悬架用活塞一体式二级压缩机性能的研究.pdf

书书书设 计 研 究 年 期（总第 期）悬架用活塞一体式二级压缩机性能的研究武晓，张铁柱，鲁力群，孙宾宾，倪萌，王昱文（山东理工大学交通与车辆工程学院，山东 淄博 ；山东泰展机电科技股份有限公司，山东 淄博 ）摘要：为了了解空气悬架用大、小活塞一体式二级往复空气压缩机的工作性能，为新机型设计、优化和物理样机实验提供依据。根据整体尺寸建立压缩机运动学数学模型，基于 对空气压缩机整个系统充罐过程进行建模和仿真，仿真得到新型空气压缩机一二级缸充罐过程中压力变化特性；并与传统单级压缩机型进行对比，仿真结果表明；新型二级活塞一体式空气压缩机在充罐压力较高时能保持较高的充气效率，在设定 工况下，气体对活塞作用力以及阻力矩峰值为传统机型的 和 ，并且曲线变化更平缓，说明采用新型二级压缩机型能有效提高容积系数，降低负载波动，提高压缩机运行稳定性。对两种机型进行了物理样机试验，试验结果表明：在储气罐 ，压力由大气压充压至 条件下，新机型升压时间相较传统机型用时少 ，在高压段新机型充气性能优于传统机型，仿真充罐规律与试验结果相吻合。关键词：活塞式压缩机；运动仿真；充罐过程；中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：基金项目：国家自然科学基金面上项目（），（，；，）：，设 计 研 究 年 期（总第 期），：；引言近年来随着空气悬架技术的发展，使得人们对汽车的操纵稳定性和平顺性有了更高的要求，其中空气压缩机作为空气悬架的气压源部分，其性能好坏直接影响到汽车的平顺性和操纵稳定性 。活塞式空气压缩机具有排气范围广、结构较为简单的特点被广泛应用于空气悬架空气供给单元 ，由于活塞往复式空气压缩机结构多采用多组曲柄连杆机构，导致机体体积大，且各种作用力大小和方向会发生周期性变化，目前国内外学者对空气压缩机结构型式以及动态负载特性做出了一定的研究 ，使压缩机更加紧凑，负载波动在接受范围内。何志龙等 基于较理想的气缸压力模型分析了压缩机运转过程动态力学性能；耿葵花等 详细介绍了一种摆杆约束往复活塞式压缩机，针对压缩机一个工作循环下的活塞气体力及气缸侧压力进行仿真分析；张新永等 建立了轨道车辆用活塞空压机供风特性模型，分析了供风过程一二级缸压力脉动，但对缸内压力一个工作循环的变化机理和规律以及一二级缸内压力关系没有进行深入研究；针对气瓶内充罐过程进行了理论和实验研究；研究忽略了由气罐压力变化对压缩机工作负载动态波动的影响，悬架用活塞往复式空气压缩机工作压力是随储气罐压力参数变化而变化的，因此对空气压缩机充罐过程缸内压力及负载等动态性能变化机理和规律进行研究，对于压缩机机型设计、优化和评测具有重要的指导意义。为充分了解新型二级活塞一体式空压机系统充罐过程动态特性，本文基于 建立传统单级和新型二级压缩机 系统模型，利用虚拟样机对一维模型中动力部分进行标定，研究空压机充罐过程中的动力特性以及系统压力变化规律，对新型二级活塞一体式压缩机性能优越性进行了验证。压缩机工作原理及运动学分析 空压机结构及工作原理本文研究的空压机主要部件结构如图 所示。其特点在于：（）电机采用偏心输出轴的形式，与传统空压机曲柄连杆机构相比减少了动力传递路径；（）一二级活塞设计为一体结构，满足压缩顺序的前提下，使得压缩机更加紧凑；（）一二级间气道直接在活塞体上加工，一定程度上减小由外壳体加工气道的气体损失。