新型高压微型气泵的理论分析与仿真研究

摘要

随着我国国防事业的迅猛发展，对空气压缩机的技术要求越来越严格，研制高气压、微体积、净气体等的压缩机势在必行。本文以新型高压微型微型气泵为研究对象，应用MATLAB、MicrosoftExcel软件和通用CAD/CAE/CAM软件SolidWorks、ADAMS和HyperWorks对其进行了仿真分析和研究。主要包括:
　　(1)研究压缩机的分类、工作原理与特点;对比分析新旧两种压缩机的异同，得出新型高压微型微型气泵的凸轮机构较传统曲柄连杆机构结构更紧凑、体积更小型化、效率更高等特点;全面分析新型高压微型微型气泵的结构、工作原理及各组件功能;建立热力学模型并对其进行分析计算。
　　(2)设计并计算新型高压微型微型气泵最关键的凸轮运动机构，确定采用余弦加速度运动规律的圆柱双工作面凸轮;建立并分析其数学模型、轮廓曲面，得出采用变厚度凸轮结构可避免系统发生噪声或卡死现象;应用MATLAB和MicrosoftExcel软件，建立并分析凸轮机构空间点位置模型并对其进行运动规律仿真分析。
　　(3)分析了压缩机及单向阀的工作原理;建立并分析了簧片阀的数学模型，包括进排气过程的流量微分方程、运动微分方程、进排气工作过程微分方程。运用MicrosoftExcel软件对簧片阀进行结构设计、计算及校核，通过对簧片阀升程、气流平均马赫数、厚度、固有频率等参数的校核计算，验证理论计算的正确性。
　　(4)研究新型高压微型微型气泵受力情况;建立力学模型并应用MicrosoftExcel软件对其进行仿真分析。验证力学模型的正确性，并得出活塞与凸轮的三种接触类型:持续、交替与共同接触。
　　(5)运用SolidWorks、ADAMS软件进行压缩机虚拟样机模型的建立和运动系统的运动学仿真分析，验证虚拟样机模型及数学模型正确性。应用HyperWorks有限元分析软件对主要组件进行模态分析，验证方案的可行性。提出通过提高活塞小滚轮和凸轮轴安装刚度，可改善组件振动特性的观点。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 概况

1．1．1 压缩机的分类

1．1．2 活塞式压缩机概况

1．1．3 课题来源与研究意义

1．2 国内外研究现状与发展趋势

1．2．1 国外研究现状与发展趋势

1．2．2 国内研究现状与发展趋势

1．3 研究工具简介

1．3．1 MATLAB数值计算软件

1．3．2 Microsoft Excel软件

1．3．3 SolidWorks机械设计自动化软件

1．3．4 ADAMS动力仿真分析软件

1．3．5 HyperWorks有限元分析软件

1．4 课题内容及研究方法

第二章 新型高压微型气泵的基本结构与工作原理

2．1 新型高压微型气泵的技术参数

2．2 新型高压微型气泵的结构

2．2．1 新型高压微型气泵的组成

2．2．2 新型高压微型气泵各组件结构与功能

2．3 新型高压微型气泵的工作原理

2．4 热力学建模与计算分析

2．4．1 级数选择与各级压力比确定

2．4．2 压缩机的转速和行程选择及校核计算

2．4．3 排气系数

2．4．4 进排气温度

2．4．5 气缸行程容积

2．4．6 气缸直径

2．4．7 气缸行程容积修正

2．4．8 效率与功率

2．5 本章小结

第三章 新型高压微型气泵的凸轮机构设计与计算

3．1 凸轮机构数学模型研究

3．1．1 凸轮机构运动规律方程建立

3．1．2 凸轮机构坐标系定义

3．1．3 凸轮机构曲面方程建立

3．1．4 凸轮机构误差方程建立

3．2 凸轮机构设计

3．2．1 凸轮机构基本参数设定

3．2．2 凸轮机构参数计算

3．3 凸轮机构运动规律仿真与分析

3．4 本章小结

第四章 新型高压微型气泵的气阀组件设计与计算

4．1 簧片阀的工作原理

4．2 压缩机簧片阀模拟运动分析与数学模型研究

4．2．1 基本假设

4．2．2 压缩机运动的数学模型

4．2．3 簧片阀进排气过程的流量微分方程

4．2．4 簧片阀运动微分方程

4．2．5 簧片阀进排气工作过程微分方程

4．3 压缩机各级簧片阀结构设计计算

4．3．1 簧片阀设计原则

4．3．2 升程计算

4．3．3 气流平均马赫数计算

4．3．4 簧片阀厚度计算

4．3．5 材料选择与频率计算

4．4 压缩机簧片阀结构校核计算与改进

4．4．1 簧片阀升程的校核

4．4．2 气流平均马赫数与频率校核及改进

4．5 本章小结

第五章 新型高压微型气泵的动力学特性理论研究与分析

5．1 活塞机构力学模型研究

5．2 活塞机构受力分析与仿真

5．2．1 气体力

5．2．2 惯性力

5．2．3 凸轮对滚轮作用力

5．2．4 轴向力

5．2．5 侧向力

5．2．6 活塞与气缸套之间摩擦力

5．2．7 转矩

5．3 动力学计算

5．3．1 基于Microsoft Excel的新型高压微型气泵动力学分析

5．3．2 动力学计算程序设计

5．4 动力学计算结果与动态特性分析

5．4．1 各级气缸气体压力仿真及分析

5．4．2 各级气缸气体受力仿真及分析

5．4．3 轴向力仿真及分析

5．5 本章小结

第六章 新型高压微型气泵虚拟样机的运动学仿真分析

6．1 基于SolidWorks的新型高压微型气泵虚拟样机建模

6．1．1 虚拟样机组件模型建立

6．1．2 简化模型建立

6．2 ADAMS多刚体系统动力学基础

6．2．1 ADAMS多刚体系统概念

6．2．2 ADAMS多刚体系统动力学建模理论

6．3 基于ADAMS的运动学仿真分析的系统建模

6．3．1 系统建模环境

6．3．2 辅助模型建立

6．3．3 添加约束

6．3．4 施加载荷

6．4 基于ADAMS的运动学仿真结果与分析

6．5 本章小结

第七章 新型高压微型气泵虚拟样机的模态分析

7．1 模态分析的有限元基本原理

7．2 模态分析模型的建立

7．2．1 模态分析的必要性

7．2．2 组件简化模型的建立

7．3 基于HyperWorks的有限元分析

7．3．1 活塞组件

7．3．2 凸轮轴组件

7．4 本章小结

第八章 总结与展望

8．1 总结

8．2 展望

附录

参考文献

硕士期间发表的学术论文及取得的成果

致谢