高壓直聯(lián)便攜式壓縮機(jī)瞬態(tài)功率計(jì)算及優(yōu)化【畢業(yè)設(shè)計(jì)+開題報(bào)告+文獻(xiàn)綜述】

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)</p><p><b>　?。ǘ?屆）</b></p><p>　　高壓直聯(lián)便攜式壓縮機(jī)瞬態(tài)功率計(jì)算及優(yōu)化</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級(jí) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化 </p

2、><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>

3、　　高壓直聯(lián)便攜式壓縮機(jī)（簡(jiǎn)稱高壓直聯(lián)機(jī)）具有重量輕、體積小、節(jié)能效果好的特點(diǎn)，并且高壓直聯(lián)壓縮機(jī)的研究和開發(fā)可以很好的促進(jìn)小型高壓氣動(dòng)工具的更新?lián)Q代，使之較大程度的減輕機(jī)身重量和人工的工作強(qiáng)度，提高工作效率。當(dāng)今高壓直聯(lián)壓縮機(jī)在國(guó)內(nèi)還沒有得到很大范圍的運(yùn)用，對(duì)其的一些重要參數(shù)進(jìn)行研究，可以使我們?cè)诟蟪潭壬狭私飧邏褐甭?lián)壓縮機(jī)的知識(shí)，并且加速運(yùn)用在各種氣動(dòng)工具上，使之得到更大范圍的運(yùn)用。</p><p>　　建立

4、高壓直聯(lián)便攜式壓縮機(jī)的瞬態(tài)熱力學(xué)數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行C語言或Matlab編程，進(jìn)行程序仿真；保證排氣量一定，依次改變一些重要參數(shù)，從而得到最優(yōu)的功率；在排氣量一定的情況下，對(duì)阻力矩波動(dòng)進(jìn)行分析。</p><p>　　由于目前按穩(wěn)態(tài)等壓比設(shè)計(jì)高壓直聯(lián)壓縮機(jī)的局限性，本文提出了瞬態(tài)過程分析的新方法，建立了高壓直聯(lián)壓縮機(jī)的瞬態(tài)過程數(shù)學(xué)模型，并對(duì)瞬態(tài)過程進(jìn)行了Matlab的仿真分析，在排氣量一定的情況下，求得仿真過程

5、中瞬態(tài)功率的最優(yōu)值。</p><p>　　在建立的瞬態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，對(duì)壓縮機(jī)的瞬態(tài)功率進(jìn)行模擬仿真，對(duì)高、低壓缸的直徑，高低壓端行程進(jìn)行改變，比較三種不同氣缸布置的高壓直聯(lián)機(jī)，從而求出最優(yōu)的瞬態(tài)功率。</p><p>　　關(guān)鍵詞：壓縮機(jī)，瞬態(tài)功率，優(yōu)化，仿真</p><p>　　The instantaneous power calculate and opti

6、mize of a directly-driven high pressure portable air compressor </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The directly-driven high pressure air compressor has the characteristic of light we

7、ight ,small volume and good energy saving result .the study and develop of the directly-driven high pressure air compressor can well promote the replace the small-sized high pressure tool with a new generation ,also can

8、relatively large extent to lighten the weight of the machine. Can lighten the work strength of manual work , improve the work effcienty . The directly-driven high pressure air compressor has not ap</p><p>　　

9、Established thermodynamic model ,on the based of the C programming language or Matlab program simulation; on this basis, to ensure that displacement will get the minimum power; in the displacement of certain circumstance

10、s, the analysis of resistance torque fluctuation analysis Moment of resistance on speed fluctuations.</p><p>　　Such as by steady-state due to the current high-voltage direct-pressure ratio compressor design

11、limitations, this paper presents a new transient process analysis method, a transient high-pressure direct-mathematical model of the compressor, and the transient process was Matlab simulation analysis, in some cases dis

12、placement, the simulation process of seeking the optimal value of the transient power and speed fluctuation of the resistance moment of impact analysis.</p><p>　　Transient in the establishment of mathematica

13、l model based on the power of the compressor to simulate the transient simulation of high pressure cylinder diameter, high pressure cylinder of the connecting rod length, exhaust pressure and uneven bars after the change

14、 the itinerary, find the most Excellent transient power.</p><p>　　Keywords: compressor，transient power，optimization， simulation</p><p><b>　　朗讀</b></p><p>　　顯示對(duì)應(yīng)的拉丁字符的拼音&

15、lt;/p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　目錄III</b></p><p><b>　　1緒論1</b>

16、</p><p>　　1.1研究背景及意義1</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3 Matlab軟件進(jìn)行仿真3</p><p>　　1.3.1 Matlab軟件簡(jiǎn)介3</p><p>　　1.3.2 Matlab軟件的優(yōu)勢(shì)3</p><p>　　2

17、 壓縮機(jī)的基本理論4</p><p>　　2.1 直聯(lián)壓縮機(jī)的工作過程4</p><p>　　2.1.1 余隙系數(shù)和容積系數(shù)4</p><p>　　2.2 直聯(lián)壓縮機(jī)的主要性能參數(shù)4</p><p>　　2.2.1 排氣量5</p><p>　　2.2.2 軸功率與效率6</p><

18、;p>　　2.3 高壓直聯(lián)機(jī)阻力距計(jì)算6</p><p>　　2.3.1 高壓直聯(lián)機(jī)阻力距的定義6</p><p>　　2.3.2 氣體力的計(jì)算6</p><p>　　2.3.3 慣性力的計(jì)算7</p><p>　　2.3.4 摩擦力的計(jì)算7</p><p>　　3建立高壓直聯(lián)機(jī)的瞬態(tài)功率模型9

19、</p><p><b>　　3.1引言9</b></p><p>　　3.2 建立瞬態(tài)熱力學(xué)模型9</p><p>　　3.2.1高低壓缸分別處于壓縮或膨脹階段10</p><p>　　3.2.2 低壓缸處于吸氣階段11</p><p>　　3.2.3 低壓缸處于正常排氣階段11&l

20、t;/p><p>　　3.2.4 高壓缸處于正常吸氣階段14</p><p>　　3.2.5 高壓缸處于正常排氣階段14</p><p>　　3.2.6 低壓缸排氣和高壓缸進(jìn)、排氣閥均打開階段15</p><p>　　3.2.7 低壓缸排氣、高壓缸進(jìn)氣閥打開階段16</p><p>　　3.3 高壓直聯(lián)機(jī)的輸

21、入功率、輸出功率計(jì)算16</p><p>　　4高壓直聯(lián)機(jī)瞬態(tài)功率仿真計(jì)算及優(yōu)化18</p><p>　　4.1高壓直聯(lián)機(jī)瞬態(tài)模型的建立及仿真特性的實(shí)現(xiàn)18</p><p>　　4.1.1 高壓直聯(lián)機(jī)的瞬態(tài)仿真建立18</p><p>　　4.1.2 高壓直聯(lián)機(jī)的仿真模型的特性實(shí)現(xiàn)19</p><p>　　4

22、.1.3整機(jī)效率19</p><p>　　4.2 高壓直聯(lián)壓縮機(jī)瞬態(tài)功率仿真20</p><p>　　4.2.1高、低壓缸直徑對(duì)瞬態(tài)功率的影響21</p><p>　　4.2.2 不同高、低壓端行程對(duì)瞬態(tài)功率的影響22</p><p>　　4.2.3 三種不同氣缸布置方式對(duì)瞬態(tài)功率的影響24</p><p>

23、;　　4.2.4 阻力矩與時(shí)間的關(guān)系26</p><p>　　4.2.5 電機(jī)轉(zhuǎn)速與時(shí)間的關(guān)系27</p><p>　　4.2.6 電機(jī)轉(zhuǎn)角與時(shí)間的關(guān)系28</p><p>　　4.3 瞬態(tài)功率的優(yōu)化29</p><p><b>　　結(jié)論31</b></p><p><b>

24、　　參考文獻(xiàn)32</b></p><p>　　致謝錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p><b>　　1緒論</b></p><p>　　1.1研究背景及意義</p><p>　　1640年德國(guó)成功研制出第一臺(tái)壓縮機(jī)， 1952年沈陽(yáng)空氣壓縮機(jī)廠成功制造第一臺(tái)流量為6/min壓力為0.68MPa空氣壓縮機(jī)[1

