第5章 活塞压缩机动力计算.pdf

第5章 活塞压缩机动力计算容积式压缩机课程组容积式压缩机课程组郭蓓郭蓓2010.32什么是动力计算？?热力计算热力计算?级数级数?气缸几何参数气缸几何参数?电机电机?气阀气阀?。?动力计算动力计算?各部件的受力分析各部件的受力分析3为何要进行动力计算？为何要进行动力计算？?运动部件的疲劳运动部件的疲劳应力、变形应力、变形分析基础分析基础?曲轴曲轴弯曲疲劳断裂、扭振破坏弯曲疲劳断裂、扭振破坏?连杆连杆及其及其螺栓螺栓疲劳断裂疲劳断裂?活塞杆活塞杆断裂断裂?轴承、轴瓦轴承、轴瓦过早破坏过早破坏?活塞力活塞力的提出的提出?解决解决惯性力不平衡惯性力不平衡问题问题?不平衡惯性力是压缩机不平衡惯性力是压缩机振动振动重要原因（气流脉动也会激发振动）重要原因（气流脉动也会激发振动）?不同结构形式不同结构形式（V、W、对动等）都以解决惯性力平衡为首要目标、对动等）都以解决惯性力平衡为首要目标?解决解决负载力矩波动负载力矩波动问题问题?导致导致电压大幅度波动电压大幅度波动?转速波动转速波动?解决措施：增加惯性解决措施：增加惯性飞轮飞轮4如何进行动力计算？如何进行动力计算？认识往复活塞式压缩机：Tell me,I forget it;Teach me,I remember it;Involve me,I learn it;5曲柄曲柄连杆机构的感性认识连杆机构的感性认识?实例实例1：无十字头（中小型）：无十字头（中小型）双双W型型？6?实例实例2：有十字头（大中型）：有十字头（大中型）曲柄曲柄连杆机构的感性认识连杆机构的感性认识7曲柄曲柄连杆机构的感性认识连杆机构的感性认识?运动机构中的零部件运动机构中的零部件?曲轴连杆十字头活塞曲轴连杆十字头活塞？8如何进行动力计算？如何进行动力计算？?复杂?简单复杂?简单?运动部件（曲柄连杆机构）运动部件（曲柄连杆机构）?曲轴、连杆、活塞、（十字头、活塞杆）曲轴、连杆、活塞、（十字头、活塞杆）?简化模型简化模型?曲柄销中心点的回转运动曲柄销中心点的回转运动?活塞销（或十字头销）中心点的往复直线运动活塞销（或十字头销）中心点的往复直线运动?连杆做平面运动连杆做平面运动9如何进行动力计算？如何进行动力计算？气缸中心线气缸中心线（列）（列）轴轴侧侧盖盖侧侧10如何进行动力计算？如何进行动力计算？?作用在压缩机上的力主要包括哪几种？作用在压缩机上的力主要包括哪几种？?气体力气体力?惯性力惯性力?摩擦力摩擦力v11惯性力计算?曲柄连杆机构的运动分析曲柄连杆机构的运动分析?活塞的往复运动分析活塞的往复运动分析?曲柄销的回转运动分析曲柄销的回转运动分析?连杆做平面摆动连杆做平面摆动?名词术语名词术语?外止点、内止点外止点、内止点?行程（行程（S2r）?曲柄半径连杆比（）曲柄半径连杆比（）12曲柄曲柄连杆机构的运动分析连杆机构的运动分析?活塞（往复）运动分析活塞（往复）运动分析?位移位移?速度速度?加速度加速度)2sin2(sin)sin122sin(sin22+=rrdtdxv)2cos1(4)cos1()sin11()cos1()coscos()(22+=+=rrrrlrlxL=8sin2sin1sin14422220 xxlrl+rddt=22322223/2222cos21sin 2cos4(1sin)2 1sin(coscos2)d xadtrr=+sinsinrl=rl=13曲柄曲柄连杆机构的运动分析连杆机构的运动分析?活塞（往复）运动特点活塞（往复）运动特点(1 cos)(1 cos2)4xr+040801201602002402803203600.00.51.01.52.0 xrotation angle简谐运动简谐运动04080120160200240280320360-150-100-50050100150velocityrotation angle04080120160200240280320360-15000-10000-5000050001000015000arotation angle(sinsin2)2vr+2(coscos2)ar+14曲柄曲柄连杆机构的运动分析连杆机构的运动分析?