液压活塞式压缩机液压系统的动态性能分析及优化

液压活塞式压缩机液压系统的动态性能分析及优化

陈妙勇

金华市宝琳科技股份有限公司   浙江省金华市  321000

摘要：液压活塞式压缩机是一种依靠液体压力作为动力的容积式压缩机，其具有结构紧凑、维护方便、节能环保等优点，在现代工业生产中应用广泛。为了使液压活塞式压缩机得到更好的发展，分析其工作过程中的动态特性是十分必要的。本文针对某一液压活塞式压缩机的工作原理，建立了其液压系统的数学模型，并结合AMESim软件搭建了压缩机液压系统的仿真模型。

关键词：液压活塞式压缩机；液压系统；动态性能

  压缩机在工作过程中系统压力、流量及功率等参数随时间变化的规律，为研究活塞式压缩机工作过程中的动态性能提供了有力工具，对于推动液压活塞式压缩机在工业生产中得到更广泛地应用具有一定意义。

1.液压活塞式压缩机的工作原理

压缩机中的曲轴与气缸的圆周运动紧密相连，构成了压缩机的曲轴连杆机构。曲轴为偏心式，其轴线与气缸的轴线保持垂直，当活塞从气缸中伸出时，曲轴所受到的力矩为向下的力，其作用于连杆使其产生反作用力。活塞和气缸之间存在间隙，当活塞推动活塞杆时会在间隙处产生压力差，高压气体通过此压力差将活塞推向气缸。随着活塞杆不断地向前运动，此压力差会逐渐减小。在压缩腔中有大量的气体存在，当曲轴所受力矩小于向下力矩时，气缸内的气体被压缩；当力矩大于向下力矩时，则曲轴所受力矩增大。由于活塞和气缸之间存在间隙、活塞杆在移动过程中受到摩擦力以及连杆的扭转振动等因素的影响，会使上述载荷产生波动，当负载波动较大时会使缸内压力产生波动。液压系统中主要由液控单向阀、单向阀及蓄能器等组成。其中液控单向阀主要用来控制活塞运动方向；单向阀则用来控制压缩机进油口的流量；蓄能器则用来储存压缩腔内的高压气体。在压缩机工作时，缸内压力变化较大时可以通过蓄能器对活塞运动进行缓冲。由于压缩机需要频繁地进行压缩、排气以及放气工作，因此其结构较为复杂。活塞式压缩机具有很高的体积压缩比和容积压缩比。容积压缩比越高则压缩机所能容纳的气体体积就越大；容积压缩比越小则压缩机所能容纳气体体积就越小。同时在压缩过程中会产生大量的热量，为了避免这些热量对压缩机造成损害，必须将这些热量及时排出。因此液压系统中要设置蓄能器来存储这些热量。液压缸是压缩机的核心部件之一。其主要功能是将缸内液体压力能转化为机械能。在液压缸上安装有活塞杆、进油管及回油管等零件。活塞杆上有一个密封圈用以保护活塞杆不受磨损；进油管连接在活塞杆上以供其作往复运动；回油管与活塞杆一起作用来带动曲轴旋转。由于液压缸内部有大量液体存在，因此其具有不可压缩性。因此在进行液压系统设计时需要将其工作容积进行合理有效地计算。当压缩机工作时，其缸体内的液体会发生周期性变化，因此活塞运动也会产生周期性变化。当液压缸内液体流动达到平衡状态时，其压力、流量、功率等参数都达到了稳定状态；而当液压缸内液体流动处于不平衡状态时，其压力、功率等参数都会产生波动。为了使压缩机能够稳定地工作，必须对其工作过程进行有效分析和研究。

2.液压系统的数学模型

当压缩机工作时，活塞杆处于无阻尼状态，其运动速度由液压油的压力变化而决定，其运动过程中的加速度由电动机提供的机械能以及压缩机负载决定。由于液压缸内无阻尼状态下的活塞杆伸出长度有限，活塞杆伸出后将会与活塞发生碰撞，同时也会对阀芯产生一定程度的冲击力，其作用力与弹簧力大小相等、方向相反。在撞击力与弹簧力作用下，阀芯会向下运动，从而开启油液入口回路。此时回路中会形成一个压力为0的油液通路。由于回路中存在油液阻力，当油液流经阀芯时会对其产生一定程度的挤压作用，从而对阀芯进行一定程度的磨损。在弹簧力与弹簧位移共同作用下，阀芯将会复位，使其重新回到初始位置。此时，被压缩介质流量将由液压缸活塞面积以及液压油的压力共同决定。由于液压油不具有粘性且无阻尼特性，其流量主要受弹簧力与弹簧位移共同决定。液压缸活塞面积由其额定容积和工作容积两部分组成。在实际生产中，由于压缩机工作过程中工况多变且各不相同，为了便于分析和研究其动态性能以及优化压缩机性能参数，AMESim软件是目前工业领域应用最广泛的仿真软件之一，它能够在仿真模型中直接添加各种元件和修改模型参数等。因此本文在建立液压系统的数学模型时首先将AMESim软件作为仿真平台。在AMESim软件中可以直接添加元件库、工程图模块以及系统组件库等模块。同时在AMESim软件中可以添加自定义模块来设置系统变量、工作变量以及负载变量等参数。因此本文利用AMESim软件搭建液压系统的仿真模型是可行的。首先对该液压缸活塞面积进行设计计算。通过计算得知：当活塞杆伸出长度为2h时，其活塞面积达到最大值。随后将此参数输入到液压缸内部进行仿真模型建立，并通过AMESim软件将其仿真模型输出到AMESim软件中进行仿真分析。