25、]。空氣壓縮機(jī)是把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為氣體壓力能的一種動(dòng)力裝置[2]，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)的許多部門中應(yīng)用極為廣泛，特別是在石油、化工、動(dòng)力等工業(yè)領(lǐng)域中已成為必不可少的關(guān)鍵設(shè)備[3-5]，其主要應(yīng)用于：在化工生產(chǎn)過程中，為保證某些合成工藝能在高壓下進(jìn)行，通過壓縮機(jī)把氣體加壓到所要求的壓力，如合成氨生產(chǎn)中將原料氣要加壓到32MPa，高壓聚乙烯的聚合反應(yīng)要求把乙烯加壓到200MPa以上，此外制冷和氣體分離也離不開壓縮氣體；在機(jī)械、國(guó)防和動(dòng)力工業(yè)中常

26、采用壓縮空氣作為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，壓縮機(jī)是提供壓縮空氣的關(guān)鍵設(shè)備，如利用壓縮空氣來驅(qū)動(dòng)的各種風(fēng)動(dòng)機(jī)械[6-7]、風(fēng)動(dòng)工具要求空氣壓力為0．7Mpa，用于控制儀表及自動(dòng)化裝置上的氣源壓力為0．6Mpa，車輛剎車、門窗啟閉要求壓力0．3Mpa左右，此外潛水艇的沉浮、魚雷的發(fā)射驅(qū)動(dòng)都需要壓縮空氣；在石油、化工醫(yī)藥生產(chǎn)中為輸送原料氣體采用壓縮機(jī)增壓輸送，如遠(yuǎn)程天然氣管道輸送、石油化工生產(chǎn)中許多原料氣的輸送、為了使系統(tǒng)內(nèi)未反應(yīng)氣體循環(huán)利用采用循</

27、p><p>　　據(jù)有關(guān)部門的統(tǒng)計(jì)，空氣壓縮機(jī)的能耗占全國(guó)總發(fā)電量的10%左右[10]，可見減低壓縮機(jī)的能耗，提高壓縮機(jī)的效率，對(duì)于國(guó)家節(jié)能減排[11]政策，保護(hù)環(huán)境具有巨大的意義，且對(duì)我國(guó)剛制定的“十二五”規(guī)劃的能源政策也有著重要的意義。出于成本考慮，我國(guó)目前普遍采用普通的異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)，成本低且可靠穩(wěn)定，但是小功率電機(jī)通常效率低下，造成能源浪費(fèi)嚴(yán)重，因此國(guó)家發(fā)改委的節(jié)能中長(zhǎng)期規(guī)劃中將壓縮機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化改造列

28、為“十一五”期間重點(diǎn)推廣項(xiàng)目[12]。</p><p>　　由于空氣具有良好的可壓縮性和膨脹性，適宜做能量傳遞中的介質(zhì)[13]，輸送方便不易凝結(jié)，對(duì)人沒有害處，對(duì)環(huán)境也沒有污染，且不會(huì)起火，到處都有，取之不盡用之不竭，所以空氣作為主要?jiǎng)恿υ吹脑O(shè)備，在市場(chǎng)上普遍的占據(jù)了很大的份額，比如在氣鎬[14]，鑿巖機(jī)，氣槍等等氣動(dòng)工具中的運(yùn)用，為微型壓縮機(jī)開辟了新的廣闊的市場(chǎng)空間[15]。便攜式壓縮機(jī)作為微型壓縮機(jī)中的重要組

29、成部分，由于其重量輕，便于攜帶，且可用單項(xiàng)電源工作，越來越被大家所喜愛和接受，主要用在小型的氣動(dòng)工具上。</p><p>　　綜觀近代壓縮機(jī)技術(shù)的發(fā)展可知，它的前進(jìn)是與其他相關(guān)行業(yè)的發(fā)展進(jìn)步分不開的，直聯(lián)便攜式壓縮機(jī)的生產(chǎn)發(fā)展同樣也不例外，目前大部分氣動(dòng)工具如氣釘槍之類，由于其動(dòng)力源較弱，也就是起源的壓力不夠高，只能設(shè)計(jì)成比較笨重的模樣，致使操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度很大。很自然的，人們要求改善這些氣動(dòng)工具，要求他們更加輕

30、巧，靈便，最直接，也是最簡(jiǎn)便的方法就是提高氣源的壓力。對(duì)于高壓氣動(dòng)工具而言，由于動(dòng)力源更加強(qiáng)勁，其結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)的更加輕巧，從而降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率[6]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，氣釘槍等氣動(dòng)工具也是在不斷地更新，使其更加的高效、靈巧、實(shí)用，所有的這些要求的是高壓直聯(lián)機(jī)。</p><p>　　在當(dāng)今世界，科技的發(fā)展越來越快，產(chǎn)品的變革也是突飛猛進(jìn)，不過發(fā)展的目標(biāo)都是朝著技術(shù)或者產(chǎn)品的從無到有，從有到

31、優(yōu)的發(fā)展。所以對(duì)已有的產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化是已經(jīng)擺在現(xiàn)代企業(yè)面前的一個(gè)難題。壓縮機(jī)作為國(guó)民生活中的一種必不可少的工具已服務(wù)在人們生活中的方方面面[17]，降低其能耗，不但可以節(jié)約能源，還可以保護(hù)環(huán)境，所以壓縮機(jī)的功率優(yōu)化作為減低壓縮機(jī)的能耗亟待被人們所解決。壓縮機(jī)的功率又不能從理論上的穩(wěn)態(tài)模型來計(jì)算，這樣的會(huì)造成理論值和實(shí)際值相差太大[18]，所以功率優(yōu)化的目標(biāo)是得到壓縮機(jī)的瞬態(tài)功率，并將其優(yōu)化，這就是本次論文所要解決的問題[19]。</

32、p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　國(guó)外往復(fù)式直聯(lián)壓縮機(jī)的發(fā)展方向是大容量、高壓力、結(jié)構(gòu)緊湊、能耗少、噪聲低、效率高、可塑性好、排氣凈化能力強(qiáng)[20]；不斷開發(fā)變工況條件下運(yùn)行的新型氣閥，可以使氣閥壽命大大提高；在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上，應(yīng)用壓縮機(jī)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件和壓縮機(jī)工作過程模擬軟件等[21]，提高計(jì)算準(zhǔn)確度，通過綜合模擬模型預(yù)測(cè)壓縮機(jī)在實(shí)際工況下的性能參數(shù)，以提高新產(chǎn)

33、品開發(fā)的成功率。采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，自動(dòng)顯示各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化節(jié)能運(yùn)行狀態(tài)，優(yōu)化聯(lián)機(jī)運(yùn)行，運(yùn)行參數(shù)異常顯示、報(bào)警與保護(hù)[22]；產(chǎn)品設(shè)計(jì)重視工業(yè)設(shè)計(jì)和環(huán)境保護(hù)，壓縮機(jī)外型美觀更加符合環(huán)保要求[23]。</p><p>　　我國(guó)在壓縮機(jī)領(lǐng)域的主要差距是基礎(chǔ)理論研究差，產(chǎn)品技術(shù)開發(fā)能力低，工藝裝備和實(shí)驗(yàn)手段落后，產(chǎn)品技術(shù)起點(diǎn)低，規(guī)格品種少、效率低、制造質(zhì)量可靠性差。另外，技術(shù)含量高和特殊要求的產(chǎn)品還滿足不了國(guó)內(nèi)需

34、要[24]，重大設(shè)備的軟件技術(shù)開發(fā)基本上停留在模仿的水平上，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專有技術(shù)少，設(shè)備開發(fā)做不到專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，設(shè)備的可靠性還有待進(jìn)一步提高。產(chǎn)品可靠性好，效率高，噪聲低以及成本低的壓縮機(jī)，是所有壓縮機(jī)生產(chǎn)企業(yè)不斷追求的目標(biāo)，為了滿足生產(chǎn)建設(shè)和技術(shù)改造的需要，變模仿開發(fā)到自主開發(fā)，形成一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的裝備、技術(shù)，以適應(yīng)石化生產(chǎn)工藝的快速發(fā)展。滿足高溫、高壓、易燃、易爆、易腐蝕和長(zhǎng)周期運(yùn)轉(zhuǎn)條件，跟蹤世界先進(jìn)技術(shù)，加快

