往复活塞式空压机的噪声与疲劳寿命问题研究

作     者：柴德敏 

作者单位：陕西科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：葛正浩

授予年度：2020年

学科分类：080704[工学-流体机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：往复活塞式空压机 噪声检测 ANSYS Workbench 降低噪声 疲劳仿真预测 

摘      要：往复活塞式空压机是一种利用曲柄滑块机构提升气压的机械。凭借其压力范围广、适应性强等独特的优点,应用范围越来越广。但目前往复活塞式空压机在工业应用中仍存在许多问题:其正常工作时会伴随严重的噪声,这在会在一定程度上影响使用者的身心健康;其次,由于其内部曲柄滑块机构在工作中会产生一定的不平衡往复惯性力,这在一定程度上会造成机体振动从而引发严重的噪声问题。往复活塞式静音机在一定程度上可以改善其噪声问题,但造价过高,且在运行一段时间后易出现疲劳断裂。针对上述问题,本文以单缸往复活塞式空压机为研究对象研究有关噪声问题,选取往复活塞式静音机为研究对象研究有关疲劳寿命问题。并借助ANSYS Workbench有限元模拟仿真与nCode疲劳模拟仿真进行分析。主要研究内容如下:(1)往复活塞式空压机噪声检测实验。以装有空滤器的单缸往复活塞式空压机为研究对象,对噪声源进行预测后在0psi、60psi、90psi和135psi四种工况下对噪声进行检测实验,对实验数据进行分析,确定噪声源频率,为后续针对空压机的降噪研究提供一定的数据支持与理论研究。(2)建立往复活塞式空压机的曲柄滑块机构的动力学模型。以往复活塞式空压机中的曲柄滑块机构为研究对象,进行运动学分析,得到活塞加速度的数学表达式后进行动力学分析,针对曲柄质量对往复惯性力的影响进行研究。(3)往复活塞式空压机的综合降噪研究。主要就降低振动、避免共振与隔振降噪三个方向开展研究。探讨曲柄的设计参数与整机振动的关系,以曲轴箱主轴承中心承受力为衡量振动大小的指标。简化往复活塞式空压机的三维模型,利用ANSYS Workbench对其进行多次仿真分析,分析数据得出使往复惯性力最小及降低振动曲柄设计参数最优额。后通过动力学理论计算验证了曲柄最优参数值的合理性,证明优化曲柄参数方案的可行性与有效性。其次利用模态分析确定曲柄、连杆与曲轴箱的固有频率,确保与噪声源频率差异大,避免共振现象,降低噪声。最后整理归纳橡胶隔振器的计算公式,以此选取合适的橡胶隔振器。从而进行综合降噪处理,在一定程度上改善空压机的使用性能。(4)对往复活塞式静音机的阀板进行使用寿命的优化设计。以往复活塞式静音机阀板零件为研究对象,利用ANSYS Workbench与nCode进行联合仿真,得到零件疲劳循环次数结果后改变阀板参数,经过多次重复仿真,确定阀板厚度的最佳值为5.34mm,为目前所有疲劳试验的最优值,可把最低寿命次数从1.126次提升到了 1.315次。建立疲劳寿命优化模型可在一定程度上系统的解决疲劳寿命问题,提高空压机工作的可靠性。本文以往复活塞式空压机为研究对象,以ANSYS Workbench与nCode为辅助工具,在现有的设计经验基础上,以降噪与提高寿命为目标进行系统设计研究。对往复活塞式空压机进行噪音检测,确定噪声源频率,提供降噪理论基础;对曲柄滑块机构展开动力学分析,寻找曲柄对惯性力的影响关系,提出新的曲柄设计参数的设计方案,降低惯性力数值,从而降低噪声;对阀板易疲劳断裂的零件进行疲劳寿命预测,合理有效进行零件替换,在一定程度上可改善零件利用率。这不仅丰富了往复活塞式空压机在工业应用中的噪声与疲劳研究,也为后期有关研究提供了一定的理论支撑。