曲柄销（旋转）运动曲柄销（旋转）运动?假设为匀速旋转，旋转的角速度为假设为匀速旋转，旋转的角速度为2rar=rvr=?连杆（平面摆动）运动连杆（平面摆动）运动*2/322222222)sin1(sin)1(sin1cos)sinarcsin(=dtddtdcc摆角加速度摆角速度摆角位移15惯性力计算惯性力计算?惯性力的分类惯性力的分类?往复惯性力往复惯性力?旋转惯性力旋转惯性力?质量的转化质量的转化?质量转化原则：质量转化原则：保持系统动力学上的有效性保持系统动力学上的有效性?活塞、活塞杆、十字头活塞、活塞杆、十字头?连杆连杆?曲轴曲轴pmlmlm kmkm 16惯性力计算惯性力计算?质量的转化质量的转化=+=21lmlmmmmlllll()llmm4.03.0=()llmm6.07.0=17惯性力计算惯性力计算rmmmkkk+=?质量的转化质量的转化18惯性力计算惯性力计算?质量的转换质量的转换?往复运动质量往复运动质量?回转运动质量回转运动质量?往复惯性力往复惯性力)2cos(cos222+=rmdtxdmIsslpsmmm+=lrrklmmm=+04080120160200240280320360-15000-10000-5000050001000015000FISrotation angle19惯性力的计算惯性力的计算?回转惯性力回转惯性力?惯性力的方向惯性力的方向?公式中的负号表示惯性力与公式中的负号表示惯性力与x轴正方向一致轴正方向一致?活塞力合成中规定惯性力正方向使连杆受拉活塞力合成中规定惯性力正方向使连杆受拉(x轴负方向轴负方向)?为了两者正方向统一，将公式中负号去掉为了两者正方向统一，将公式中负号去掉rmIrr2=20作用力的计算作用力的计算?气体力气体力?原则：原则：考虑全面，不遗漏考虑全面，不遗漏?做法：做法：分别计算各个压缩腔分别计算各个压缩腔?单作用：单作用：盖侧、轴侧盖侧、轴侧?双作用：双作用：盖侧、轴侧、活塞杆盖侧、轴侧、活塞杆?级差式：级差式：分别计算各级压缩腔分别计算各级压缩腔(及平衡腔及平衡腔)?各个压缩腔内气体力计算各个压缩腔内气体力计算?p-V图或者图或者p-x图转化图转化(热力计算结果热力计算结果)?轴侧、盖侧采用相同转角基准轴侧、盖侧采用相同转角基准?气体力的方向气体力的方向gipiFp A=II级压力III级压力平衡压力(I级)曲轴箱压力曲轴箱压力轴侧轴侧盖侧盖侧轴侧轴侧盖侧盖侧pxdpspS0gFx02gFx0221摩擦力的计算摩擦力的计算?摩擦力摩擦力?往复摩擦力往复摩擦力?活塞与气缸壁活塞与气缸壁?活塞杆与填函活塞杆与填函?十字头与滑道十字头与滑道?旋转摩擦力旋转摩擦力?活塞销（或十字头销）与连杆小头活塞销（或十字头销）与连杆小头?曲柄销与连杆大头曲柄销与连杆大头?主轴颈与主轴承间主轴颈与主轴承间?近似计算近似计算?往复摩擦占摩擦功耗往复摩擦占摩擦功耗6070?旋转摩擦占摩擦功耗旋转摩擦占摩擦功耗3040?摩擦力的方向摩擦力的方向?往复摩擦力向轴行程为正往复摩擦力向轴行程为正?旋转摩擦力正方向与压缩机转向相反旋转摩擦力正方向与压缩机转向相反SnNFmif260)11()7.06.0(=SnNFmir60)11()3.04.0(=22单列压缩机中的作用力单列压缩机中的作用力?分析方法：典型结构分析方法：典型结构(带十字头带十字头)；研究对象分离；研究对象分离?活塞活塞+活塞杆活塞杆:气体力 惯性力气体力 惯性力 摩擦力摩擦力活塞力活塞力?十字头十字头+活塞杆活塞杆+连杆连杆:活塞力活塞力 连杆力 侧向力连杆力 侧向力摩擦力摩擦力(已计算到已计算到Fp内)?曲柄销曲柄销:连杆力连杆力 切向力 法向力切向力 法向力（旋转惯性力呢？）（旋转惯性力呢？）?曲轴曲轴:连杆力连杆力(轴承座轴承座)支反力支反力 驱动力矩驱动力矩pgISfFFFF=+FgFfFp注意力的正方向注意力的正方向:使连杆受拉为正FpFlFN22sin1sinNppFF tgF=FpFN221cos1sinplpFFF=FlFTFR/2cos()cos()cosRlpFFF+=+=sin()sin()cosTlpFFF+=+=FlMdFb()sincosdTfpfMF rMF rF r+=+=+ISF23作用力作用力(矩矩)对压缩机的影响对压缩机的影响?