35、技術(shù)更新步伐，加大科技投入，以此來全面提升企業(yè)在國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)能力[25]。</p><p>　　直聯(lián)便攜式直聯(lián)空氣壓縮機(jī)（簡(jiǎn)稱直聯(lián)機(jī)），是一種壓縮機(jī)與電機(jī)同軸并組合在一起的高速輕便微型空氣壓縮機(jī)，由于重量輕，便于攜帶，且可用單相電源，而受到個(gè)人用戶的喜愛。1993 年以前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的直聯(lián)機(jī)絕大部分是從意大利進(jìn)口，售價(jià)約為1800 元/臺(tái)，年銷售量約為1~2 萬臺(tái)。1993年后，國(guó)內(nèi)開始制造，售價(jià)約1500 元

36、/臺(tái)，年產(chǎn)量約2~5千臺(tái)，外觀及性能與國(guó)外進(jìn)口機(jī)相比存在相當(dāng)?shù)牟罹唷?995年后，隨著國(guó)內(nèi)鋁件鑄造水平的提高以及成本的降低，廈門一帶的廠家開始大批量生產(chǎn)直聯(lián)機(jī)[26]。1996年后，生產(chǎn)廠家越來越多，經(jīng)過十年的發(fā)展，其制造水平已達(dá)一定水準(zhǔn)，有相當(dāng)一部分出口到歐美地區(qū)[27]。</p><p>　　1998年以前，直聯(lián)機(jī)一直沒有專用標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)、制造、驗(yàn)收基本上是參照微型壓縮機(jī)標(biāo)準(zhǔn)[28]，而微型壓縮機(jī)標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)低速

37、機(jī)型而定，其性能指標(biāo)主要追求低能耗、低噪聲等，而對(duì)輕便、適用單相電源、價(jià)格等沒有什么要求。顯然用微型機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)來衡量直聯(lián)機(jī)的優(yōu)劣不太合適[29]。針對(duì)這種情況，合肥通用所組織有關(guān)廠家制定了直聯(lián)機(jī)專用標(biāo)準(zhǔn)，為行業(yè)提供了衡量產(chǎn)品性能的依據(jù)，為活塞式直聯(lián)機(jī)的發(fā)展打開了合理的空間，同時(shí)也為其它類型的直聯(lián)機(jī)發(fā)展提供參考。標(biāo)準(zhǔn)中引入了一些家用品的要求，如外觀、安全、插頭等，主要引用標(biāo)準(zhǔn)除微型機(jī)常用標(biāo)準(zhǔn)外，還引用了GB4706.1、JB/T1011、J

38、B/T9542等[30]。</p><p>　　1.3 Matlab軟件進(jìn)行仿真</p><p>　　1.3.1 Matlab軟件簡(jiǎn)介</p><p>　　MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室（Matrix Laboratory）的簡(jiǎn)稱，是美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATL

39、AB和Simulink兩大部分[31-32]。</p><p>　　1.3.2 Matlab軟件的優(yōu)勢(shì)</p><p>　　MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、

40、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。</p><p>　　MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完成相同的事情簡(jiǎn)捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn),使MATLAB成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。[33-34]</p><p>　　2 壓縮機(jī)的基本理論</p>

41、<p>　　2.1 直聯(lián)壓縮機(jī)的工作過程</p><p>　　圖2-1 直聯(lián)壓縮機(jī)的工作示意圖</p><p>　　氣缸 2、活塞 3、連桿 4、曲軸 5、排氣閥 6、吸汽閥 7、曲軸箱</p><p>　　直聯(lián)壓縮機(jī)又稱活塞式壓縮機(jī)。壓縮機(jī)的工作腔是氣缸?；钊跉飧變?nèi)作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而完成了壓縮、排汽、膨脹、吸汽等過程。圖2-1為直聯(lián)壓縮

42、機(jī)的工作示意圖，圖中的四個(gè)過程分別表示了壓縮機(jī)工作中的四個(gè)過程[35]。</p><p>　　圖(a)為壓縮機(jī)的壓縮過程：當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到最低位置(稱活塞的下止點(diǎn))時(shí)，氣缸吸滿蒸氣，而活塞轉(zhuǎn)而向上。這時(shí)吸、排氣門都關(guān)閉，氣缸容積縮小，蒸氣被壓縮，一直壓縮到排氣壓力為止。圖中(b)為排氣過程：當(dāng)壓力達(dá)到一定值(大于排汽管內(nèi)壓力)時(shí)，排氣閥開啟，活塞繼續(xù)上移，蒸氣排出，一直到活塞上移到最高位置(這位置稱活塞的上止點(diǎn))時(shí)，

43、排氣結(jié)束。圖中(c)是余隙膨脹過程：為了防止活塞與吸排汽閥碰撞，活塞上移到上止點(diǎn)時(shí)，活塞與氣缸頂部之間留有一定間隙，稱余隙。當(dāng)活塞轉(zhuǎn)而向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，排氣結(jié)束時(shí)留在余隙內(nèi)的高壓蒸氣阻止吸氣閥開啟，吸氣不能開始。這時(shí)余隙內(nèi)的蒸氣隨著活塞下移而進(jìn)行膨脹，一直膨脹到吸氣壓力以下時(shí)才結(jié)束。圖(d)是吸氣過程：吸氣閥開啟，隨著活塞往下運(yùn)動(dòng)而吸氣，一直進(jìn)行到活塞下移到活塞下止點(diǎn)為止[36]。</p><p>　　2.2 直聯(lián)壓

44、縮機(jī)的主要性能參數(shù)</p><p>　　2.2.1 余隙系數(shù)和容積系數(shù)</p><p>　?。?）余隙系數(shù) 余隙體積占活塞推進(jìn)一次所掃過體積的百分率，稱為余隙系數(shù)，以ε表示，其表達(dá)式為：</p><p><b>　　(2-1)</b></p><p>　　一般大、中型壓縮機(jī)的低壓氣缸的ε值約在8％以下，高壓氣缸的ε值可達(dá)

45、12％左右。</p><p>　　（2）容積系數(shù) 壓縮機(jī)一次循環(huán)吸入氣體的體積(V-V)和活基一次掃過體積(V-V)之比，稱為容積系數(shù)λ，即</p><p><b>　　(2-2)</b></p><p>　　若上式中的V用比較固定的V來表示，如對(duì)絕熱膨脹，則可導(dǎo)出：</p><p><b>　　(2-3)&l

46、t;/b></p><p>　　整理上式即可得到容積系數(shù)和余隙系數(shù)的關(guān)系：</p><p><b>　　(2-4)</b></p><p>　　式2-13表明，當(dāng)氣體的壓縮比一定時(shí)，余隙系數(shù)加大，容積系數(shù)就變小，壓縮機(jī)的吸氣量也就減少。對(duì)于一定的余隙系數(shù)，氣體的壓縮比愈高，余隙氣體膨脹后所占?xì)飧椎捏w積也就愈大，使每一循環(huán)吸氣量下降得更多，

47、當(dāng)壓縮比高到某一程度時(shí)，容積系數(shù)可能變?yōu)榱?，即?dāng)活塞向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，殘留在余隙中的高壓氣體膨脹后完全充滿氣缸，以致不能再吸入新的氣體[38]。</p><p>　　2.2.2 排氣量</p><p>　　直聯(lián)壓縮機(jī)的排氣量又稱為壓縮機(jī)的生產(chǎn)能力，通常將壓縮機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)排出的氣體體積換算成吸入狀態(tài)的數(shù)值，所以又稱為壓縮機(jī)的輸氣量。氣體只有被吸進(jìn)氣缸后方能排出，故排氣量的計(jì)算應(yīng)從吸氣量出發(fā)[3

