微型高压空压机动力学优化设计.pdf

第4 8 卷第1期2024年1月doi:10.11832/j.issn.1000-4858.2024.01.019摘要：随着高压空气作为新型清洁动力源和冷却源的应用越来越多，微型高压压缩机便成为该领域研究的一项重点。传统的压缩机经验设计方法很难满足所有设计要求的最优方案。在传统热力设计的基础上，充分考虑压缩机的动力平衡特性，以各级缸径为主要设计变量，以各级气体力合力为优化目标开展多目标多变量优化研究。经过动力学优化设计，压缩机各级气体力相比传统设计更加均衡。气体力合力最大值降低了18.4%，合力的波动幅值降低了5 6.1%，同时指示功率也降低了4.2%。关键词：微型高压空压机；气体力；动力学；优化设计中图分类号：TH138文献标志码：B文章编号：10 0 0-4 8 5 8(2 0 2 4)0 1-0 15 9-0 6Dynamic Optimization Design of Miniature High-pressureAbstract:With the high-pressure air being extensively used as a new clean power source and cooling source,theminiature high-pressure compressor has become a focus in this field.However,the traditional empirical designmethod is difficult to obtain the optimal compressor scheme that meets all the design requirements.Based on thetraditional thermodynamic design,this paper fully considered the dynamic balance characteristics of the compressorand carried out multi-objective and multi-variable optimization research,with cylinder diameter of each stage as themain design variable and gas force of each stage as the optimization objectives.Through the dynamic optimizationdesign,the gas force of compressor at all levels is more balanced than that of traditional design.The maximumaerodynamic force decreases by 18.4%,the amplitude of resultant force decreases by 56.1%,and the indicatingpower decreases by 4.2%.Key words:miniature high-pressure compressor,gas force,dynamic,optimization design引言高压气体在石油、化工、船舶、军事、救援和食品等领域有着广泛的应用 。目前用于输出高压气体的压缩机体积重量均相对较大,且大多为油润滑。随着对压缩空气的洁净度要求越来越高，对压缩机的重量指标要求越来越轻,对空间尺寸的要求越来越紧凑,对高压空压机提出了微型化与无油化的要求。针对微型无油高压空压机,高晓辉等 2 开发了一种风轮加斜盘柱塞式压缩机,结合了速度型压缩和活塞式压缩的优势。刘永光等 3 开发了一种斜盘式超液压与气动Chinese Hydraulics&Pneumatics微型高压空压机动力学优化设计杜鑫，李鹏飞（庆安集团有限公司，陕西西安7 10 0 7 7）Air CompressorDU Xin,LI Peng-fei(QingAn Group Co.,Ltd.,Xian,Shaanxi 710077)收稿日期:2 0 2 2-0 2-16作者简介：杜鑫（1992 一），男，陕西咸阳人，工程师，博士，主要从事微型高压压缩机设计方面的研发工作。Vol.48 No.1January.2024高压空气压缩机和一种摆盘式超高压空气压缩机 4 ,克服传统超高压空气压缩机笨重的问题。DENGYipan等 5 在斜盘式压缩机上采用3D打印技术将级间冷却流道加工在阀板之中，在极小空间内实现了多级高压压缩机的级间冷却，提高了压缩机的等熵效率 6 。可见轴向压缩的斜盘或摆盘压缩机构型具有修回日期：2 0 2 3-0 6-2 3160独特的优势可实现压缩机的微型化。全继刚等 6 分析了余隙容积对微型高压斜盘压缩机容积效率的影响,邓亦攀等 8 对微型高压斜盘式压缩机效率开展了数值分析，并研究了各级容积效率及嫡效率与转速之间的关系。