该空压机工作过程：活塞在销轴、小轴承、摆动连杆、大轴承及偏心轴的传动下，将电机的旋转运动转变为活塞的往复运动，其中，空压机一、二级进气阀均为阀片压入式结构的单向阀，二级排气阀为弹簧预紧的安全阀；活塞上止点开始运动，一级缸压力随容积逐渐减小而升高，反之二级缸压力逐渐减小，一级进气阀在一级缸内背压作用下保持关闭状态，当一二级缸内压差足够顶开二级进气阀时，一级缸气体沿着级间气道挤进二级气缸内，实现二级缸增压，直至一级缸压缩完毕；电机继续转动，二级缸开始压缩，当二级缸内压力对二级阀的作用力大于阀预紧力及背压作用力时 ，二级阀被顶开，压缩机开始排气，气体经二级排气阀进入干燥罐内，干燥过滤后的高压气体经排气口充入到储气罐中。空压机运动学数学建模根据空压机结构和工作原理，建立空压机运动学数学模型。表 是该空压机基本结构参数。图 是该空压机的运动部件原理简图，其中 点表示一级压缩止点，点表示二级压缩止点，点为电机旋转中心，、为大轴承、小轴承轴心的位置，为连杆与活塞轴线夹角，为偏心轴旋转角度；为该压缩机工作行程，数值为偏心距 的二倍；代表活塞的位移，规定上止点（一级压设 计 研 究 年 期（总第 期）缩止点）为起点，向下为正，其他相关结构尺寸参数如表 所示。现假设活塞处于 点时，此时的位移 ，规定速度、加速度的方向向下为正，压缩机以恒角速度 顺时针运行，由几何关系得到活塞在一个运动循环下的运动学方程。则活塞的位移 （）（）其中 ()，()，（）（）将公式（）（）带入公式（）可得一个工作循环的活塞位移方程（）（）（）()，（）（）()，（）表 新型压缩机基本结构参数名称符号参数值 电机轴偏心距 摆动连杆长度（大、小轴承轴心距离）一级活塞直径 二级活塞直径 级间气路直径 图 空压机运动原理简图式中 电机角速度 运行时间将公式（）位移 （）对时间 求导，可得活塞在一个工作循环的速度方程（）（）（）（），（）由上式（）对时间 求导，可得活塞在一个工作循环的加速度方程（）（）()（）()，（）将压缩机额定转速 （）即 （）带入运动学方程，利用数值分析软件 计算出活塞位移、速度及加速度的大小和变化规律。压缩机运动学分析及一维模型的建立 压缩机运动学分析基于 三维模型，根据新型二级往复式压缩机实际运动情况，在装配体中施加约束，建立虚拟样机 ，利用 功能对电机轴施加驱动马达 （），方向从偏心轴端看为顺时针，活塞初始位置处于一级活塞压缩止点 ，仿真时长设置为一个工作循环 。将 节理论分析运动学方程带入 中求解计算，得到的活塞运动曲线与 虚拟样机仿真结果进行对比，活塞位移、速度和加速度随偏心轴旋转角度 变化的数值与变化规律一致，结果如图 所示。在一个工作循环周期，由加速度公式（）求得，偏心轴旋转角度 在（，）和（，）区间内，加速度曲线存在零点，即速度在两个零点处存在极值 ，大小均在 左右，方向相反；活塞加速度分别在一级缸压缩止点 和二级压缩止点 时达到极值点，此时活塞速度均为 ，加速度大小分别为 、，方向相反；速度和加速度数值在压缩设 计 研 究 年 期（总第 期）机聚四氟乙烯密封环的允许范围内，符合密封环工作可靠性的指标要求。压缩机基于 一维系统模型建立本文依据压缩机的运动规律和充气特性，利用 一维仿真软件建立新型二级压缩机充罐过程的完整系统模型 ，并根据机型设计的结构尺寸以及性能要求对模型相关参数进行标定、仿真，研究压缩机在充罐时背压逐渐增大的过程中压力及负载变化规律及特性，压缩机一维模型如图 所示。模型主要由 个主要模块组成，分别为压缩机动力源模块、气缸 活塞模块、进、排气模块以及储气模块，其中动力模块 依据上一节压缩机运动学建模理论结果搭建一维等效运动模型，电机保持额定转速 。