第 1 章 緒論

裝備制造業(yè)開始發(fā)展階段，對于靜止密封，工業(yè)上采用壓緊密封，同時(shí)對密封材料進(jìn)行殘留間隙填充；對于運(yùn)動(dòng)部件，通常采用潤滑劑。但由于部分密封面相對滑動(dòng)速度較快產(chǎn)生溫度很高，很難達(dá)到理想潤滑效果。于是，，大家開始嘗試采用非接觸密封[1]。如今，非接觸式密封在往復(fù)式壓縮機(jī)上得到了長足的發(fā)展。在傳統(tǒng)往復(fù)式壓縮機(jī)中，活塞環(huán)雖然保證了靜止密封，但由于往復(fù)機(jī)產(chǎn)生的壓力較大并與氣缸壁進(jìn)行摩擦，從而無法保證較高的密封效果，造成密封環(huán)頻繁更換。迷宮密封的活塞結(jié)構(gòu)，不與氣缸相接觸，其自行密封的特點(diǎn)，有效的增大了了使用年限[2-4]。隨著往復(fù)式壓縮機(jī)的發(fā)展，對產(chǎn)品功能及質(zhì)量要求的不斷提高。研究往復(fù)式壓縮機(jī)領(lǐng)域的熱傳導(dǎo)和機(jī)械載荷問題比較突出。利用計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE），通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬分析，對研究對象的剛度、強(qiáng)度、流體場、溫度場等進(jìn)行計(jì)算，得出結(jié)論。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就能得出可靠且直觀的建議，從而使產(chǎn)品質(zhì)量問題減少，并提高產(chǎn)品的競爭能力。

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第 2 章 壓縮機(jī)氣缸與活塞桿傳熱與受力分析方法

2.1 壓縮機(jī)氣缸及活塞桿傳熱分析基本理論

有限元分析法是通過數(shù)學(xué)近似的方法對真實(shí)物理系統(tǒng)工況進(jìn)行模擬。由于實(shí)際情況問題被許多較簡利用單的部分問題所代替，所以這個(gè)解不是準(zhǔn)確解，是近似解。經(jīng)過幾年時(shí)間，隨著電子及計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及和迅速發(fā)展，從開始的對結(jié)構(gòu)工程強(qiáng)度分析到如今應(yīng)用到幾乎所有的科學(xué)領(lǐng)域，有限元分析方法已經(jīng)成為一種應(yīng)用極其廣泛并且準(zhǔn)確度高的數(shù)值分析方法[35-37]。本章主要介紹了壓縮機(jī)氣缸及活塞桿傳熱與受力分析模型及研究方法，包括傳熱分析理論基礎(chǔ)、對流傳熱的計(jì)算方法及基礎(chǔ)理論、湍流對流傳熱基本特征，然后介紹了機(jī)械載荷的理論基礎(chǔ)和計(jì)算方法，再介紹了對壓縮機(jī)氣缸及活塞體等組件分析所用的有限元方法的相關(guān)理論，最后介紹了本課題中主要應(yīng)用的幾何建模及有限元分析軟件工具，為后續(xù)章節(jié)的研究工作提供了相關(guān)理論依據(jù)。

2.2 氣缸與活塞桿對流傳熱

往復(fù)式活塞壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，易損件多，運(yùn)轉(zhuǎn)中有振動(dòng)，因此要合理選擇往復(fù)活塞壓縮機(jī)，不僅了解壓縮機(jī)的熱力性能，更應(yīng)該了解壓縮機(jī)的動(dòng)力性能，以便在全面了解壓縮機(jī)的基礎(chǔ)上，抓住主要需求進(jìn)行選擇。由于慣性力是自由力，而且是周期性變化的，將引起機(jī)器的振動(dòng)。單列壓縮機(jī)的慣性力包括旋轉(zhuǎn)慣性力和往復(fù)慣性力。旋轉(zhuǎn)慣性力數(shù)值大小不變，而方向隨曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，一般采用加平衡重的方法來平衡它。平衡質(zhì)量產(chǎn)生的離心力與旋轉(zhuǎn)慣性力相等，方向始終相反，從而得到平衡，即：切向力的不均衡與缸內(nèi)氣體力周期變化有關(guān)。氣缸內(nèi)氣體力較均衡時(shí)，切向力也會(huì)較均衡。在工程設(shè)計(jì)中，常用的解決辦法是在曲軸上加裝飛輪。在此不做過多介紹。

第 3 章 壓縮機(jī)氣缸體應(yīng)力應(yīng)變有限元分析........... 15

3.1 氣缸體幾何模型的建立................ 15
3.2 邊界條件設(shè)定................17
3.3 氣缸體熱負(fù)荷仿真計(jì)算結(jié)果與分析 .........19
3.4 氣缸體機(jī)械載荷仿真計(jì)算結(jié)果與分析 .............22
第 4 章 壓縮機(jī)活塞體應(yīng)力應(yīng)變的有限元分析.............26
4.1 活塞體幾何模型的構(gòu)建與網(wǎng)格處理 ............26
4.2 活塞體有限元分析的邊界條件設(shè)定 .........28
4.3 活塞體負(fù)荷仿真計(jì)算結(jié)果與分析....................31
第 5 章 氣體壓縮過程的模擬分析........ 37
5.1 壓縮腔模型的建立 ....................... 37
5.2 壓縮腔內(nèi)流場數(shù)值模擬..... 37
5.3 壓縮腔內(nèi)部流場網(wǎng)格化分......... 41