王海等 9 将微型高压斜盘压缩机的热力复算过程与级间换热过程进行耦合分析,提高了热力学分析的准确性。这些研究针对微型高压斜盘压缩机的热力学效率进行了分析研究，给出了微型高压压缩机热力学性能的优化思路。然而，对于微型摆盘无油高压压缩机而言，由于其结构尺寸受限，各级关节承受比压较大，因此在进行压缩机总体设计时就应充分考虑动力平衡特性。陆益民等 1 以斜盘毂和驱动盘的主要参数为优化设计变量，以压缩机的动不平衡量最小为优化目标，通过改善斜盘毂和驱动盘，使压缩机振动降为原来的2/3。李俊德 12 和李佳沅 13 开展了斜盘式变排量压缩机的机构动力学分析与改进,改善了斜盘压缩机的动不平衡量和斜盘运动的卡滞。通过改进压缩机的动力学特性可使压缩机的受力情况更优，运行噪声和振动降低。WANGShengli等 9 对小型高速无油摆盘压缩机的试验研究发现,摆盘关节承受较大的pv值,强烈的摩擦使得摆盘关节非常容易磨损失效。因此有必要在该类压缩机进行热力学设计时就充分考虑动力平衡特性。传统的压缩机热力学设计实际上是一种试凑法，一般得到的只是可行方案中的一种方案，不是所有满足设计要求方案中的最优方案 14 。而对于特殊的压缩机，应根据其实际情况在常规热力学设计的基础上充分考虑其他设计目标进行优化设计 15 本研究针对摆盘活塞式微型高压压缩机，在热力学设计时充分考虑动力平衡特性，对压缩机开展动力学优化设计研究。1摆盘活塞式压缩机摆盘活塞式压缩机是一种结构紧凑的轴向压缩液压与气动2理论模型2.1热力计算过程一般在进行往复压缩机设计时，首先进行热力计算。热力计算时根据容积流量与排气压力，确定压缩机级数、各级热力参数、各级工作容积大小、所需轴功率及相应的效率等。通常热力计算的步骤如下：（1）结构型式与方案选择；（2）确定各级压力比分配；（3）计算与容积流量相关的各系数；（4）计算各级气缸行程容积和气缸直径；（5）计算缸径圆整后的压力重新分配及相对余隙容积；（6）计算各级级间实际压力。2.2热力复算过程热力复算是对主要结构尺寸和进、排气压力已知的压缩机，求取其级间压力、容积流量、最大活塞力、功率和效率等。一般情况下，热力复算的步骤如图1所示。计算假想工作容积确定各级进气压力计算容积系数、排气温度与压缩性系数复算级间压力和各级压比计算容积系数计算各级每转进气量，复算计算精度Vmi/max0.97mir第4 8 卷第1 期否机,其带有一定倾斜角度斜面的斜转体固定在主轴上，不旋转的摆盘靠在斜转体的斜面上，气缸均匀地布置在摆盘同一侧，原动机驱动主轴及斜转体转动时，推动摆盘摆动,通过连杆带动活塞在气缸内做往复运动，从而完成压缩机的工作过程。以某四级摆盘活塞压缩机为例进行优化设计分析，该压缩机主要设计指标及部分参数：排气压力35MPa；排气流量130 L/min；活塞行程2 5 mm；转速1200 r/min。是复算最终容积流量、功率和效率图1热力复算步骤图Fig.1Thermodynamic recalculation step2.3动力学模型对于微型摆盘式四级活塞压缩机，各级活塞力主要由气体力、往复摩擦力和往复惯性力组成。由于微型压缩机各级往复惯性质量较小，对应往复惯性力较2024 年第1 期小，一般在2 0 N以内,可以忽略；各级摩擦力一般小于200N,且和各级活塞密封及导向形式有关,在本研究动力学优化中主要考虑各级缸径设计对压缩机总体动力学特性的影响,因此在该模型中忽略摩擦力。在本研究的气体力计算中,以一级活塞位于上止点为0 开始计算，四级相位为90，二级相位为18 0，三级相位为2 7 0；规定气体力的正方向为使活塞杆受压的方向。压缩机的气体力计算如下：Fgi=(pi-Pam)A,式中，Fg一第i级的气体力P:一一第i级对应过程的气体压力Pam一大气压A,一一第i级活塞面积上述进气过程与排气过程的气体压力p对应为实际进气压力p和实际排气压力pa，对于压缩过程和膨胀过程p值计算如下：压缩过程：Pe=Ps(2+(1-cos0)膨胀过程：2P=Pd(2+(1-cos0)式中，一一余隙容积一摆盘转角n压缩指数（各级压缩指数分别取1.33，1.372,1.4,1,4)m膨胀指数（各级膨胀指数分别取1.2，1.25,1.3,1.4)各级气体力合力为：4ZF=ZFgi=12.4动力学优化模型摆盘活塞式压缩机主要承受各级气体力，以各级气体力的极差值F和合力的最大值ZFmax为优化目标,采用线性加权的方式构建多目标优化函数F=k,ZFmax+kzF，考虑到优先使气体力合力最小,ki取0.6,k取0.4。以二、三、四级气缸直径为优化变量，建立多目标数学模型如下：(5)minF(dz,ds,da)式中，d,一一二级缸径d,三级缸径d4四级缸径液压与气动动力学优化过程为：热力学设计计算动力学计算各级气体力与合力一确定优化目标与优化变量一热力复算一动力学计算与优选对比分析优化前后结果。上述热力计算和热力复算各步详细计算过程参考容积式压缩机技术手册14 。3结果及讨论3.1初始设计结果(1)按照正常热力计算过程，参考容积式压缩机技术手册，在进行压力比分配时，在等压比分配的基础上,为提高压缩机容积效率，一级压比8 1取（0.90 0.95）/e；气体充瓶用压缩机，末级压力比取（1.10 1.20）/e。