气缸 活塞模块 中一、二级活塞依照压缩机实际运行机理，一二级活塞之间直接采用机械刚性连接；缸径参数设置如表 所示，通过图 中 模块图标为 的 子模型中“”参数来设置一、二级缸中为安装进排气阀所产生的的余隙容积，依据实际三维模型测量得分别为 、；一、二级活塞模型分别选用子模型 和 ，保证动力输入端口 朝 向 模 块，通 过 模 块 参 数 中“”设置一、二级缸活塞顶部到压缩机缸盖间的高度余隙，分别为 和 。压缩机一级和二级进气阀均为阀片式气阀，一维模型中选用较为理想的 气动单向阀，如图 中 、模块中单向阀所示；二级排气阀区别于一、二级进气阀，类型为弹簧预紧的阀座式气阀，一维模型中用阀组件、质量块及弹簧模块共同组成二级排气阀组件，如图 中 模块二级排气阀所示，二级排气阀模型示意图如图 所示，其主要结构参数如表 所示。储气模块 主要包括压缩机和储气罐间的管路、储气罐以及储气罐安全阀，其中储气罐设置为 ，安全阀的开启压力设置为 ，其目的是储气罐达到要求压力 时，安全阀能根据罐内压力适时开启，保持罐内压力稳定在 。同样地，与新型二级压缩机一维模型建立相似，建立一代机型单级活塞压缩机一维系统模型。与新型二级压缩机机型相比，主要区别于单级压缩机采用单作用的一级活塞以及活塞直径尺寸，一代单级压缩机型的主要参数如表 所示。表 二级排气阀主要结构参数代号名称参数阀块抬升高度过程参数 升程限位 阀块直径 二级排气口内径 气阀弹簧刚度 时弹簧预紧力阀块质量 表 传统机型结构参数名称参数值 电机轴偏心距 连杆长度 活塞直径 主要高度余隙 图 压缩机活塞运动曲线图 压缩机一维系统模型设 计 研 究 年 期（总第 期）仿真结果与分析 充罐过程缸内压力分析新型二级往复式压缩机气缸内压力特性直接影响压缩机的工作性能指标，压缩机在往储气罐充压过程中气缸内压力是随背压以及活塞运动不断变化的，因此主要分析一、二级气缸压力变化规律。基于 一维模型仿真得到一、二级缸内压力充压过程变化规律。空压机将储气罐由大气压充压至 过程的一级缸压力变化曲线如图 所示。在整个充压过程中，一级缸的压缩止点压力随着储气罐压力的升高逐渐升高的，当储气罐约 达到 安全阀开启压力时，此时压缩机的背压是恒定的，压缩机一级压缩止点压力保持在稳定数值。图 中 点一级缸压缩止点压力变化率有明显变化，这是因为 点之前，由于储气罐建压较小，在一级气缸压缩过程，气体由于活塞运动由一级缸挤入二级缸，并在二级缸逐渐建立压力，当二级缸内气压对二级排气阀作用力大于背压作用力和阀预紧力时，二级排气阀会在一级缸压缩过程中打开，气体被排入储气罐中，一级缸压缩止点压力以较大速率增大。点后，由于储气罐建立一定压力，一级缸在对二级缸增压过程，二级阀不会提前开启，由于余隙容积的存在，充罐过程二级排气压力越来越高，使得二级气缸在压缩止点气缸余隙容积中未排出的气体压力越高，在二级缸进气阶段会发生膨胀，一级气缸给二级缸增压的止点压力就会不断升高，因此 点之后一级缸压缩止点压力随储气罐压力的升高而稳定上升。图 为空气压缩机将储气罐由大气压充压至 过程的二级气缸压力变化曲线。从图中可以看出，二级气缸的压缩止点压力是随着储气罐的压力升高也在逐渐增高，在储气罐达到 时，二级气缸压缩止点压力保持稳定。储气罐的压力逐渐增高，即二级排气阀阀后背压逐渐升高，二级气缸的压力对二级阀的作用力要高于阀块弹簧预紧力和阀后侧背压作用力的合力，二级阀阀块抬升，实现压缩机排气；其中背压是不断升高的，因此二级阀要求开启压力增大，二级气缸压缩止点压力随储气罐压力升高而不断升高。