往复式空压机是把机械能转化为气体压力能的一种装置，其应用相当广泛。其主要零部件包括电动机、联轴器、活塞、连杆、活塞缸、底座体、曲轴配重、曲轴等。空压机的整个工作过程由吸气、压缩和排气三个行程组成。曲轴通过连杆与活塞杆相连，电动机带动曲轴作旋转运动，曲轴和连杆一起运动，带动活塞和十字头在气缸里面作往复运动，从而实现了对空气的压缩^[1]。

国外早在19世纪，压缩机均为固定式，不可移动性制约了它的应用场合和发展速度。1902年，美国英格索兰公司制造了第一台移动式压缩机，使得压缩机的应用场合和前景更加宽广。二十世纪五、六十年代，压缩机制造工艺及设计水平得到了极大的提升：在二十纪六十年代，瑞典阿特拉斯公司设计了开创性结构的DT4型短行程空气压缩机和ER8型低电耗空气压缩机，至今仍对往复式空压机设计有着深刻的影响^[2]。 H. Y Isaac Du. Zheng-Dong Ma利用柔体动力学分析主要通过考虑弹性体的变形以及各弹性体之间的高度耦合作用，更好地确定各活塞式压气机部件之间的载荷传递关系^{[3] [4]}。

国内近些年在空压机曲柄连杆活塞系统运动学分析方面：李超博、楼京俊、吴海平、石迎潮对比分析3种结构形式的星型往复式空压机惯性力和力矩的特点，得出该型空压机对惯性力有良好的自平衡能力，能在一定程度上减小惯性力矩。建立曲柄连杆机构虚拟样机，将推导的活塞受力构造 SPLINE 曲线加载到活塞质心，分别将曲轴和连杆柔性化，并将基于 IMPACT 函数的接触碰撞力模型嵌入到ADAMS虚拟样机中。得出该型空压机能够自平衡二阶惯性力，曲轴相对于连杆更趋近于柔性体，间隙运动副的存在会抑制某些频率点的振动，但会大大拓宽激振频带的结论^[5]。王颖、张维^[6]强通过对偏置曲柄滑块进行仿真和分析, 得到其运动曲线和动力学曲线。马瑞红，刘守信，刘海洋，潘文辉通过计算对称平衡压缩机的惯性力矩相对倾覆力矩的大小，来分析往复压缩机相对对称平衡型压缩机的稳定性优势^[7]。进行了压缩机传动系统的平衡分析、动力计算、机体模态仿真分析、模态测试、频率响应分析以及振动测试，并提出了降低压缩机振动响应的优化设计方案^[8]。缩小机械振动的影响方面，刘成武对大型空气压缩机的动力学、结构的声辐射以及结构动态等特性方面的问题进行了非常深入和系统的研究^[9]，仲崇明^[10]等对冰箱用的封闭式制冷压缩机的振动进行了有限元数值模拟及试验对比分析，验证了仿真分析的可能性，蒲海丰等人用Pro/Engineer建立 D-100/8-C 型空压机曲柄连杆机构的实体模型，利用机械系统动力学仿真分析软件ADAMS，对曲柄连杆机构进行动力学仿真；得出活塞的位移、速度、加速度以及各运动副处受力的曲线图；为进一步优化设计和技术改造提供参考^[11]。

20世纪80年代之后，机械系统日益向高速、高效、集约化和高精度方向发展，使得系统中某些零部件的弹性变形已成为实际结构在运行中不能忽略的环节。因此，多体动力学的研究重点也就由多刚体系统转至为多柔体系统，使多体系统动力学的研究进入了一个崭新的阶段^[12]-[14]。国内外现多采用多体动力学模型对曲轴系统进行了动力学分析，可以比较准确地分析曲柄连杆机构各部件的运动学与动力学特性，并为机体的振动与噪声分析研究提供可靠的边界条件^[15]-[19]。Dr L Suresh Kumar等人通过刚体分析和柔体分析来计算曲轴连杆系统中的动态应力^[20]-[22]。

根据以上国内外现状分析可知，国内外对空压机大都进行刚体分析或者柔体分析来确定各活塞式压气机部件之间的载荷传递关系，和各部件所受应力状态^[23][24]。为了更好的分析空压机曲轴连杆活塞系统各部件的受力状态，必须建立多刚体及刚柔耦合动力学仿真模型，对比研究刚性体模型和刚柔混合模型下，系统运动部件的运动规律，同时得到主要部件的受力状态。

此项研究有利于提高技术性能指标，有助于应用近代先进计算机技术进行低成本模拟和优化设计，促成最佳机型的系列化、通用化、机组化和自动化，完善辅助成套设备，扩大应用领域，提高综合技术经济指标。因此进行空压机曲轴-连杆-活塞系统动力学和运动学分析和研究具有一定的理论研究意义和实际工程应用价值。

2. 研究的基本内容与方案

1. 研究内容

本文主要完成往复式空压机运动学及动力学研究现状总结归纳、空压机工作原理分析、利用Solidworks建立曲轴-活塞-连杆系统几何模型、利用ADAMS、Hypermesh及ANSYS建立多刚体及刚柔耦合动力学仿真模型、根据仿真模型研究曲轴-连杆-活塞系统的运动规律及其主要部件的受力状态。

1. 研究目标

通过对空压机曲轴-连杆-活塞系统进行建模仿真，学习及深化相关理论知识和学会相关软件的使用；根据仿真结果，对系统运动部件的运动规律，主要部件的受力状态进行讨论，为空压机主要部件工作状态提供理论指导。