摘 要

众所周知，往复式空压机是近几十年应用极为广泛的工业用压缩机，涉及到煤矿工业、化学制药、生物技术、航空航天等多个领域。而往复式空压机由于工作效率高，机器适用性广等优点占据核心地位。模态分析是结构动力学系统分析的重要研究方法，对往复式空压机进行分析就是为了得知其固有频率和振型等特性参数，对其设计与实际结构振动特性的改进提供理论指导。因此，对空压机进行模态分析具有一定的理论意义和实际工程应用价值。

论文首先分析了往复式空压机的发展现状和工作原理。然后运用三维建模软件建立了空压机关键零部件和整机的三维实体模型，依托有限元分析软件对其进行模态分析，得到其固有频率和振型等特征参数，揭示了其结构振动固有特性，研究成果为实际工程提供了理论指导。

关键词：往复式空气压缩机；模态分析；频率；ANSYS；仿真分析；振型

Abstract

As we all know, reciprocating air compressor is a widely used industrial compressor in rece-nt decades, which is involved in many fields, such as coal mining industry, chemical pharmacy, b-iotechnology, aerospace and so on. The reciprocating air compressor occupies the core position because of its high working efficiency and wide machine applicability. Modal analysis is an imp-ortant research method of structural dynamic system analysis. the purpose of analyzing reciproca-ting air compressor is to know its natural frequency, vibration mode and other characteristic par-ameters, and to provide theoretical guidance for its design and improvement of actual structural v-ibration characteristics. Therefore, the modal analysis of air compressor has certain theoretical si-gnificance and practical engineering application value. Firstly, the paper analyzes the develop-ment status and working principle of reciprocating air compressor. Then the three-dimensional soli-d model of the key parts and the whole machine of the air compressor is established by using th-e three-dimensional modeling software, and the modal analysis is carried out by using the finite e-lement analysis software, the characteristic parameters such as natural frequency and vibration mode are obtained, and the natural characteristics of structural vibration are revealed. the researc-h results provide theoretical guidance for practical engineering.

Key words：Reciprocating air compressor；Modal analysis; frequency; ANSYS; simulation analysis; mode shape

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 3

1.1研究目的及意义 3

1.2国内外的研究现状分析 3

1.3研究的基本内容、目标 4

1.3.1研究内容 4

1.3.2研究目标 5

1.4本章小结 5

第2章 往复式空气压缩机发展应用 6

2.1往复式空压机当代应用 6

2.1.1充当动力 6

2.1.2 化工工艺 6

2.1.3 制冷和气体分离 6

2.1.4气体输送 6

2.2空压机研究与发展 7

2.2.1高压变频器 7

2.2.2无油润滑的新技术 7

2.2.3提高重启能力 7

2.3模态分析简述 7

2.4本章小结 8

第3章 往复式空压机原理分析 9

3.1往复式空压机的介绍 9

3.1.1往复式空气压缩机结构 9

3.1.2特点及应用 10

3.1.3往复式空压机工作原理分析 10

3.1.4空压机的循环 10

3.2本章小结 11

第4章 建立三维实体几何模型 12

4.1建立往复式空气压缩机关键及整机的三维实体几何模型 12

4.1.1SolidWorks概述 12

4.1.2重要零部件介绍和实体模型 12

4.1.3往复式空压机整体建模 14

4.2本章小结 14

第5章 有限元模型的建立 15

5.1有限元及模态分析理论基础 15

5.2有限元模型建立 15

5.2.1有限元模型建立方法 15

5.3本章小结 17

第6章 基于有限元的模态分析 18

6.1模态分析简介 18

6.1.1模态分析理论 18

6.1.2动态分析的基本方法 18

6.2模态分析 19

6.2.1空压机关键零件的模态分析 19

6.2.2空压机整体的模态分析 22

6.3本章小结 23

第7章 结论及展望 24

7.1 结论 24

7.2 展望 24

参考文献 25

致谢 27

第1章 绪论

本章先介绍该项研究目的意义和和内容以及研究发展现状，是对该项研究进行了一个系统性的整体阐述，有助于后面的深入研究。

1.1研究目的及意义

一个国家想要变得强大，就必须提升国家的综合实力，而工业化是一个国家变强不可或缺的因素。在当时的空气压缩设备中，中国可以选择的就只有往复式空气压缩机，此机器陪伴了中国工业现代化50年风风雨雨，足够称得上是工业现代化上的最基础设备。该设备可以将机械能转换成气体压力能，因此它可以在多数领域适用。其中活塞式和螺杆式空压机作为主要机型，广泛的应用在煤矿工业、制造业、化工业、制药业甚至航空航天当中。如此重要的地位也就使得它的安全性是人们不可忽视的存在，机器的安全运转，是行业长足发展的关键因素。

1.2国内外的研究现状分析

现代空压机的开端在17世纪的德国所研制出的真空泵。随后，而真正的称得上是往复式空压机的机器首先是被欧美人制造出来的，不得不说该项发明创造很大程度上影响了气动工具的应用，也间接地加速了工业化的进程。随后几十年间，人们不断研究探索更好的产品出来，就比如19世纪中后期德国人H.Krihar先生第一次提出了无内压缩的空压机理念，但由于当时技术的不发达，所以只有理念形只影单的存在，不能理论和实际进行结合。而到了20世纪中叶，有人在燃气轮机的研究上取得了重大进展，研发了一种作回转运动的压缩机，其工作效率远比当时红极一时活塞压缩机要高，这种运动方式使压缩机可以非常方便的通过燃气轮机直接驱动，并且不会发生当时人们头疼的喘振，这个人就是瑞典工程师Alf Lysholm。到了现代，越来越多的科学研究成果涌现，科学家们的研究方向大体上除了让空压机的工作效率变得更高效之外，就是在解决或减轻其运动过程中的损耗问题。K.K. Dhayanandh研究了注油参数对水井用柴油机螺杆空压机性能的影响。通过测量螺杆压缩机的油耗、排油温度和自由空气流量，对螺杆压缩机的性能进行了评价。找到了压缩机在钻空循环中的最佳性能^[1]。

Hongxia Yang找到了制约开关阻尼电机在空压机应用中的障碍是开关磁阻电机的振动和噪声过大。设计了一台55kw 12/8空气压缩机用开关磁阻电动机（SRM），利用有限元分析软件ANSOFTMAXWELL 2D对其进行了静态仿真分析，得到了电机的特性曲线。对SRM的噪声源进行了分析，对SRM的径向电磁力进行了数值计算，得出气隙是影响电机振动的主要结构参数。对气隙进行了参数化，为电机参数的优化提供了依据^[2]。