气体力及往复摩擦力气体力及往复摩擦力?未抵消的往复惯性力、未平衡掉的旋转惯性力未抵消的往复惯性力、未平衡掉的旋转惯性力?倾覆力矩倾覆力矩?阻力矩（包括旋转摩擦阻力矩）阻力矩（包括旋转摩擦阻力矩）()sincosNNpMF bF r+=gFgFfFfFNFNFlFlFpFNFpgISfFFFF=+ISFbIrFfM24飞轮的作用?曲轴的加速、减速现象曲轴的加速、减速现象?飞轮的作用飞轮的作用JMMdy=25单作用压缩机单作用压缩机列的列的活塞力、切向力、法向力活塞力、切向力、法向力26双作用压缩机双作用压缩机列的列的活塞力、切向力、法向力活塞力、切向力、法向力27单、双作用压缩机单、双作用压缩机列的列的切向力切向力28切向力的合成?切向力合成的基本准则切向力合成的基本准则?多列压缩机，总切向力是各列切向力与总旋转摩擦力的总和，是外界驱动机要克服的压缩机的总阻力。多列压缩机，总切向力是各列切向力与总旋转摩擦力的总和，是外界驱动机要克服的压缩机的总阻力。?合成时需进行角度转换。因为各列的计算基准均为该列的外止点位置。合成时需进行角度转换。因为各列的计算基准均为该列的外止点位置。?当曲柄半径不同时，应换算至同一基准。当曲柄半径不同时，应换算至同一基准。29切向力的合成30飞轮矩的确定1.平均切向力?阻力矩一转的耗功阻力矩一转的耗功?驱动力矩一转的耗功驱动力矩一转的耗功?平均切向力平均切向力=2020rdTdMWzyzrTrdTdMWmmdd22020=220=dTTzm31?压缩机所需的驱动功即压缩机的轴功压缩机所需的驱动功即压缩机的轴功?惯性力的存在，不影响功率的消耗，即压缩机一转之中，惯性力对外不做功。惯性力的大小只改变压缩机中作用力的分布规律。rnNTzm30=32飞轮矩的确定33?压缩机正常工作时，不允许较大的角速度波动，否则导致电机电流的波动甚至电网电压的波动，也会给压缩机运动件的连接处带来附加载荷。压缩机正常工作时，不允许较大的角速度波动，否则导致电机电流的波动甚至电网电压的波动，也会给压缩机运动件的连接处带来附加载荷。?措施：加装飞轮，利用飞轮的惯性矩减少压缩机的速度波动。措施：加装飞轮，利用飞轮的惯性矩减少压缩机的速度波动。34旋转不均匀度?压缩机允许的旋转不均匀度，主要取决于驱动机本身的要求，以及阻力矩与驱动力矩的传递条件。压缩机允许的旋转不均匀度，主要取决于驱动机本身的要求，以及阻力矩与驱动力矩的传递条件。?皮带传动：皮带传动：?（半）弹性联轴器：（半）弹性联轴器：?较大功率异步电动机，刚性联轴器，较大功率异步电动机，刚性联轴器，?同步电机，其它同上同步电机，其它同上?小功率同步 电机：小功率同步 电机：mminmax=401301801100110012001150135飞轮矩的计算?飞轮一转中的能量变化：飞轮一转中的能量变化：?飞轮的惯性矩：飞轮的惯性矩：?平均角速度：平均角速度：()22min2max21mJJL=2224014GDDgGmRJ=30nm=223600nLGD 36一转之中能量变化值的计算?由总切向力曲线积分得到由总切向力曲线积分得到()rdTTLmz=101()rdTTLmz=202()rdTTLnmzn=0minmaxLLL=373.压缩机方案对能量变化值的影响压缩机方案对能量变化值的影响?飞轮一转中的能量变化值取决于压缩机总切向力的均匀性；压缩机总切向力的均匀性与压缩机的结构方案相关。飞轮一转中的能量变化值取决于压缩机总切向力的均匀性；压缩机总切向力的均匀性与压缩机的结构方案相关。?影响因素：影响因素：?气缸排列方式：对动式、对置式、气缸排列方式：对动式、对置式、L型型?气缸容积的利用方式：单作用、双作用、级差式气缸容积的利用方式：单作用、双作用、级差式?气缸的列数气缸的列数?曲拐错角、气缸中心线夹角、哪列超前哪列滞后曲拐错角、气缸中心线夹角、哪列超前哪列滞后38转矩平衡及飞轮矩的确定转矩平衡及飞轮矩的确定?