本研究进行设计时，各级压比分配按下式计算：81=0.92/E82=/8/81842(1+)(2)m(3)(4)161(6)83=/0/818484=1.15/e式中，8 一总压比通过热力学计算，各级气缸直径如表1所示。根据热力学计算结果，进行动力学计算，计算各级气体力及气体合力如图2 所示。表1各级气缸直径Tab.1Cylinder diameter of each stage一级缸径/mm二级缸径/mm三级缸径/mm四级缸径/mm97507000600050004000300体力200010000-10000图2 各级气体力及气体合力Fig.2Gas force of each stage and gasresultant force24二级气体力三级气体力四级气一级气体力90180/()13合力270360162由图2 可知，经过热力学初步计算,压缩机各级气体力不均衡，四级气体力明显偏大。各级最大气体力分别为2 2 6 3，3132，2 7 98，4 7 32 N，其中四级最大气体力比一级最大气体力大2 4 6 9N。由于四级最大气体力与其他各级相差过大，气体合力最大值与波动值也较大。气体合力最大值为6 96 3N，合力的极差值为2776N。综上分析，需要对热力学初步计算的结果进行进一步动力学优化。3.2复算优化结果按照正常的热力学设计方法，对于微型充瓶压缩机，各级气体力分配不均衡，因此在热力计算的基础上，略微调整各级缸径，使得各级气体力更为均衡，总的合力值和波动幅度均降低。根据上述计算结果，各级缸径调整原则如下：（1）为保证不影响吸气量，一级缸径保持不变；（2）由于四级气体力明显高于其余各级，且四级排气压力不变，因此降低四级气体力需减小四级缸径；同时若提高前三级排气压力,则二三级缸径也需减小；（3）考虑到工程加工与结构强度要求，气缸直径均取整数,且四级缸径最小取10 mm。按照上述原则,每个需调整的缸径取3个值,重新调整后的各级缸径共2 7 组，具体如表2 所示。对上述缸径调整结果逐一进行热力复算得到各级级间压力，然后进行动力学计算得到各级气体力与合力，按照2.4 节所述模型计算优化目标值F,计算得上述2 7 组的优化目标力F如图3所示。500045002400035003000135 7911 13 1517 19 2123 25 27序号图3调整缸径后各组动力学优化目标值Fig.3 Dynamic optimization target value of eachgroup after adjusting cylinder diameter在图3中,序号1 9的四级缸径为12 mm,序号1018的四级缸径为11mm,序号19 2 7 的四级缸径为10 mm。从图中可知，当四级缸径为11 mm时，优化目标值整体偏小，因此将四级缸径从13mm降低液压与气动Tab.2Cylinder diameter adjustment results at all stages一级缸径二级缸径三级缸径四级缸径序号mm197297397497597697797897997109711971297139714971597169717971897199720972197229723972497259726972797至11mm时动力学最优。在序号10 18 中,第16 组的优化目标值最低，即该组缸径组合是动力学最优的。第 4 8 卷第1 期表2 各级缸径调整结果mmmm482249225022482449245024482349235023482249225022482449245024482349235023482249225022482449245024482349235023mm1212121212121212121111111111111111111010101010101010102024 年第1 期方案缸径/mm实际压比最大气体力/N指示功率/W总指示功率/W优化目标/N该组各级缸径分别为97，4 8，2 3，11mm,对应优化目标值为38 95 N。3.3优化结果与原结果的对比分析对比分析优化前后的热力学与动力学结果，如表3所示。优化后压缩机各级气体力及合力值，如图4所示。700060005000四级气体力二级气体力三级气体力40003000200010000-10000图4 优化后各级气体力及气体合力Fig.4 Gas force of each stage and gas resultantforce after optimization从表3和图4 可以看出，通过动力学优化,压缩机各级气体力更加均衡，气体力合力最大值和波动幅度降低，压缩机指示功率也略有降低。优化后二级缸径由5 0 mm减小至4 8 mm，三级缸径由2 4 mm减小至23mm,四级缸径由13mm降低至11mm。各级缸径优化后，四级最大气体力由4 7 32 N降低至338 8 N，降低了2 8.4%；气体力合力最大值由6 96 3N降低至5680N，降低了18.4%；合力的波动幅值由2 7 7 6 N降低至12 18 N，降低了5 6.1%；指示功率由2 5 7 4 W降低至2 4 6 6 W,降低了4.2%。