48、7]。</p><p>　　若沒有余隙，直聯(lián)壓縮機(jī)的理論吸氣量與直聯(lián)泵的類似，即：</p><p><b>　　單動(dòng)直聯(lián)壓縮機(jī)</b></p><p><b>　?。?-5）</b></p><p><b>　　雙動(dòng)直聯(lián)壓縮機(jī)</b></p><p>&

49、lt;b>　?。?-6）</b></p><p>　　由于氣缸里有余隙，余隙氣體膨脹后占據(jù)了部分氣缸容積，且氣體通過吸氣閥時(shí)存在流動(dòng)阻力，使氣缸里的壓強(qiáng)比吸入氣體的壓強(qiáng)稍為低一些，氣缸內(nèi)的溫度又比吸入氣體的溫度高，吸入氣缸的氣體也要膨脹而占去了一部分有效體積。所以實(shí)際吸氣量要比理論吸氣量為少。</p><p>　　由于壓縮機(jī)的各種泄漏，實(shí)際排氣量又比實(shí)際吸氣重要低。<

50、;/p><p>　　綜合上述原因，實(shí)際排氣量應(yīng)為：</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p><b>　　是壓縮機(jī)的泄露系數(shù)</b></p><p>　　2.2.3 軸功率與效率</p><p>　　若以絕熱過程為例，壓縮機(jī)的理論功率為：</p>

51、<p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　實(shí)際所需的軸功率比理論功率大，其原因?yàn)椋?lt;/p><p>　?。?）實(shí)際吸氣量比實(shí)際排氣量大，凡吸入的氣體都要經(jīng)歷壓縮過程，多消耗了能量。</p><p>　　（2）氣體在氣缸內(nèi)湍動(dòng)及通過閥門等的流動(dòng)阻力，要消耗能量。</p><p>　?。?）壓

52、縮機(jī)運(yùn)動(dòng)部件的摩擦，也要消耗能量。</p><p>　　把以上三點(diǎn)原因所消耗的功率記作P</p><p>　　所以軸的實(shí)際功率P：</p><p><b>　?。?-9）</b></p><p><b>　　軸效率：</b></p><p><b>　?。?-10）

53、</b></p><p>　　2.3 高壓直聯(lián)機(jī)阻力距計(jì)算</p><p>　　2.3.1 高壓直聯(lián)機(jī)阻力距的定義</p><p>　　壓縮機(jī)的綜合活塞力是由三部分組成的，分別是氣體力、慣性力和摩擦力，數(shù)學(xué)表達(dá)式為。綜合活塞力[39]通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)傳遞到曲柄銷上后，分解為切向力分量和法向力分量，壓縮機(jī)的阻力距就是綜合活塞力的切向力分量乘以曲柄半徑r。

54、其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：</p><p><b>　　（2-11）</b></p><p>　　式中：r為曲柄半徑，為曲柄轉(zhuǎn)角，是曲柄半徑與連桿長(zhǎng)度之比。</p><p>　　有公式可以知道，壓縮機(jī)的阻力距與壓縮機(jī)的綜合活塞力、曲柄半徑、曲柄轉(zhuǎn)角、曲柄半徑與連桿長(zhǎng)度之比有關(guān)。</p><p>　　2.3.2 氣體力的計(jì)算<

55、;/p><p>　　圖2-4為曲柄轉(zhuǎn)角與壓縮機(jī)活塞位移的示意圖，壓縮機(jī)活塞離外止點(diǎn)的位移公式為 </p><p><b>　　（2-12）</b></p><p>　　圖2-4 曲柄轉(zhuǎn)角與壓縮機(jī)活塞位移的示意圖</p><p>　　壓縮機(jī)工作狀態(tài)可分壓縮、排氣、膨脹、吸氣四個(gè)過程，壓縮機(jī)活塞在工作過程中所受到

56、的氣體壓力與活塞離外止點(diǎn)間距離關(guān)系如表2-1（氣體壓力與活塞離外止點(diǎn)間距離關(guān)系）所示：</p><p>　　表2-1 氣體壓力與活塞離外止點(diǎn)間距離關(guān)系</p><p>　　表中：為進(jìn)氣壓力，為排氣壓力，m為壓縮和膨脹過程的當(dāng)量多變指數(shù)，為余隙容積的當(dāng)量行程，s為活塞的行程。氣體壓力乘以活塞面積就是氣體力。</p><p>　　2.3.3 慣性力的計(jì)算</p&g

57、t;<p>　　慣性力分解為兩部分，一部分（集中在十字頭的往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量）作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，另一部分隨曲柄銷作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即往復(fù)慣性力與旋轉(zhuǎn)慣性力。</p><p>　　活塞組件在往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中受到往復(fù)慣性力的作用，其大小為：</p><p><b>　　（2-13）</b></p><p>　　式中：為活塞組件的往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，?為曲軸旋轉(zhuǎn)

58、角速度。其方向始終是沿著該氣缸的中心線，大小則隨角發(fā)生周期性變化。</p><p>　　旋轉(zhuǎn)慣性力的表達(dá)式為：</p><p><b>　?。?-14）</b></p><p>　　旋轉(zhuǎn)慣性力的方向始終沿著曲柄半徑外指，大小是一定值，故可用配重來平衡。</p><p>　　2.3.4 摩擦力的計(jì)算</p>

59、<p>　　活塞組件在往復(fù)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過程中受到各種摩擦力的作用，為簡(jiǎn)化計(jì)算，可根據(jù)摩擦力所消耗的功率作定值估算：</p><p>　　機(jī)械損耗功率： </p><p><b>　?。?-15）</b></p><p>　　往復(fù)摩擦力的功耗為機(jī)械損耗功率的60~70%，即表達(dá)式：</p><p>&l

60、t;b>　?。?-16）</b></p><p>　　旋轉(zhuǎn)摩擦力的功耗為機(jī)械損耗功率的40~30%，如表達(dá)式： </p><p><b>　?。?-17）</b></p><p>　　3建立高壓直聯(lián)機(jī)的瞬態(tài)功率模型</p><p><b>　　3.1引言</b></p>

61、;<p>　　熱力學(xué)計(jì)算是熱力學(xué)理論分析壓縮機(jī)的實(shí)際壓縮循環(huán)，確定氣缸容積，各級(jí)壓縮的壓比分配、排氣量、功率等壓縮機(jī)的主要參數(shù)。在往復(fù)壓縮機(jī)的工作過程中，常用多變過程方程來描述起壓縮過程中氣體熱力參數(shù)的變化規(guī)律，然而多變方程的來源是在無氣體泄漏及功熱比例恒定的假設(shè)條件下得來的，但是這種假設(shè)與壓縮機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況相差較大。以前建立的往復(fù)壓縮機(jī)壓縮過程中伴有氣體泄漏和不穩(wěn)定傳熱耦合作用下的變質(zhì)量系統(tǒng)氣體壓縮熱力過程的數(shù)學(xué)模型，

62、應(yīng)用龍格-庫(kù)塔法對(duì)其進(jìn)行數(shù)值求解，并分別討論了傳熱、質(zhì)量泄漏及其耦合作用對(duì)氣體壓縮熱力過程的影響。他們都沒有考慮到壓縮機(jī)儲(chǔ)罐壓力變化情況對(duì)壓縮機(jī)壓比的變化，同時(shí)沒有低壓缸排氣閥、高壓缸吸氣閥和排氣閥關(guān)閉與開啟現(xiàn)象的描述。</p><p>　　高壓直聯(lián)機(jī)瞬態(tài)熱力學(xué)過程分析和普通壓縮機(jī)熱力學(xué)分析不同的是，高壓直聯(lián)機(jī)完全處于變工況工作狀態(tài)，且兩級(jí)壓縮之間既沒有冷卻器，也沒有穩(wěn)壓儲(chǔ)罐，由此使得一級(jí)氣缸的排氣壓力，二級(jí)氣缸