一个工作循环缸内气体压力分析压缩机一个工作循环的缸内压力变化能很好反映压缩机的工况条件，通过仿真得到压缩机背压为 即外接储气罐初始压力 条件下一个工作循环的缸内压力变化，分析一个工作循环的压力变化规律；活塞初始位置位于二级缸压缩起点，一个工作循环下一二级气缸的压力曲线以及二级气阀阀块升程曲线 ，仿真结果如图 所示。从图 中可知，在一个循环周期内，二级阀阀块在偏心轴旋转角度 时，阀块升程大于 ，即此阶段二级阀处于开启阶段，所以当偏心轴旋转角度为 ，压缩机二级缸对应于压缩阶段，且二级缸初始压缩压力在 （），满足压缩机一二级缸设计的分配压力比；当旋转角度 后，活塞到达二级缸压缩止点，此位置之后二级缸容积增大，但在短时间内二级缸内压力对二级阀座的作用力仍大于背压以及预紧弹簧对二级阀的作用力，二级阀依然保持短时间的开启，产生二级排气迟闭角，所以当偏心轴旋转角度为 ，压缩机二级缸均对应于排气阶段；其中 段，压缩机二级缸内实际排气压力高于名义排气压力线，产生一定的排气压力损失，由于排气过程中，为克服二级排气阀弹簧力、阀片惯性力以及排气阻力损失，所以压缩过程要延续到 点，又排气阻力在阀开启时是个动态变化值；因此排气过程压力并不是一条水平线，但缸内压力始终高于名义排气压力值，直至排气过程结束。图 二级排气阀模型示意图图 一级气缸充罐过程压力变化曲线图 二级气缸充罐过程压力变化曲线设 计 研 究 年 期（总第 期）当偏心轴旋转角度为 ，二级缸处于膨胀吸气阶段，一级缸处于压缩排气阶段。二级缸膨胀压力不断减小，一级缸压缩压力不断增大，当达到图中 点附近时，个缸的压力差达到二级进气阀的开启阈值，由于一级缸的缸径远大于二级缸缸径，活塞继续运动，虽然二级缸缸内容积增大，但一级缸对二级缸的增压效果更显著，因此 点至 （一级缸压缩止点），二级缸处于增压过程。两种机型性能仿真分析压缩机在储气罐 压力下，传统机型和新机型一个工作循环的气缸压力对活塞作用力曲线以及气体力作用到电机的阻力矩曲线分别如图 、所示。从图 、中可以看出，传统单级机型为满足排量要求，导致单级活塞尺寸较大，一个工作循环下气体对活塞作用力峰值高达 ，而新机型气体力峰值为 ，仅为传统机型的 ，并且相较于传统机型，气体力变化更平稳。其中气体对活塞作用力经连杆、偏心轴传到电机轴旋转中心，可对电机轴旋转中心构成阻力矩；气体力产生的阻力矩在一个工作循环会产生方向相反的变化，其中正阻力矩代表压缩过程中气体力对电机旋转中心的阻力矩与旋转方向相反，阻碍电机旋转；负阻力矩代表吸气过程由余隙容积的高压气体对电机旋转中心的阻力矩与旋转方向相同，促进电机旋转。如图 、中所示，传统单级压缩机型由气体力产生的阻力矩在 时达到峰值约 ，新型二级机型在 时阻力矩达到峰值约 ，仅为传统机型的 ，且新型二级往复压缩机的负载波动更小，运行更加平稳。通过建立的单级和二级压缩机一维模型，均以额定转速 下进行仿真，得到新机型与传统机型将 储气罐由大气压充压至 过程的储气罐压力仿真曲线，结果如图 所示。从图 中可以看出，二级压缩机将储气罐充至 所用时间更短，新型二级机型额定转速运行将储气罐由 升压至 用时 ，比传统机型用时缩短 。