空压机作为生产压缩空气的动力机械，在现代舰船中主要用于起动柴油机、倒车、发射鱼雷及装弹等。压缩空气可用于吹除压载水、吹除暖气管冷凝水等，可在海损舱中建立背压并加强海损邻舱，实现通海阀和通气阀的气动操纵，气动工具和轴线摩擦离合器的接通与断开，火炮操纵以及光学仪器除灰等。目前，主流的大中型空压机类型有往复式、离心式和螺杆式：往复式空压机主要应用于中小输气量场合，排气压力范围较大；离心式空压机适用于大输气量的中低压场合；螺杆式空压机适用于中小输气量的中低压场合。因此，对于超高压空气的场合，往复式空压机具有一定的优势[1]。

通常，往复式空压机内置一套曲柄连杆机构，相对于其他类型的空压机，其振动问题比较突出。惯性力是引起振动的一个重要因素，考虑到往复式空压机的结构特点，动平衡设计采取加平衡重的方法，即在平衡重的计算过程中，将连杆质量分解为回转运动质量和往复运动质量。然而这种分解通常采取的是经验公式分解，使得计算得到的平衡重误差较大[2,3]。同时，在计算空压机整机振动响应过程中，激励力的加载至关重要，而有些激励力无法直接测量，因此这就需要对曲柄连杆机构的受力情况进行分析，识别关键的激励力[4]。

笔者对往复式空压机的受力情况进行分析，根据相关质量和尺寸参数，采用解析方法计算平衡重、往复惯性力、气体力和摩擦力。为了得到更优的平衡块质量，通过建立ADAMS虚拟样机，采用OPTDES-GRG算法，计算得到平衡块质量。同时，为进一步明确主轴承的激励力，对曲轴所受激励力进行识别，得到曲轴三向激励力频域图。

1 运动关系和惯性力

空压机曲柄连杆机构主要受到气体力、重力、摩擦力和自身惯性力的作用，在空压机驱动电机转速一定的情况下，受力情况并不影响构件之间的运动关系。曲柄连杆机构示意图如图1所示，连杆长度l=280mm，曲柄半径r=35mm，曲柄旋转角速度ω=1480r/min。

根据各部件之间的几何位置关系，得到活塞位移Sx的表达式为：

 

(1)

其中，平衡质量块质心到曲轴旋转中心的距离r0=93.5mm。

近年来珠宝首饰价格轮番上涨，琥珀价格也水涨船高，各式各样的检测样品也随之而来，实验室也面临前所未有琥珀检测大挑战。琥珀是由松科类或豆科类等植物的树脂滴落积聚后经地质作用掩埋于地下，经过漫长的地质年代逐渐石化而成。受到地质作用（地质年代、地质环境、产出树脂的树种不同）的影响，石化程度不同，琥珀产地鉴定非常困难。通过对不同产地琥珀检测的情况归纳总结，找出琥珀不同红外吸收峰特性进行归纳。

往复质量mp产生的往复惯性力Ip和旋转质量mr产生的旋转惯性力Ir分别为：

查阅相关标准，取λp=0.95，k=1.4，m=1.4，ηm=0.92，εs=εd，ε=4.325。由上述公式计算得到的各力与曲柄转角关系曲线如图4所示。在虚拟样机中赋予质量属性后，会自动计算惯性力。在不考虑惯性力的情况下得到的综合活塞力如图5所示。

Ip=mprω2(cosα+λcos2α)

(2)

  

图1 曲柄连杆机构示意图

Ir=mrrω2

(3)

显色法主要包含以下3种，较为常用的有浓硫酸显色、波多因法和威勒迈志法。显色法是根据芝麻油中芝麻素、芝麻酚等芝麻木脂素类特征性成分在酸性条件下与显色剂发生特异反应，生成具有特征颜色化合物的一种方法，通过待测样品和标准样品比色进行定性定量检测[1]。