第 5 章 氣體壓縮過程的模擬分析

5.1 壓縮腔模型的建立

本章利用SolidWorks三維建模軟件對往復(fù)式迷宮壓縮機(jī)氣缸的改進(jìn)壓縮腔進(jìn)行建模，然后把建立的壓縮腔模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench中對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分并生成節(jié)點(diǎn)。本文所用某型號(hào)往復(fù)式迷宮壓縮機(jī)氣缸壓縮腔直徑為 650mm、活塞工作行程為280mm。由于需要對模型進(jìn)行相關(guān)處理，將簡化對模擬結(jié)果不受影響的部分，優(yōu)化對模型模擬結(jié)果影響較大的部分。建立的往復(fù)式迷宮壓縮機(jī)壓縮腔模型如圖 5.1 所示，其中圖中有四個(gè)頂部突出部分，為壓縮機(jī)壓縮腔吸氣、排氣口部分。

5.2 壓縮腔內(nèi)流場數(shù)值模擬

（1）直接模擬方法（DNS 方法）直接模擬方法是用 N-S 方程的非穩(wěn)態(tài)三維形式對湍流模型進(jìn)行直接的數(shù)學(xué)求解計(jì)算。其采用小數(shù)量級的時(shí)間和空間步長來保證分辨出湍流模型中的空間結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)情況和劇烈變化的時(shí)間等特征。由于不用進(jìn)行任何簡化，其計(jì)算結(jié)果比較準(zhǔn)確。（2）大渦模擬方法（LES 方法）在湍流中的渦旋學(xué)說中認(rèn)為，湍流產(chǎn)生的脈動(dòng)和混合主要是由大尺寸的渦旋造成的。所以在湍流模型的仿真計(jì)算中需要計(jì)算域的尺寸既要包含湍流中出現(xiàn)的最大渦旋，又要能分辨出最小的渦旋。大渦旋直接用非穩(wěn)態(tài)的 N-S 方程來模擬計(jì)算，小渦旋則通過對其對大渦旋的近似影響來考慮，這就是 LES 方法。（3）雷諾時(shí)均方程法（RANS 方法）目前雷諾時(shí)均方程法即 RANS 是工程中對湍流模型計(jì)算所采用的主要方法。Spalart-Allmaras 模型和 k模型均屬于雷諾時(shí)均方程法的應(yīng)用。

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第 6 章 結(jié)論

6.1 結(jié)論

大型往復(fù)式迷宮壓縮機(jī)制造要求非常嚴(yán)格，其壓縮效率、使用性能的優(yōu)劣直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。本論文在查閱大量相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對某型號(hào)大型往復(fù)式迷宮壓縮機(jī)的氣缸體、活塞體等部分進(jìn)行了分析溫度及機(jī)械強(qiáng)度的模擬計(jì)算，闡述了所應(yīng)用的理論方程及方法，模擬了缸內(nèi)氣體壓縮過程中流場的情況。對大型往復(fù)式迷宮壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)及改進(jìn)提供了方法，所以對氣缸體關(guān)鍵部件進(jìn)行受力分析具有相當(dāng)重要的價(jià)值。本課題取得的主要研究成果如下：（1）在對氣缸的熱分析中，得到氣缸溫度較高、熱應(yīng)力集中部分，為缸體形狀變化較大的部分。采用對零件該部分選用耐熱性能較高材料的方法，來保證壓縮機(jī)性能進(jìn)而提高連續(xù)工作時(shí)間。（2）在對氣缸的機(jī)械載荷分析中，確定氣缸機(jī)械應(yīng)力、應(yīng)變集中部分，大多為缸體形狀變化較大的部分，與熱載荷集中部分位置重合。選取對零件該部分進(jìn)行加大圓角、倒角等處理方法，確保壓縮機(jī)性能進(jìn)而提高連續(xù)工作時(shí)間。

6.2 展望

本文雖對大型往復(fù)式迷宮壓縮機(jī)氣缸體關(guān)鍵部件進(jìn)行了受力分析，并通過數(shù)值模擬軟件進(jìn)行了相應(yīng)的仿真分析，得出結(jié)論并進(jìn)行了改進(jìn)。但由于大型往復(fù)式迷宮壓縮機(jī)價(jià)格昂貴，無法反復(fù)進(jìn)行產(chǎn)品實(shí)體驗(yàn)證，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對大型往復(fù)式迷宮壓縮機(jī)的研究仍有提升空間，具體為以下幾個(gè)方面：（1）對大型往復(fù)式迷宮壓縮機(jī)進(jìn)行整體建模研究壓縮機(jī)整體在工作過程中各個(gè)部件的受力情況，進(jìn)而對壓縮機(jī)進(jìn)行改進(jìn)。（2）本文對大型往復(fù)式迷宮壓縮機(jī)氣缸體關(guān)鍵部件進(jìn)行了受力分析，但如果能夠得出壓縮機(jī)工作時(shí)間和疲勞破壞之間的量化關(guān)系，則對大型往復(fù)式迷宮壓縮機(jī)提高穩(wěn)定性和工作效率都將是一個(gè)重大的突破，這也是下一步研究的重點(diǎn)。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號(hào)：84438