转矩波动问题转矩波动问题?压缩机结构方案对转矩波动影响压缩机结构方案对转矩波动影响2列双作用对动式2列双作用L型不同结构形式对比不同结构形式对比39转矩平衡及飞轮矩的确定转矩平衡及飞轮矩的确定?转矩波动问题转矩波动问题?压缩机结构方案对转矩波动影响压缩机结构方案对转矩波动影响4列双作用对动式1)列数增加影响列数增加影响2)列配置影响列配置影响40经典结构：经典结构：6列双列双W型型转矩平衡及飞轮矩的确定转矩平衡及飞轮矩的确定4142不同曲拐错角对整机切向力的影响?两列立式压缩机两列立式压缩机?单作用，曲拐错角为单作用，曲拐错角为180度度?双作用：曲拐错角为双作用：曲拐错角为90度。度。43哪列超前或滞后对整机切向力的影响44惯性力惯性力(矩矩)的平衡的平衡?单列压缩机旋转惯性力（矩）单列压缩机旋转惯性力（矩）?曲柄相反方向装平衡重：曲柄相反方向装平衡重：1块（产生惯性力矩）；块（产生惯性力矩）；2块（完全平衡）块（完全平衡）?飞轮上装平衡重飞轮上装平衡重00rrmmr=45惯性力惯性力(矩矩)的平衡的平衡?单列压缩机往复惯性力（矩）单列压缩机往复惯性力（矩）?不能通过加平衡重的方法平衡不能通过加平衡重的方法平衡?正反转质量平衡系统正反转质量平衡系统?有时加平衡重：惯性力转移有时加平衡重：惯性力转移3050到另外的方向到另外的方向46惯性力惯性力(矩矩)的平衡的平衡?多列压缩机惯性力（矩）多列压缩机惯性力（矩）?通过各列曲拐错角的合理配置，实现平衡通过各列曲拐错角的合理配置，实现平衡?同一曲拐配置多列气缸，各气缸配置合适中心线夹角同一曲拐配置多列气缸，各气缸配置合适中心线夹角?分析方法：分析方法：一阶、二阶往复及旋转惯性力分开计算、合成一阶、二阶往复及旋转惯性力分开计算、合成?平衡实例平衡实例?立式或者卧式（气缸中心线平行配置在同一侧）立式或者卧式（气缸中心线平行配置在同一侧）?2列曲拐错角列曲拐错角180o?两列往复、旋转质量分别相等时：两列往复、旋转质量分别相等时：2,1,1IrrFmr=2,1,1cosIssFmr=2,2,2cos2(180)IssFmr=+2,2,2cos(180)IssFmr=+2,1,1cos2IssFmr=2,2,2IrrFmr=+,1sm12,1rm,2rmabc180=,2sm,2sm,1sm,1,1IsIsFF+,2,2IsIsFF+,1IrF,2IrF0IrF=0IsF=2,12cos2IssFmr=2cosIssMam r=0IIsM=2IrrMm ra=47惯性力惯性力(矩矩)的平衡的平衡?惯性力惯性力(矩矩)平衡实例平衡实例?立式或者卧式（气缸中心线平行配置在同一侧）立式或者卧式（气缸中心线平行配置在同一侧）?3列曲拐错角列曲拐错角120o?3列往复、旋转质量分别相等时：列往复、旋转质量分别相等时：,1sm12,1rm,2rma120=,2sm,1,1IsIsFF+,2,2IsIsFF+,1IrF,2IrFa3,3sm,3IrF,3IrF,3rm,3,3IsIsFF+2,1,1IrrFmr=2,1,1cosIssFmr=2,2,2cos2(120)IssFmr=+2,2,2cos(120)IssFmr=+2,1,1cos2IssFmr=2,2,2IrrFmr=+2,3,3cos2(240)IssFmr=+2,3,3cos(240)IssFmr=+2,3,3IrrFmr=+0IrF=0IsF=0IsF=0IsM0IIsM23IrrMm ra=48惯性力惯性力(矩矩)的平衡的平衡?惯性力惯性力(矩矩)平衡实例平衡实例?对动式对动式?气缸中心线、曲拐错角均为气缸中心线、曲拐错角均为180o?相对列的位移、速度及加速度相同，方向相反相对列的位移、速度及加速度相同，方向相反?旋转、往复质量相同时：旋转、往复质量相同时：0IrF=0IsF=0IsF=0IsM0IIsM2IrrMm ra=2,1,1IrrFmr=2,1,1cosIssFmr=2,2,2cos2IssFmr=2,2,2cosIssFmr=2,1,1cos2IssFmr=2,2,2IrrFmr=,1IrF,1,1IsIsFF+,2,2IsIsFF+,1sm,2sm,2IrF49惯性力惯性力(矩矩)的平衡的平衡?