2 平衡质量的确定

为了得到更好的平衡效果，将曲柄连杆机构导入ADAMS，建立虚拟样机。以曲轴受力幅值为目标函数，平衡块配重为自变量，采用OPTDES-GRG算法，自动寻优，寻找最佳平衡质量。由于ADAMS作图不够清晰，笔者把ADAMS数据导出到Matlab中进行绘图。综合曲轴力随平衡块配重的变化关系如图2所示，当质量块质量为2.822kg时，综合曲轴力取最小值3 421N。优化前后的综合曲轴力如图3所示，采用传统方法添加的平衡块使得曲柄连杆机构主要存在二阶惯性力，用ADAMS虚拟样机优化后，虽然一阶惯性力从139N增大到292N，但是二阶及其以上惯性力得到了大幅衰减，从全频带来看，优化有一定效果。

1.3 受害状况 5次大的冻害中，2009年11月中旬的冻害虽然最低温度只有-8.1℃，但时处初冬，正值猕猴桃树体养分积累和缓慢回流关键期，树体尚未正常休眠，树体细胞还处在活跃期，树体抗寒抗冻能力差，遭遇低温，造成大量猕猴桃枝蔓、芽体、叶片受冻。而此期地温尚高，由于地面热辐射，冻害部位主要发生在地面上30～50 cm以上部位直至架面附近，主要表现为主干及枝蔓形成层受冻褐变坏死，受损极为严重。其余4次均为休眠期冻害，主要表现：

 

(4)

其中，为曲柄转角。

为了使空压机平衡运转，尽量减小不平衡力和力矩，往往需要在曲轴上添加平衡质量块。由于是单缸空压机，可忽略不平衡力矩，只需减小不平衡力即可[5～10]。根据空压机平衡质量的确定规则[1]，立式空压机的平衡质量mb为：

  

图2 综合曲轴力随平衡块配重的变化关系

  

图3 优化前后的综合曲轴力

3 气体力的计算

空压机气体力的计算最早采用的是图解法，后来出现了Excel计算方法[10]。Matlab作为一个强大的数据处理软件，通过解析方法计算气体力具有更加方便快捷的特点[11]。空压机一个工作循环包括压缩、排气、膨胀和吸气4个部分，P1～P4分别表示各个阶段的气体力，相应的曲柄转角分别为0～27°、27～180°、180～295°、295～360°。则有：

 

(5)

P2=ps′A

(6)

 

(7)

P4=pd′A

(8)

 

(9)

其中，ηm为机械效率，λv为容积系数，Vt为活塞的行程容积，εs为公称吸气状态下气体的压缩性系数，εd为公称排气状态下气体的压缩性系数，ε为压比。

在对程序进行静态分析时为了构造和逼近程序的不动点理论，Patrick Cousot和Radhia Cousot在1977年提出了基于格的抽象解释理论[8]用于对程序的语义进行可靠近似。程序具体的对象域上的计算称为程序的操作语义或者指称语义，描述了对象域上的计算过程[9]。对程序的抽象解释过程可以描述为通过对待分析程序在抽象域上的计算，使得抽象域上的计算结果尽可能地逼近程序在具体域上的计算结果过程。通过程序在抽象域上的计算结果来获取真实程序计算结果的某些信息。抽象解释实际上是通过损失一部分的计算结果的精确程度来取得较高的计算速度。是在计算结果的精度损失和计算时间效率之间的一种平衡。

摩擦力f一直与活塞的运动方向相反，前180°与气体力方向相同，后180°与气体力方向相反，用Nid表示指示功率，则：

 

(10)

 

(11)

 

(12)

其中，S为活塞行程，Sc为余隙容积，ps、pd为吸、排气公称压力，ps′、pd′为考虑压力损失后的实际吸、排气压力，λp为压力系数，A为气缸横截面积，k为绝热系数，m为多变系数。

2.课堂讨论。教师让学生进行课堂讨论，并请各小组代表结合上一轮中讲授的正确处理客户投诉的步骤及小组之间的讨论结果阐述自己的处理方法。意图是通过小组之间的讨论交流，使学生能够主动去思考，并及时修正本组处理客户投诉过程中不当的地方，自主地去寻求处理投诉的最佳方案。