63、的吸氣壓力以及二級(jí)氣缸的排氣壓力都是隨著時(shí)間的變化而變化的，從而給熱力學(xué)分析帶來了很大的麻煩。高壓直聯(lián)機(jī)的工作在不穩(wěn)定的狀態(tài)下進(jìn)行的，與普通的二級(jí)壓縮機(jī)不同，同時(shí)與單級(jí)的直聯(lián)便捷式壓縮機(jī)也不同，一、二級(jí)壓縮之間是互相影響的。高壓直聯(lián)機(jī)在使用過程中儲(chǔ)罐的壓力自啟動(dòng)到停止運(yùn)轉(zhuǎn)這一過程中，壓力都是隨時(shí)間的變化而變化的，為了提高其功率和效率，本章建立了高壓直聯(lián)機(jī)的瞬態(tài)功率模型，為第四章高壓直聯(lián)機(jī)的瞬態(tài)功率仿真與優(yōu)化奠定了技術(shù)。在第四章我們是通過

64、編程計(jì)算高壓直聯(lián)機(jī)各個(gè)瞬態(tài)的工作狀況，實(shí)現(xiàn)高壓直聯(lián)機(jī)的瞬態(tài)功率優(yōu)化。</p><p>　　3.2 建立瞬態(tài)熱力學(xué)模型</p><p>　　在正常情況下，高壓直聯(lián)機(jī)工作一段時(shí)間后，氣缸和活塞的溫度一般總是高于進(jìn)氣的溫度而低于排氣的溫度，所以在進(jìn)氣過程中氣體被氣缸和活塞加熱，溫度有所升高。在排氣過程中，氣體溫度比壁溫高，故氣體放熱而降溫。在壓縮與膨脹過程中熱交換情況比較復(fù)雜，氣體有時(shí)向氣缸放

65、熱，有時(shí)向氣缸吸熱。吸熱與放熱的不同會(huì)影響多變指數(shù)m的大小。</p><p>　　此外，高壓直聯(lián)機(jī)是二級(jí)壓縮，在氣體吸氣、壓縮、膨脹、排氣的不同過程中，低壓缸排氣閥、高壓缸吸氣閥和排氣閥都處于導(dǎo)通或關(guān)閉狀態(tài)。閥的導(dǎo)通或關(guān)閉狀態(tài)影響過渡容積、高壓缸和儲(chǔ)罐是否直接導(dǎo)通。過渡容積、高壓缸和儲(chǔ)罐導(dǎo)通狀態(tài)影響多變過程方程中的多變指數(shù)m的大小。閥的工作過程可以分為三個(gè)階段：（1）剛啟動(dòng)階段，高壓缸進(jìn)、排氣閥同時(shí)打開，低壓缸、

66、低壓排氣管、高壓缸以及儲(chǔ)罐都處于導(dǎo)通狀態(tài)，也相當(dāng)于高壓缸處于短路狀態(tài)，基本不起作用；（2）隨著壓縮機(jī)的運(yùn)行，儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力不斷增加，在這一階段，高壓缸的壓比依然很低，低壓缸排氣時(shí)，仍然可能出現(xiàn)將高壓缸進(jìn)氣閥同時(shí)打開的情況，但高壓缸排氣閥處于關(guān)閉狀態(tài)。低壓缸、低壓缸排氣管和高壓缸處于連通狀態(tài)；（3）隨著高壓缸 壓比增大，高低壓缸的進(jìn)、排氣缸處于正常開啟狀態(tài)。下面就上述幾種情況分析高壓直聯(lián)機(jī)多變過程。</p><p>

67、　　3.2.1高低壓缸分別處于壓縮或膨脹階段</p><p>　　要建立高壓直聯(lián)機(jī)的瞬態(tài)熱力學(xué)模型，首先要寫出高壓直聯(lián)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的高低壓活塞位移方程。高壓直聯(lián)機(jī)運(yùn)動(dòng)示意圖如圖3.1，低壓缸活塞位移方程為：</p><p><b>　　（3-1）</b></p><p>　　式中，r為低壓端偏心輪偏心距，為低壓端連桿長(zhǎng)度，為高壓直聯(lián)機(jī)的主軸轉(zhuǎn)速

68、，為低壓端偏心輪偏心距與低壓端連桿長(zhǎng)度的比值。</p><p>　　在高壓直聯(lián)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，高壓缸活塞位移方程為：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　式中，為高壓端偏心輪偏心距，為高壓端連桿長(zhǎng)度，為高壓端偏心輪偏心距與高壓端連桿長(zhǎng)度的比值。</p><p>　　當(dāng)?shù)蛪焊滋幱谡５膲嚎s或膨

69、脹階段時(shí)，低壓缸的進(jìn)、排氣閥都是關(guān)閉的，缸內(nèi)壓力的變化僅僅是由于缸內(nèi)容積的變化而引起的?？梢苑謩e將壓縮或者膨脹過程視為多變指數(shù)為m的多變過程。正常情況下，高壓直聯(lián)機(jī)工作一段時(shí)間后，氣缸和活塞的溫度總是高于進(jìn)氣的溫度而低于排氣的溫度。壓縮剛開始時(shí)，新吸進(jìn)的氣體溫度低于壁溫，氣體吸熱，多變過程方程中的多變指數(shù)m應(yīng)大于絕熱指數(shù)k；繼續(xù)壓縮到某一時(shí)刻氣體溫度與壁溫相等時(shí)，m等于k；在隨后的繼續(xù)壓縮過程中，氣體溫度高于壁溫，氣體放熱，多變指數(shù)m小

70、于k。膨脹過程則與壓縮過程正好相反，膨脹剛開始的時(shí)候，氣溫高于壁溫，氣體放熱，m大于k；繼續(xù)膨脹到某一時(shí)刻氣體溫度與壁溫相等時(shí)，m等于k;在膨脹后期，氣溫低于壁溫，氣體吸熱，則多變過程方程中多變指數(shù)m小于k。這樣的計(jì)算過程過于復(fù)雜，不利于工程應(yīng)用，為簡(jiǎn)化計(jì)算，可根據(jù)一個(gè)進(jìn)、排氣周期的熱交換情況，通過當(dāng)量計(jì)算的方法，將過程方程中的多變指數(shù)m簡(jiǎn)化成某一當(dāng)量定值常數(shù)。這樣，低壓缸的壓縮和膨脹瞬態(tài)過程都可以用下面的方程表示：

71、 </p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　式中，V為低壓缸余隙容積，D為低壓缸直徑，為低壓缸在t時(shí)刻的氣體壓力。多變過程方程中的多變指數(shù)m。同理，高低壓的壓縮和膨脹瞬態(tài)過程也可以用類似的方程表示：</p><p><b>　?。?-4）

72、</b></p><p>　　式中， 為高壓缸余隙容積，為高壓缸直徑，為高壓缸在t時(shí)刻的氣體壓力。</p><p>　　3.2.2 低壓缸處于吸氣階段</p><p>　　我們討論的高壓直聯(lián)機(jī)的低壓缸是直接從周圍的大氣中吸入氣體的。當(dāng)?shù)蛪焊變?nèi)的壓力由于膨脹而低于大氣壓時(shí)，低壓缸吸氣閥打開，外界的氣體通過進(jìn)氣閥進(jìn)入低壓缸，由于進(jìn)氣閥產(chǎn)生的壓力損失，低壓缸內(nèi)

73、的壓力在吸氣過程中始終低于大氣壓，因此，低壓排氣閥必然是關(guān)閉的，低壓缸吸氣過程的瞬態(tài)方程可表示為：</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　式中，為低壓缸內(nèi)氣體的壓力，為大氣壓，為進(jìn)氣閥產(chǎn)生的壓力損失。</p><p>　　3.2.3 低壓缸處于正常排氣階段</p><p>　　當(dāng)?shù)蛪焊椎膲毫?/p>

74、大于低壓缸的排氣管內(nèi)的壓力時(shí)，低壓缸排氣閥打開，低壓缸開始向排氣管排氣。假設(shè)低壓缸排氣閥的阻力損失、排氣管路的流動(dòng)損失之和為，那么在低壓缸正常排氣階段，低壓缸內(nèi)的壓力和排氣管內(nèi)的壓力存在如下關(guān)系：</p><p><b>　　（3-6）</b></p><p>　　因?yàn)闆]有級(jí)間冷卻，低壓缸排氣管的容積一般都很小，因此低壓缸排氣過程其實(shí)也是一種多變壓縮過程。在排氣階段，

