基于計算多剛體系統動力學的雙級滑閥真空泵振動平衡研究

機械真空泵 于振華 合肥工業大學機械與汽車工程學院

  雙級滑閥真空泵機構運動復雜,運用計算多剛體系統動力學方法進行分析計算,可以獲得復雜動力方程的精確解。本文利用計算多剛體系統動力學分析了滑閥泵的振動平衡,推導了有關計算公式,綜合了影響振動平衡的多項因子并建立了雙級滑閥泵(雙缸結構)的數學模型,計算了該泵平衡前后的支座反力和振動位移幅值。結果表明,計算結果與實驗測試結果完全吻合,誤差可以忽略。結果也說明計算多體系統動力學方法是可靠的計算方法,通過對雙級滑閥真空泵的運動和動力分析可以得到各部件的動力學響應,其中包括雙級滑閥真空泵的振動位移幅值,它直接反映了雙級滑閥泵的振動現象,由此進行動平衡計算,從而達到降低振動的目的。

  雙級滑閥真空泵動平衡結構有兩種形式:兩缸結構和三缸結構。三缸結構的滑閥真空泵的平衡則依靠自身結構的力的相互抵消,事實上也并不能完全消除不平衡力,而且結構固定導致很難再進行優化降低振動,而雙缸結構的平衡一般由配置平衡輪以及在內部配置配重塊加以解決。單級滑閥式真空泵運動狀況已經較為復雜,對于雙級滑閥真空泵的運動平衡研究更需建立精確數學模型,通過模型定量研究滑閥泵各運動部件的動力學響應以及其對泵體的激振作用,達到減振降噪的目的。傳統的滑閥真空泵的振動受力分析采用的是理論力學相關理論,是以滑閥泵主要構件的位置、速度和加速度的微分關系以及矢量合成原理為基礎進行分析的。對于較簡單的系統,手工推導便可得到較簡單的微分方程組。然而,對于雙級滑閥泵,不管是兩缸結構或三缸結構,以及將來有可能出現的多缸結構,要對其愈加復雜的構型推導動力學方程有相當的困難,并且容易出錯。

  滑閥轉子變形忽略并考慮到滑閥泵運動系統各部件的高速運動與構件本身振動的耦合,沖擊、油錘等現象的出現,因此利用計算多體系統動力學完成雙級滑閥泵的復雜機構的數學模型,進行相關計算公式的推導以得到雙級滑閥真空泵的運動學規律和動力學響應,據此進行動平衡的計算分析以降低振動。

1、滑閥泵多剛體系統運動分析

  計算多剛體系統動力學中的運動學分析是以系統中連接物體與物體的運動副為出發點,基于與運動副對應的約束方程進行位置、速度和加速度的分析。

  滑閥泵可簡化為如圖1的曲柄搖塊機構。機構由2個剛性構件組成,剛體B1為偏心輪,剛體B2為滑閥。單級滑閥泵系統廣義坐標個數為n=3×2=6。

滑閥泵簡化機構運動圖

圖1 滑閥泵簡化機構運動圖

  從以上數據可以看出:

  (1)平衡后滑閥泵支座反力幅值最大值由11948N降到了4815N,降低了約三分之二,平衡效果顯著。

  (2)平衡前滑閥泵的振動位移幅度較大,x、y、z三個方向的振動位移最大值為4.2mm,最小值也有1.2mm。而平衡后位移值大幅降低,x、y、z三個方向的振動位移平均值控制在1mm范圍內,y、z方向的最大值僅為0.37mm,x方向的振動位移偏大,但是也只有1.1mm,是很理想的結果。同時,將研制的2H-150滑閥泵進行了振動實驗測試,測試采用丹麥B&K公司4507型振動加速度計。表1給出了實驗和理論計算的振動數據比較結果。

表1 振動數據比較表

振動數據比較表

5、結論

  (1)計算結果表明,滑閥泵的泵體質量和體積會影響多剛體系統的質心分布,所以對泵的振動、平衡影響分析時應考慮泵體的質量和體積。

  (2)在對滑閥泵進行動態響應分析時,滑閥導軌慣性力、泵體垂直方向零部件的質量力對計算泵體支座反力有影響,它們對振動平衡的作用不可忽視。

  (3)從平衡的效果上看,平衡后的滑閥泵振動性能有較大改善,計算結果表明振動力和振動位移幅值大大降低,實驗結果則是滑閥泵實驗樣機在不加地腳螺栓固定的情況下也不會有爬行和爬動現象,振動明顯減小,滑閥泵運轉平穩。

  (4)利用計算多體系統動力學建立的雙級滑閥泵的復雜機構的數學模型,計算結果準確可靠,與實驗獲得的數據吻合,誤差在很小的范圍內。該方法經理論計算便可獲得滑閥泵的振動位移值,從而可省略振動測試實驗步驟,節約人力物力。

  綜上所述,計算多體系統動力學是一種非常有效的計算方法,利用計算多體系統動力學對雙級滑閥真空泵的振動平衡進行完整的、系統的動力學分析,可以得到準確的動力學響應,從而達到減振的目的。同時,計算多體系統動力學也可以用于其它機械真空泵的動力分析中,對提高真空泵性能、優化結構將會起到重要的指導作用。