其中，mp=ms+0.3md，mr=mz+0.7md，活塞质量ms=5.5kg，连杆质量md=6.0kg，曲轴转化到曲柄销中心的不平衡质量mz=6.7kg。

  

图4 力与曲柄转角关系曲线

  

图5 综合活塞力

4 激励力识别

有限元计算需要加载边界条件，尤其是曲轴的作用力，对整个机体的影响较大。然而实际情况并不方便测量，因此笔者采用多体动力学软件进行识别。将综合活塞力数据导出，并对一个周期内的数据进行延拓，使数据在时域上有足够的长度。将延拓数据导入ADAMS创建样条曲线，将样条曲线作为激励力加载到活塞质心上。加载时要注意根据曲轴的转速将转角信号进行折算，转化到时域数据进行运算时要使气体力周期和曲轴运行周期信号一一对应。定义活塞运动方向为x方向，曲轴径向、与活塞运动垂直的方向为y方向，曲轴轴向为z方向。通过运行虚拟样机，得到3个方向力的时域/频域曲线如图6、7所示，从图7可以看出，x方向的惯性力最大，y方向相对于z方向主要是一阶惯性力比较大。所以进一步减小惯性力可以从x方向惯性力和y方向的一阶惯性力着手。

  

图6 曲轴三向激励力的时域曲线

  

图7 曲轴三向激励力的频域曲线

5 结论

5.1 平衡块配重优化可以大幅减小二阶惯性力，虽然一阶惯性力会有一定程度的增大，但从整个频带上来看，惯性力仍有很大程度衰减，因此动平衡设计主要在于减小二阶惯性力。

5.2 活塞受力主要是气体力和自身惯性力，摩擦力基本上可以忽略不计。气阀启闭时机对气体压力变化的影响较大，因此气阀弹簧刚度的设定至关重要。

5.3 曲轴对主轴承的激励是引起空压机振动的重要来源，活塞运动方向上的各阶惯性力最大，其次是曲轴径向和活塞运动垂直方向上的前两阶惯性力，这也是空压机水平方向振动的主要来源。

工作读出模式：amtech芯片一直处于低功耗的接收状态（功耗应在10 μA以内），在进入RF辐射区后，接收到正确数据包头后用中断等方式将MCU唤醒，与MCU进行数据交换，调用已加完密的数据向外发射后等待，直到amtech芯片离开RF辐射区，芯片重新进入低功耗接收状态，同时给MCU一个可休眠信号。MCU进入休眠状态。

参 考 文 献

[1] 《活塞式压缩机设计》编写组.活塞式压缩机设计[M].北京:机械工业出版社,1974.

[2] 黄华军,张春,金鑫,等.含运动副间隙的涡旋压缩机动平衡仿真研究[J].振动与冲击,2016,35(5):125～130.

[3] 谭青,谢燕琴,刘文倩.球式自动平衡装置在二倍频激励下的动态特性[J].噪声与振动控制,2011,31(4):77～79.

[4] 宋亮,赵鹏兵.曲柄滑块机构的运动精度分析与计算[J].科学技术与工程,2011,11(10):2201～2205.

[5] 郑建荣.ADAMS虚拟样机技术入门与提高[M].北京:机械工业出版社,2008.

[6] 李增刚.ADAMS入门详解与实例[M].北京:国防工业出版社,2014.

[7] 鲁鹏,廖明夫,李明.一种动刚度的测试方法及其在动平衡中的应用[J].噪声与振动控制,2014,34(2):207～211.

[8] Kim S,Son C,Kim K.Combining Effect of Optimized Axial Compressor Variable Guide Vanes and Bleed Air on the Thermodynamic Performance of Aircraft Engine System[J].Energy,2017,119:199～210.

[9] 白亮亮,唐良宝.基于ADAMS的活塞压缩机动平衡虚拟设计[J].流体机械,2008,36(6):43～45.

[10] 韩绿霞.活塞式压缩机计算方法的研究[D].郑州:郑州大学,2005.

[11] 王颖,张维强.基于ADAMS的偏置曲柄滑块机构的运动学及动力学仿真研究[J].科学技术与工程,2010,10(32):8042～8045.