75、低壓氣缸的溫度應(yīng)該處于活塞往復(fù)一周中的最高值，因此散發(fā)的熱量最多，而缸內(nèi)的壓力變化不大，氣體產(chǎn)生的壓縮熱量較小，因此可以將這一階段缸內(nèi)的壓縮過程看作為等溫壓縮；另一方面，低壓缸排出的熱氣經(jīng)過排氣管后逐漸冷卻，根據(jù)理想氣體的狀態(tài)方程，t時(shí)刻低壓缸內(nèi)的氣體質(zhì)量M(t)和低壓缸排氣管的氣體質(zhì)量滿足下面的方程：</p><p><b>　　(3-7)</b></p><p>

76、　　式中，M(t)為t時(shí)刻低壓缸內(nèi)的氣體質(zhì)量，R為通用氣體常數(shù)，為t時(shí)刻高壓缸內(nèi)氣體的溫度。</p><p><b>　　(3-8)</b></p><p><b>　　(3-9)</b></p><p>　　式中，為低壓缸排氣管的氣體質(zhì)量，低壓缸排氣管的體積， t時(shí)刻高壓缸內(nèi)氣體的溫度。</p><p

77、><b>　　(3-10)</b></p><p>　　低壓缸和低壓排氣管內(nèi)的氣體總質(zhì)量在時(shí)間內(nèi)是保持不變的，低壓缸和低壓缸排氣管內(nèi)的壓力和溫度分別滿足多變過程壓力和溫度的關(guān)系，所以即：</p><p><b>　　(3-11)</b></p><p><b>　　(3-12)</b></

78、p><p><b>　　(3-13)</b></p><p>　　低壓缸排氣時(shí)，低壓缸和低壓缸排氣管是連通的，只有兩者的壓力相差了，所以從容積上來看，低壓缸排氣時(shí)的缸內(nèi)容積遠(yuǎn)小于低壓缸排氣管的容積，為簡(jiǎn)化計(jì)算起見，可以認(rèn)為這一階段兩者進(jìn)行都是多變指數(shù)為的多變壓縮過程，而且的大小主要取決于低壓缸排氣管的散熱情況?？紤]到高壓缸的進(jìn)氣情況與低壓缸排氣管的散熱情況有很多的關(guān)聯(lián)，下

79、面我們對(duì)低壓缸排氣管的散熱情況進(jìn)行詳細(xì)的分析，并建立相應(yīng)的計(jì)算模型。</p><p>　　為了保證良好的散熱，低壓缸排氣管由導(dǎo)熱性良好的銅管制成，銅管與外界熱量交換包括兩部分：一是低壓缸排出的熱氣體以及銅管內(nèi)多變壓縮過程產(chǎn)生的熱量以強(qiáng)制對(duì)流的形式傳熱給銅管；二是銅管通過自然對(duì)流的形式向周圍大氣散熱。這個(gè)過程是非常復(fù)雜的瞬態(tài)過程，為了簡(jiǎn)化，我們?nèi)』钊鶑?fù)一次為分析的周期，并將該周期的熱量傳遞視為穩(wěn)態(tài)過程，也就是說，

80、在這一周期內(nèi)氣體由于壓縮和冷卻散發(fā)的熱量與銅管想周圍散發(fā)的熱量應(yīng)該是相同的。由于銅管的導(dǎo)熱性很好，管壁又做的比較薄，可假設(shè)銅管的溫度都是相同的，設(shè)為。</p><p>　　低壓缸排氣時(shí)，低壓缸排氣管內(nèi)的氣體因壓縮而放熱，高壓缸吸氣時(shí)，低壓缸排氣管內(nèi)的氣體因膨脹而吸熱。簡(jiǎn)化模型后，我們假設(shè)這兩部分熱量基本相等所以互相抵消，這樣熱氣流與管壁的熱量交換應(yīng)該等于熱氣流本身內(nèi)能的下降，即：</p><p

81、><b>　　(3-14)</b></p><p>　　式中，和分別是低壓缸排氣溫度和高壓缸的進(jìn)氣溫度，為空氣的定壓比熱容，為低壓缸排氣管的內(nèi)徑，u為流體在低壓缸排氣管內(nèi)的平均流速，為流體與管壁之間的對(duì)流傳熱系數(shù)，L為包括低壓缸排氣腔和高壓缸進(jìn)氣腔的當(dāng)量排氣管長(zhǎng)度。對(duì)于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)傳熱，這一部分熱量又等于管路通過自然對(duì)流散發(fā)的熱量，故又有：</p><p><b

82、>　　(3-15)</b></p><p>　　式中， 為周圍大氣的溫度，為管壁的自然對(duì)流傳熱系數(shù)。低壓缸的排氣溫度可以有式(3-14)和式(3-15)計(jì)算得到，因此上面的兩個(gè)等式就能組成關(guān)于和的方程，其中的傳熱系數(shù)和可以通過下面的方法求得：</p><p>　　低壓缸排氣管內(nèi)的流體的雷諾數(shù)Re為：</p><p><b>　　(3-16

83、)</b></p><p>　　式中，為流體在低壓缸排氣管內(nèi)的平均密度，為空氣粘度。</p><p>　　假設(shè)Re<2000為層流，對(duì)流傳熱系數(shù)為：</p><p><b>　　(3-17)</b></p><p>　　式中為壓縮機(jī)的導(dǎo)熱系數(shù)，假設(shè)2000<Re<4000為過渡流，對(duì)流傳熱系

84、數(shù)為：</p><p><b>　　(3-18)</b></p><p>　　式中，為流動(dòng)當(dāng)量直徑。</p><p>　　假設(shè)Re>4000為湍流，對(duì)流傳熱系數(shù)為：</p><p><b>　　(3-19)</b></p><p>　　管道表面與周圍大氣之間的對(duì)流傳熱屬

85、于自然對(duì)流，自然對(duì)流時(shí)的傳熱系數(shù)僅僅與反映流體自然對(duì)流狀況的Gr準(zhǔn)數(shù)以及Pr準(zhǔn)數(shù)有關(guān)，其準(zhǔn)數(shù)關(guān)系為：</p><p><b>　　(3-20)</b></p><p>　　反映流體自然對(duì)流狀況的Gr準(zhǔn)數(shù)為：</p><p><b>　　(3-21)</b></p><p>　　式中，，。求得GrPr

86、的值，通過查表3-1的c與n的值。</p><p>　　確定了c和n的值以后，可以得到的值為：</p><p><b>　　(3-22)</b></p><p>　　表3-1 c與n值的表</p><p>　　3.2.4 高壓缸處于正常吸氣階段</p><p>　　所謂高壓缸正常吸氣是指高壓

87、缸吸汽閥打開，而低壓缸排氣閥和高壓缸排氣閥都處于關(guān)閉狀態(tài)。這一階段高壓缸進(jìn)氣管和高壓缸內(nèi)的壓力計(jì)算與低壓缸排氣階段的計(jì)算是類似，但是高壓缸進(jìn)氣管（也就是低壓缸排氣管）的散熱情況已經(jīng)在前面討論過，并已得到了高壓缸的進(jìn)氣溫度，下面僅給出該過程的相關(guān)壓力計(jì)算方法：</p><p><b>　　(3-23)</b></p><p><b>　　(3-24)</

88、b></p><p><b>　　(3-25)</b></p><p><b>　　(3-26)</b></p><p><b>　　(3-27)</b></p><p>　　3.2.5 高壓缸處于正常排氣階段</p><p>　　當(dāng)高壓缸內(nèi)的壓力

89、大于儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力時(shí)，高壓缸排氣閥打開，高壓缸開始排氣。假設(shè)高壓缸排氣閥的阻力損失、排氣管路的流動(dòng)損失之和為，那么在高壓缸正常排氣階段，高壓缸內(nèi)的壓力和儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力存在如下關(guān)系：</p><p><b>　　(3-28)</b></p><p>　　在高壓缸排氣階段，如果儲(chǔ)罐沒有向外輸氣，那么由于高壓缸的排氣，儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力會(huì)增加，根據(jù)上式可知，高壓缸內(nèi)的壓力同樣會(huì)增加。