另外，从整个充罐过程看，传统单级压缩机机型前期的充压速度高于二级压缩机机型，这是由于传统机型考虑单级压缩容积系数低，故增大单级机型的排量；传统机型的工作容积设计为 ，相较于新机型的工作容积增加了 ，在前期缸内压力较低时，单级压缩机缸内气体膨胀对进气影响较小，传统机型在一个工作循环进气量大于新机型，所以前期的充压速度高于二级压缩机机型；但是，随着储气罐压力逐渐升高，单级压缩机的充压速率明显减慢，随着压力比的上升，压缩止点余隙容积中的高压气体膨胀所占的容积增大，从而使气缸的充气情况恶化，而新机型采取二级压缩的方式，每一级的压力比降低，使得容积系数增高，因此随着背压的升高，对二级压缩机充气速率的影响更低。充罐性能试验与仿真条件一致对 的储气罐进行两种机型物理样机的充罐性能试验。个机型充罐过程储气罐压力曲线如图 所示，将新旧机型的物理样机试验数据作对比，对比结果如表 所示。由试验结果可知，传统单级机型到达 的时间相较于两级活塞一体式机型快 ，但是到达储气罐安全阀的开启压力 的时间相较于新表 两种压缩机试验结果对比压缩机类型压力到达 所用时间 压力到达安全阀 所用时间 传统单级机型 两级活塞一体式机型 图 背压 下一个工作循环的压力曲线图 传统机型活塞气体力及气体力阻力矩曲线图 新机型活塞气体力及气体阻力矩曲线设 计 研 究 年 期（总第 期）图 新机型与传统机型充罐压力仿真对比图 两种机型充罐试验压力结果机型慢 ，新机型较传统机型该工况下充气时间缩短 ；从图 可以看出，在低压段传统单级机型的充气速率更快，随着储气罐建立压力越高，传统机型充气速率明显降低，新机型的充气速率虽也有降低，但在高压段新机型的充气速率高于传统机型；由于仿真模型未考虑电机以及泄漏等影响，设置为电机额定转速运行，故充罐时间要快于试验结果，其中 个物理样机充罐性能试验数据的规律和趋势与一维模型的仿真结论保持一致。结论（）分析了活塞一体式二级压缩机的内部结构和工作原理，建立其运动学数学模型，进行运动学分析。（）基于 建立的压缩机一维系统模型对压缩机充罐过程中的压力变化特性进行仿真分析，得到了整个充罐过程以及储气罐达到要求压力 下一个工作循环内的一、二级气缸压力变化曲线，基于一维压缩机系统压力变化特性仿真结果对压缩机设计、优化和评测等提供分析方法和依据。（）对传统单级压缩机和新型二级压缩机的主要性能进行仿真分析，在额定转速下，新型二级压缩机机型充罐至 的耗时比传统单级机型缩短 ，并且新型二级压缩机型在较高背压下充气速率更高；在背压 的一个工作循环下，新型二级压缩机机型缸内压力对活塞作用力及气体力的阻力矩峰值更小，且曲线变化更平稳，说明新型二级压缩机机型负载波动小，运行更平稳，证明新机型的优越性。（）种机型样机试验结果与仿真分析结论吻合，本文的研究思路和方法能够指导活塞式空气压缩机的设计。参考文献：王斌 某型乘用车空气悬架供气系统设计及匹配 合肥工业大学，：，（）：杨信一 空气压缩机的选型和运行情况分析 石油与天然气化工，（）：宋占凯 二维（）微型中压空压机的设计与研究 浙江工业大学，：，（）：，（）：何志龙，韩耀祥，郭旭 新型双对置活塞压缩机理论计算与动力分析 流体机械，（）：耿葵花，郭靖，耿爱农，等 摆杆约束往复活塞式压缩机的虚拟仿真分析 广西大学学报（自然科学版），（）：张新永，杜群威，杨永勤，等 基于 的轨道车辆用活塞空压机运动仿真与分析 铁道机车车辆，（）：，（）：郁永章 活塞式压缩机 北京：机械工业出版社，：邓晶，钟蔚，鲁川，等 基于 的活塞压缩机运动学和动力学仿真 压缩机技术，（）：，：，：包彬彬，张?新，马增辉，等 往复压缩机变工况下吸气阀运动及冲击特性研究 流体机械，（）：作者简介：武晓（），男，山东临沂人，在读硕士研究生，现就读于山东理工大学交通与车辆工程学院。：通信作者：张铁柱（），男，河北盐山人，博士，教授，主要研究方向为车辆工程、能源动力。