惯性力惯性力(矩矩)平衡实例平衡实例?对置式对置式?气缸中心线、曲拐错角均为气缸中心线、曲拐错角均为180o?相对列的位移、速度及加速度相同，方向相反相对列的位移、速度及加速度相同，方向相反?旋转、往复质量相同时：旋转、往复质量相同时：0(IrF=加平衡重）2,12cosIssFm r=0IsF=2,1,1IrrFmr=2,1,1cosIssFmr=2,2,2cos2IssFmr=2,2,2cosIssFmr=2,1,1cos2IssFmr=2,2,2IrrFmr=,2IrF,1,1IsIsFF+,2,2IsIsFF+,1sm,2sm50惯性力惯性力(矩矩)的平衡的平衡?惯性力惯性力(矩矩)平衡实例平衡实例?角度式角度式(V、W、L、星型等、星型等)?气缸中心线成一定角度气缸中心线成一定角度?特例特例1：V型往复质量相等，型往复质量相等，?特例特例2：W型往复质量相等，型往复质量相等，2IrrFmr=2,1,1cos sin2Is xsFmr=2,1,1cos2 sin2Is xsFmr=2,2,2cos()sin2IsxsFmr=y2,2,2cos2()sin2IsxsFmr=90=22,12sin()sin22smr22,12cos()cos22smr2,1,1cos cos2IsysFmr=2,2,2cos()cos2IsxsFmr=+IrF,1,1IsIsFF+,2,2IsIsFF+,1sm,2smxIsF60=作业作业2,1,1cos2 cos2Is ysFmr=2,2,2cos2()cos2IsxsFmr=2,12sin(2)sinsin2smr2,12cos(2)coscos2smr一阶往复始终处于曲柄方向一阶往复始终处于曲柄方向(可以平衡！可以平衡！?)，二阶往复始终在水平方向，二阶往复始终在水平方向如何加平衡重？如何加平衡重？51转矩平衡及飞轮矩的确定转矩平衡及飞轮矩的确定?多列压缩机的总切向力多列压缩机的总切向力?单列的计算单列的计算?多列的合成（角度基准转换）多列的合成（角度基准转换）sin()sin()cosTlpFFF+=+=TTirFFF=+52转矩平衡及飞轮矩的确定转矩平衡及飞轮矩的确定?转矩波动问题转矩波动问题?为何提出这个问题？为何提出这个问题？?总阻力矩耗功（一转内）总阻力矩耗功（一转内）?驱动力矩做功驱动力矩做功?驱动力矩一般为恒值驱动力矩一般为恒值?恒定驱动力矩与波动阻力矩之间动态平衡恒定驱动力矩与波动阻力矩之间动态平衡?危害危害?角速度波动（附加动载荷）角速度波动（附加动载荷）?电动机电流波动（不利于电机可靠运行）电动机电流波动（不利于电机可靠运行）?电网电压波动（电网质量、其它设备运行）电网电压波动（电网质量、其它设备运行）20zTWF rd=2dZTmWWF r=53转矩平衡及飞轮矩的确定转矩平衡及飞轮矩的确定?转矩波动问题转矩波动问题?问题的解决方法问题的解决方法?飞轮的惯性矩吸收多余能量飞轮的惯性矩吸收多余能量?飞轮矩的确定飞轮矩的确定?旋转不均匀度的限制旋转不均匀度的限制mminmax=旋转不均匀度旋转不均匀度每转能量变化值每转能量变化值()22min2max21mJJL=飞轮惯性矩飞轮惯性矩J2224014GDDgGmRJ=223600nLGD 30nm=()rdTTLmz=101()rdTTLmz=202()rdTTLnmzn=0minmaxLLL=54转矩平衡及飞轮矩的确定转矩平衡及飞轮矩的确定?转矩波动问题转矩波动问题?压缩机结构方案对转矩波动影响压缩机结构方案对转矩波动影响2列双作用对动式2列双作用L型不同结构形式对比不同结构形式对比55转矩平衡及飞轮矩的确定转矩平衡及飞轮矩的确定?转矩波动问题转矩波动问题?压缩机结构方案对转矩波动影响压缩机结构方案对转矩波动影响4列双作用对动式1)列数增加影响列数增加影响2)列配置影响列配置影响56经典结构：经典结构：6列双列双W型型转矩平衡及飞轮矩的确定转矩平衡及飞轮矩的确定