90、在這一階段，高壓缸的溫度會(huì)處于一個(gè)周期中的最高值，因此散發(fā)的熱量最多，而缸內(nèi)的壓力變化不大，氣體產(chǎn)生的壓縮熱量較小，因此可以將這一階段缸內(nèi)的壓縮過程視為等溫壓縮；另一方面，高壓缸排出的熱氣體經(jīng)過排氣管后迅速冷卻，進(jìn)入儲(chǔ)罐，與其他的冷氣體混合，通過儲(chǔ)罐表面大面積的散熱，溫度會(huì)逐步下降，因此可以假設(shè)：儲(chǔ)罐內(nèi)的溫度始終保持在周圍大氣的溫度。根據(jù)理想氣體的狀態(tài)方程，t時(shí)刻高壓缸內(nèi)的氣體質(zhì)量M(t)和儲(chǔ)罐內(nèi)的氣體質(zhì)量滿足下面的 關(guān)系：</p

91、><p><b>　　(3-29)</b></p><p><b>　　(3-30)</b></p><p>　　經(jīng)過時(shí)間后，高壓缸內(nèi)的壓力同樣滿足理想氣體狀態(tài)方程：</p><p><b>　　（3-31）</b></p><p>　　高壓缸在時(shí)間內(nèi)排出的

92、氣體質(zhì)量為：</p><p><b>　　(3-32)</b></p><p>　　這部分氣體邊冷卻邊進(jìn)入儲(chǔ)罐，儲(chǔ)罐在時(shí)間后的壓力滿足方程：</p><p><b>　　(3-33)</b></p><p>　　同時(shí)，又因?yàn)殚y阻損失不變，故有：</p><p><b&g

93、t;　　(3-34)</b></p><p>　　以上方程就組成了高壓缸正常排氣階段的封閉方程組，由此可求出和。</p><p>　　3.2.6 低壓缸排氣和高壓缸進(jìn)、排氣閥均打開階段</p><p>　　在壓縮機(jī)剛啟動(dòng)階段，儲(chǔ)罐內(nèi)是空的，由于低壓缸行程容積遠(yuǎn)大于高壓缸行程容積，有可能出現(xiàn)這樣的情況：低壓缸排氣時(shí)，打壓剛排氣管(即高壓缸進(jìn)氣管)內(nèi)的壓力增

94、加，而儲(chǔ)罐是空的，高壓缸內(nèi)的壓力也只能是處于較低的狀態(tài)，因此低壓缸排氣管內(nèi)的壓力有可能同時(shí)超過高壓缸缸內(nèi)和儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力，致使高壓缸進(jìn)排氣閥同時(shí)打開，低壓缸、低壓缸排氣管、高壓缸以及儲(chǔ)罐都處于連通狀態(tài)，也相當(dāng)于高壓缸處于短路狀態(tài)，基本不起作用，各個(gè)環(huán)節(jié)的壓力僅相差閥阻損失，有方程表示即：</p><p><b>　　(3-35)</b></p><p><b>

95、;　　(3-36)</b></p><p><b>　　(3-37)</b></p><p>　　這一階段在壓縮機(jī)的整個(gè)運(yùn)行周期中，僅占了極小的一部分，因此影響較小。為方便起見，可以將這一階段視為多變指數(shù)為的壓縮過程，并忽略各個(gè)閥引起的壓力損失，其瞬態(tài)過程方程為：</p><p>　　= (3-38)</p>

96、<p>　　在壓縮機(jī)剛啟動(dòng)階段，氣缸、活塞等部件都是冷的，很容易吸入氣體在壓縮過程中散發(fā)的熱量，也就是說，氣體在壓縮過程中的散熱情況良好，壓縮過程的多變指數(shù)可取較小值，本文推薦取1.1.左右。</p><p>　　3.2.7 低壓缸排氣、高壓缸進(jìn)氣閥打開階段</p><p>　　隨著壓縮機(jī)的運(yùn)行，儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力不斷增加，不再出現(xiàn)低壓缸排氣閥、高壓缸進(jìn)氣閥和高壓缸排氣閥同時(shí)打開

97、的情況。但這一階段，高壓缸的壓比依然很低，低壓缸排氣時(shí)，仍然可能出現(xiàn)將高壓缸進(jìn)氣閥同時(shí)打開的情況，但是高壓缸排氣閥處于關(guān)閉的狀態(tài)。低壓缸。低壓缸排氣閥和高壓缸處于連通的狀態(tài)，這種出現(xiàn)的時(shí)間也是很短的，總體影響不大，因此也可以將這一階段簡(jiǎn)化也多變指數(shù)為的壓縮過程，這一階段，氣缸、活塞的溫度都已逐漸升高，氣體的壓縮過程中的散熱情況稍變差，本文推薦取1.2左右，其瞬態(tài)過程方程為：</p><p>　　= (3-

98、39)</p><p>　　3.3 高壓直聯(lián)機(jī)的輸入功率、輸出功率計(jì)算</p><p>　　本次論文選用永磁直流電機(jī)在驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，永磁電機(jī)的效率高、體積小、啟動(dòng)電流小、節(jié)能效果明顯等特點(diǎn)。</p><p><b>　?。?）電壓平衡方程</b></p><p>　　永磁直流電機(jī)電壓平衡方程為</p>&l

99、t;p><b>　?。?-40）</b></p><p>　　式中：U——電動(dòng)機(jī)端電壓（V）；</p><p>　　——電樞回路電阻（）；</p><p>　　——一對(duì)電刷接觸壓降（V），其值與電刷型號(hào)有關(guān)，一般取0.5-2V。</p><p><b>　?。?）轉(zhuǎn)矩平衡方程</b></

100、p><p>　　在穩(wěn)態(tài)情況下，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩平衡方程為</p><p><b>　?。?-41）</b></p><p>　　式中：——電樞繞組通以電流時(shí)在磁場(chǎng)中受力產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩（）；</p><p>　　——電動(dòng)機(jī)軸上的機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩（）；</p><p>　　——由于電動(dòng)機(jī)鐵心中渦流、磁滯損耗和機(jī)械損

101、耗而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩（），屬制動(dòng)性質(zhì)。</p><p><b>　?。?）功率平衡方程</b></p><p>　　電壓平衡方程（3-40）兩邊乘電樞電流得，</p><p>　　即可得到電機(jī)輸入功率方程</p><p><b>　?。?-42）</b></p><p><b

102、>　　其中電機(jī)的電磁功率</b></p><p>　　式中：——電機(jī)輸入功率（W）</p><p>　　——電機(jī)電磁功率（W）</p><p>　　——電樞繞組銅耗（W）</p><p>　　——電刷接觸電阻損耗（W）</p><p>　　——轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度 </p><p>

103、　　——電機(jī)輸出的機(jī)械功率（W）</p><p>　　——電機(jī)空載損耗（W）</p><p><b>　　——鐵心損耗（W）</b></p><p>　　——機(jī)械摩擦損耗，又稱風(fēng)摩損耗（W）</p><p>　　4高壓直聯(lián)機(jī)瞬態(tài)功率仿真計(jì)算及優(yōu)化</p><p>　　4.1高壓直聯(lián)機(jī)瞬態(tài)模型的建立

104、及仿真特性的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　4.1.1 高壓直聯(lián)機(jī)的瞬態(tài)仿真建立</p><p>　　為了說明高壓直聯(lián)機(jī)的仿真模型，具體舉開環(huán)控制下的高壓直聯(lián)機(jī)用永磁電機(jī)帶動(dòng)的控制系統(tǒng)仿真模型為例，如4-1為基于Matlab7.1的simulink環(huán)境下建立的高壓直聯(lián)機(jī)的仿真框圖。</p><p>　　圖4-1 高壓直聯(lián)機(jī)的仿真框圖</p><p>

