基于SolidWorks的活塞式压缩机余隙容积的计算

　　摘要：介绍如何利用SolidWorks进行三维建模，精确计算出活塞式压缩机的曲柄端和缸头端的相对余隙容积。

　　关键词：SolidWorks;余隙容积;建模

　　1 引言

　　在压缩机新产品的设计计算中，相对余隙系数是一个非常重要的参数。众所周知，相对余隙容积直接影响容积系数，第一级相对余隙系数的大小直接影响气缸直径的大小。由于第一级的气缸是一台压缩机中直径最大的气缸，所以一级气缸直径的大小直接影响压缩机的外型尺寸。目前，在设计新型压缩机时，相对余隙系数都是根据经验来决定，并据此计算出各级气缸直径。但是，在完成气缸、活塞、气阀等的初步设计后，所要求的相对余隙容积是否能够得到保证，这就要对各个部分存在的实际容积进行计算。这种计算是相当繁杂的，特别是多级压缩机是很费时间的。随着科学技术的发展，由电子计算机来进行压缩机热力、动力计算也有很长时间了，但是还没有一整套完整的余隙容积的计算方法和完善的计算公式。

　　本文将以一款我厂自主研制的φ124气缸为例，介绍如何基于SolidWorks计算活塞式压缩机的余隙容积。

　　2 余隙容积的构成

　　由于压缩机结构、制造、装配、运转等方面的需要，气缸中某些部位留有一定的空间或间隙，将这部分空间或间隙称为余隙容积。气缸在以下几个部位存在着余隙容积：

　　气阀阀座内部与气缸相通的余隙容积可以由生产气阀的厂家提供;其余的余隙容积，特别是缸端盖上的阀孔窝和气缸上的气阀孔所形成的余隙容积形状复杂，想直接计算出其容积几乎是不可能的事，只能用简化了的图形做近似计算，计算不仅繁杂，而且精确性不高。笔者在此利用SolidWorks进行三维建模，再利用其[工具]/[质量特性]，测出模型的体积，故使计算变得容易和精确。

　　3 利用SolidWorks三维建模

　　SolidWorks是一套机械设计自动化软件，是一个基于特征、参数化、实体建模的设计工具。该软件采用了Windows图形用户界面，易学易用。机械工程师能快速地按照其设计思想绘制出草图，制作模型和详细的工程图。应用特征和尺寸，进行零件三维造型，三维模型除了可以将设计思想以最真实的模型在计算机上呈现出来之外，还可随时计算出零件的体积、面积、质心、重量、惯性矩等，用以了解零件、模型的真实性。可随时对尺寸修正，相关的二维图形或三维实体模型均自动修改，同时装配、制造等相关设计也会随之变动，如此可确保数据的正确性，避免人为改图的疏漏情形，减少了工作时间与人力消耗。由于有参数式的设计，机械工程师可以运用强大的数学运算方式，创建各尺寸参数之间的关系式，使模型可自动计算出应有的外型，减少尺寸逐一修改的繁琐费时，并减少错误发生。

　　要进行余隙容积的计算，首先要进行各零部件(气缸体、活塞、端盖、余隙缸体等)的建模、装配，才能确定气缸组件的余隙容积空间有哪些，形状如何。关于利用SolidWorks进行零部件的建模、装配在本文中不作详细叙述，本文主要介绍φ124气缸曲柄端余隙容积的建模步骤：

　　第一步：利用旋转命令画出气阀至气缸的通道所形成的容积，如图2所示;

　　第二步：利用旋转命令画出从缸端盖阀孔窝顶点到第一道活塞环的气缸缸孔的容积，如图3所示;

　　第三步：利用旋转切除、放样等命令，在图3的基础上去除缸端盖伸入气缸缸孔的部分，如图4所示;

　　第四步：利用拉伸、倒角命令，画出缸端盖内孔在填料以前的部分，如图5所示;

　　第五步：利用旋转切除命令，在图5的基础上去除活塞及杆在内止点位置所占据的体积，最终得到的模型就是曲柄端的余隙容积，如图6所示：

　　第六步：利用[工具]→[质量特性]，测出模型的体积：Vc=126901.24(mm3);类似的，建立φ124气缸缸头端的余隙容积模型，如图7所示。再利用[工具]→[质量特性]，测出模型的体积：

　　4 计算相对余隙容积

　　活塞行程：s=88.9(mm)

　　气缸直径：D=124(mm)

　　活塞杆直径：d=38.1(mm)

　　相对余隙容积如果不符合设计要求，可以更改气缸的内部结构形式，如改变缸端盖上的阀孔窝大小或气缸上的气阀孔形状，直到调整到适合的相对余隙容积，然后再出二维图加工生产。很多时候都不可能一次就能调整到合适的相对余隙容积，而要进行反复的修改。SolidWorks修改尺寸非常简便，能节省很多设计时间。

　　5 结论

　　虽然利用SolidWorks计算出来的余隙容积比经验值更加精确，但还可能存在一定的误差。原因之一是计算给的尺寸都是实际容积的名义尺寸，没有考虑制造的误差，加上余隙容积的计算大都在设计中进行，不可能在制造中对每台新机器都作这方面的计算，所以实际尺寸误差是永远存在的。原因之二是腰形气阀孔在实际加工中，一般要求锐边倒钝，这部分误差也是存在的。尽管仍然存在误差，但是基于SolidWorks计算出的活塞式压缩机的余隙容积比经验公式还是精确很多。另外一方面，在设计压缩机时，还可以参考计算结果，根据实际需求的余隙容积更改气缸的内部结构形式，如改变缸端盖上的阀孔窝大小或气缸上的气阀孔形状，都能改变气缸的余隙容积。总的说来，通过SolidWorks建模将使气缸的设计和修改变得简单、精确。

　　参考文献：

　　[1] 杨永久.试算活塞式压缩机余隙容积[J].压缩机技术，1989，96(4)：8-12.

　　[2] 叶修梓.SolidWorks基础教程：零件与装配体[M].北京：机械工业出版社，2006.

　　[3] 郁永章.活塞式压缩机[M].北京：机械工业出版社，1982.