液压与气动表3优化前后结果对比Tab.3Comparison of results before and after optimization原方案一级二级97504.324.732263313257962825745288合力一级气体力901800/()163优化方案三级四级24134.006.00279847325518154结论摆盘活塞式微型高压空压机在进行设计时，由于其结构尺寸有限,压缩机各级活塞杆承受比压较大，需要充分考虑动力平衡特性。本研究在传统的热力设计基础上，通过结合热力复算与动力计算建立了压缩机动力学优化设计模型，经过动力学优化设计，压缩机各级气体力相比传统设计更加均衡。气体力合力最大值降低了18.4%，合力的波动幅值降低了5 6.1%，指示功率降低了4.2%。参考文献：1LUO Yuxi,WANG Xuanyin.Exergy Analysis on ThrottleReduction Eficiency Based on Real Gas Equations J.Energy,2010,35(1):181 187.2高晓辉，刘永光，赵哲，等.机载微型高压压缩机：110 6 4 5270360一级974.672424599161P.2020-01-03.GAO Xiaohui,LIU Yongguang,ZHAO Zhe,et al.AirborneMiniature High Pressure Compressor:110645161 P.2020-01 03.3刘永光，杨晓伟，高晓辉，等.超高压空气压缩机：10 38 99510P.2014-07-02.LIU Yongguang,YANG Xiaowei,GAO Xiaohui,et al.SuperHigh Pressure Air Compressor:103899510 P.2014-07-02.4刘永光，杨晓伟，胡慧，等.超高压空气压缩机：10 4 7 912 2 0 P.2015 07 22.LIU Yongguang,YANG Xiaowei,HU Hui,et al.SuperHigh Pressure Air Compressor:104791220 P.2015-07-22.二级484.84309761524663895三级234.703225600四级114.6133886521645DENG Yipan,MIAO Na,LIU Yinshui,et al.Investigationon Cooling Efficiency of a 3d-Printed Integrated Inter CoolerApplicable to a Miniature Multi-Stage Compressor J.International Journal of Refrigeration,2019,（10 0):2 95-306.6LIU Yinshui,MIAO Na,DENG Yipan,et al.EficiencyEvaluation of a Miniature Multi-Stage Compressor underInsufficient Inter-stage Cooling Conditions J.InternationalJournal of Refrigeration,2018,(97):169-179.7全继钢,石文星,刘银水，等.余隙容积对微型高压压缩机容积效率的影响 J.液压与气动,2 0 19，（7：114-119.TONG Jigang,SHI Wenxing,LIU Yinshui,et al.Effects ofClearance Volume on Volumetric Efficiency of a MiniatureHigh-pressure Compressor J.Chinese Hydraulics&Pneumatics,2019,(7):114-119.8邓亦攀，苗娜，刘银水，等.微型高压压缩机效率的数值分析 J.液压与气动,2 0 19,（11)：6 3-6 8.DENG Yipan,MIAO Na,LIU Yinshui,et al.NumericalAnalysis on Efficiency of a Miniature High PressureCompressor J.Chinese Hydraulics&Pneumatics,2019,(11):63-68.9王海，王苗，王素金，等.微型高压压缩机热力复算模型改进 J.压缩机技术,2 0 15,（2)：14-17.WANG Hai,WANG Miao,WANG Sujin,et al.Improvementsof Thermodynamic Calculation Model of High-pressureMicro-compressor 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