105、;　　在Matlab7.1的simulink的環(huán)境下，利用SimPowerSystem中提供梯形波的永磁同步電機(jī)模型作為無刷直流電機(jī)（BLDC）的仿真，用IGBT通用電橋模塊模擬逆變器并由編有控制算法的S-function模塊中的函數(shù)PWM-control作為逆變器的控制脈沖信號(hào)，然后給電機(jī)模塊輸入編有阻力矩特性的S-function模塊中的函數(shù)Torqueno3來實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)對(duì)電機(jī)的作用，最后使用了具有示波器性能的scope模塊觀察電機(jī)

106、模塊的仿真出來的各項(xiàng)輸出數(shù)據(jù)。通過上面的對(duì)simulink的模塊的組合就搭建了開環(huán)控制下的壓縮機(jī)用永磁電機(jī)的控制系統(tǒng)仿真模型。</p><p>　　4.1.2 高壓直聯(lián)機(jī)的仿真模型的特性實(shí)現(xiàn)</p><p>　　在Matlab7.1的simulink中的電機(jī)模塊的輸入信號(hào)就是由電機(jī)軸輸入的力矩提供的。在本次論文中，我們選用的驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的電機(jī)為永磁直線電機(jī)，電機(jī)軸的輸入的力矩是壓縮機(jī)對(duì)電機(jī)的

107、切向力矩，因此在simulink仿真中，電機(jī)模塊中輸入是編有壓縮機(jī)阻力矩特性的函數(shù)torqueno3，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)對(duì)電機(jī)的阻力作用。圖4-3是單缸壓縮機(jī)的阻力矩計(jì)算程序torqueno3的流程圖。高壓直聯(lián)壓縮機(jī)的阻力矩曲線計(jì)算基本上和單缸壓縮機(jī)的阻力矩計(jì)算流程一樣，計(jì)算過程按照3.2所寫的壓縮機(jī)阻力矩計(jì)算中的具體步驟編寫，高壓直聯(lián)壓縮機(jī)的低壓缸和高壓缸的阻力矩最后需要進(jìn)行疊加得出壓縮機(jī)的總阻力矩。</p><p>

108、　　表4-1高壓直聯(lián)壓縮機(jī)參數(shù)</p><p>　　圖4-2單缸壓縮機(jī)的阻力距流程圖</p><p>　　高壓直聯(lián)壓縮機(jī)的具體參數(shù)見表4-1，在程序編寫過程中為方便后面改變氣缸參數(shù)的實(shí)驗(yàn)以及其它實(shí)驗(yàn)，參數(shù)的設(shè)定需要一目了然，并且與之后的程序具有相關(guān)性。</p><p><b>　　4.1.3整機(jī)效率</b></p><p&g

109、t;<b>　　電機(jī)效率的公式，</b></p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　為計(jì)算仿真框圖中電機(jī)仿真結(jié)果的電機(jī)效率，電機(jī)輸入功率和電機(jī)輸出的機(jī)械功率分別通過power11和power22（如圖）的函數(shù)來進(jìn)行計(jì)算。由表達(dá)式（4-3）知電機(jī)輸入功率可通過計(jì)算電動(dòng)機(jī)端電壓U和電樞電流的積在一個(gè)周期中的和來求得，因?yàn)殡姍C(jī)

110、端電壓是常數(shù)，僅對(duì)電樞電流在一個(gè)周期中進(jìn)行積分并乘端電壓即可求得電機(jī)輸入功率。電機(jī)輸出的機(jī)械功率則可通過計(jì)算電機(jī)軸上的機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度的積在一個(gè)周期內(nèi)的和求得，其中電機(jī)軸上的機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩就是4.2中toruqeno3函數(shù)計(jì)算出來的壓縮機(jī)阻力矩。電機(jī)效率的計(jì)算中，沒有考慮電機(jī)鐵心中的渦流損耗、磁滯損耗和機(jī)械損耗，只考率了電樞繞組銅損耗和電刷接觸電阻損耗。</p><p>　　（1）電機(jī)輸入功率power1

111、1函數(shù)的編寫</p><p>　　圖 中可以看出power1的輸入信號(hào)分別為電樞電流和壓縮機(jī)阻力矩。在電機(jī)啟動(dòng)穩(wěn)定之后，選取一段時(shí)間（小于一個(gè)周期）通過比較選出阻力矩曲線中的最小值并且記錄時(shí)間，再選取適當(dāng)?shù)囊欢螘r(shí)間（兩段時(shí)間的和要小于兩個(gè)周期大于一個(gè)周期）再選出阻力矩曲線的最小值并且記錄時(shí)間，兩個(gè)時(shí)間間隔即便是電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定之后的一個(gè)周期。計(jì)算出周期大小之后，從某一時(shí)刻開始選取十個(gè)周期，在其期間對(duì)電樞電流進(jìn)行積分，

112、同時(shí)記下積分的點(diǎn)數(shù)n（即積分次數(shù)），積分后輸出兩個(gè)積分值。通過電機(jī)輸入功率表達(dá)式（4-5）即可求的電機(jī)輸入功率。</p><p><b>　　（4-5）</b></p><p>　?。?）電機(jī)輸出功率power22函數(shù)的編寫</p><p>　　圖 中可以看出power22的輸入信號(hào)分別為壓縮機(jī)阻力矩和曲柄角速度。如上面power11中計(jì)算周期

113、的方法，求得電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定之后的周期大小。計(jì)算出周期大小之后，從某一時(shí)刻開始選取十個(gè)周期，在其期間對(duì)壓縮機(jī)阻力矩與電機(jī)角速度的積進(jìn)行積分，同時(shí)記下積分的點(diǎn)數(shù)n（即積分次數(shù)），積分后輸出兩個(gè)積分值。通過電機(jī)輸入功率表達(dá)式（4-6）即可求的電機(jī)輸入功率。</p><p><b>　　（4-6）</b></p><p>　　4.2 高壓直聯(lián)壓縮機(jī)瞬態(tài)功率仿真</p>

114、;<p>　　要進(jìn)行高壓直聯(lián)機(jī)的瞬態(tài)功率仿真，首先我們要明確直聯(lián)機(jī)的參數(shù)，高壓直聯(lián)機(jī)的初始參數(shù)如表4-2所示，表中，為低壓端活塞行程，為高壓端活塞行程，為低壓缸直徑，為高壓缸直徑，為低壓端連桿長(zhǎng)度，為高壓端連桿長(zhǎng)度，為級(jí)間銅管容積，為低壓端泄漏系數(shù)，為高壓端泄漏系數(shù)，為低壓端相對(duì)余隙容積，為高壓端相對(duì)余隙容積，為低壓缸壓縮比，為高壓端壓縮比。</p><p>　　表4-2 高壓直聯(lián)機(jī)的計(jì)算參數(shù)<

115、;/p><p>　　4.2.1高、低壓缸直徑對(duì)瞬態(tài)功率的影響</p><p>　　壓縮機(jī)的瞬態(tài)功率就是指壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)的瞬時(shí)的功率。高壓直聯(lián)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變，特別是高低壓缸直徑等主要參數(shù)的改變，將影響其性能，尤其是其功率將隨之改變。因此在計(jì)算過程中，為了分析高壓直聯(lián)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)功耗的影響，必須保證排氣量、儲(chǔ)罐容積、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間等條件的相同。圖4-3為高壓缸排氣量為3.0Mpa時(shí)三組不同的高、低壓

116、缸直徑的高壓直聯(lián)機(jī)的運(yùn)行時(shí)間與瞬態(tài)輸出功率的關(guān)系。選擇對(duì)動(dòng)型壓縮機(jī)，仿真時(shí)其他條件與表4-2一致。高壓缸之間在38.4~45mm之間改變，保證其他條件不變，由余隙容積不變的公式推導(dǎo)出低壓缸直徑是由高壓缸直徑?jīng)Q定的。從圖4-4中可以看出瞬態(tài)輸出功率在高壓缸直徑為38.4mm，低壓缸直徑在63.7mm時(shí)最小，也是從啟動(dòng)到運(yùn)行平穩(wěn)時(shí)瞬態(tài)輸出功率變化幅度最小的。圖4-4為對(duì)動(dòng)型高壓直聯(lián)機(jī)瞬態(tài)輸入功率與時(shí)間關(guān)系圖，從圖中可以得出瞬態(tài)輸入功率在高壓