3.系统仿真模型的建立

为搭建液压活塞式压缩机的仿真模型，首先需对其液压系统的主要部件进行建模。由于本研究中使用的是节流阀式液压系统，因此在建立相关模型时需要对该系统中的主要元件进行建模。考虑到压缩机的主要工作部件是活塞和阀片，因此本文根据液压缸、活塞杆和阀片的结构参数建立了相应的数学模型。阀片模型中考虑了阀芯与阀片之间的碰撞冲击以及阀芯与阀片之间的摩擦力，同时考虑到阀口的面积以及节流阀对压力损失的影响，将节流阀、活塞杆及柱塞副等元件统一起来。由于本研究中所采用的液压缸是单作用液压缸，因此在建立数学模型时只需要考虑液压缸活塞杆运动规律以及活塞杆运动速度即可。由于AMESim软件是一款功能强大、操作简便的仿真软件，其内置了大量的液压元件，能够满足本研究中仿真模型所需数学模型的建立。首先需将AMESim软件与系统中相关元件进行连接，然后在AMESim软件中创建一个压缩机液压系统的仿真模型。其主要过程如下：首先在AMESim软件中建立相应的压缩机液压系统，然后在AMESim软件中建立相应的液压缸、活塞杆及柱塞副等模型，最后再将建立好的模型导入到AMESim软件中进行仿真分析。通过设置相应参数即可得到系统仿真模型，在AMESim软件中可以方便地设置活塞杆和柱塞副等元件以及各个元件之间的连接方式、参数、参数设置等，以便于仿真模型可以准确地模拟实际系统工作时所表现出的动态特性。通过设置相关参数，使压缩机在实际运行时能够达到最佳状态。在AMESim软件中，还可以将压缩机液压系统与其他液压系统进行联合仿真分析。通过这种方式，能够使不同系统间实现相互验证和补充，从而大大提高了仿真结果的准确性和可靠性。

4.系统压力特性

建立液压活塞式压缩机液压系统的仿真模型后，设置不同的泵排量、不同的转速以及不同的排量比，然后设置不同的负载，并在上述3种工况下对其压力特性进行仿真分析。系统压力曲线在初始阶段快速上升，在此阶段其压力主要取决于油箱内的液体体积和压缩机机械系统产生的摩擦力。随着压缩机转速的升高，系统压力逐渐增大，当转速到达一定值后，其压力开始缓慢下降。而对于本系统而言，随着负载的不断增加，压缩机排出油室内的油液体积逐渐减小，导致系统中的油液体积逐渐增大。当负载达到一定值后，压缩机排出油室内的油液体积不再发生变化，此时压缩机开始进入排气阶段。可以看出：在活塞式压缩机工作过程中，其压力变化受系统各元件参数及负载参数的影响较大。在该仿真模型中，系统压力上升速度与转速呈线性关系；负载压力对系统压力变化趋势影响不大；液压缸活塞杆速度与负载压力之间呈指数关系。在活塞式压缩机工作过程中，其速度随时间呈指数变化。由于活塞式压缩机是一种容积式压缩机，其容积效率受活塞运动速度及活塞质量等因素影响较大。同时活塞杆速度对系统压力也有一定影响。因此可通过调节液压缸活塞杆速度来控制系统压力变化。在压缩机工作过程中，活塞杆速度主要受液压缸活塞杆直径及缸径尺寸影响。其中活塞杆直径越大，其运动速度越快；活塞杆直径越小，其运动速度越慢。由于液压缸内液体体积随活塞杆直径的增大而减小，从而导致液压缸活塞杆直径对系统压力变化趋势影响不大。

结束语：
综上所述，本文针对某一液压活塞式压缩机的工作原理，建立了其液压系统的数学模型，并结合AMESim软件对其进行了仿真分析，得到了压缩机在不同工况下的工作特性曲线，并对其压力、流量及功率等动态特性进行了分析，得到了不同工况下的系统特性曲线，为该压缩机液压系统的设计及优化提供了理论依据。同时也为今后活塞式压缩机在实际工业生产中的应用提供了有力工具，对推动该压缩机在现代工业生产中的应用具有一定的指导意义。

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