縮機工作時，電機運轉，帶動壓縮機主機工作，通過曲軸、連桿、十字頭等部件的配合作用，將曲軸的旋轉運動轉化為活塞的往復運動。一個工作周期包括了吸氣、壓縮、排氣、膨脹四個過程。

而這種模式下，十字頭的旋轉運動會產生斜向上與斜向下對十字頭滑履的壓力，但這部分壓力目前無法利用，會造成大量的損耗。本文基于SolidWorks對傳統往復式壓縮機進行了優化以及關鍵部分的有限元分析。

2? 本文往復式壓縮機模型

本文往復式壓縮機將傳統直缸改成了后半部分為彎曲式氣缸，這樣可以充分的利用壓縮機十字頭對十字頭滑履的壓力。并且將活塞與活塞桿做了調整，將其連接處做成鉸接，并將其位置上移，在其下方做了鉸接，用來連接桿件，起到在彎管段上升過程中拉起活塞下端。

基于Solidworks軟件，對此壓縮機進行建模，建模結果如圖1所示。

3? 基于Solidworks的有限元分析

有限元法，在分析連續介質時把它看成有限個小單元的集合體，然后以每個小單元為基礎來求解連續介質力學問題的一種數學方法。其基本思想是，首先，將連續介質離散化，得到有限個小的單元體;然后再用近似函數來表示求解域上的未知的場函數，用未知的場函數以及其導數表達近似函數，經過這樣的有限元變換，就可以將連續無自由度的問題轉換為離散有限自由度的問題，從而得到相應的解。隨著計算機技術和有限元技術的發展，現如今有限元法已經在工程力學、結構工程、建筑材料等很多領域得到廣泛的運用。

為了檢驗設計的幾個零部件是否合格和找出設計中存在的不足。對活塞、氣缸、氣缸蓋進行靜應力分析（見表1）。■

3.1 氣缸分析

將建立好的模型在Solidworks中打開后進行網格劃分，網格密度選擇適中，根據實際工況添加載荷與約束，建立好的模型如圖2所示。

分析結束后可以得到氣缸的應力圖3。

3.2 活塞分析

將建立好的模型在Solidworks中打開后進行網格劃分，網格密度選擇適中，根據實際工況添加載荷與約束，建立好的模型如圖4所示。

分析結束后可以得到氣缸的應力圖如圖5。

4? Motion分析

通過Solidworks的馬達指令可以模擬壓縮機活塞在真實情況下的運動，本次Motion分析使用了兩個馬達，分別為一個線性馬達和一個旋轉馬達，具體參數見圖6、圖7。

在此條件下壓縮機完整的走完往復運動。

5? 結束語

本次仿真實驗旨在模擬此優化后的壓縮機在運行狀態下的應力情況，從結果來看，在運行時應力均在材料允許范圍內。并且經過motion分析，此壓縮機模型可以正常走完全程。本次仿真實驗主要完成的任務有：

①對優化后的往復式壓縮機利用Solidworks進行建模;②對優化后的往復式壓縮機的零件利用Solidworks建模;③對有限元理論做了介紹，并基于Solidworks對各主要部分進行有限元分析;④利用Motion插件對運動過程進行模擬。

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