基于計算多剛體系統(tǒng)動力學(xué)的雙級滑閥真空泵振動平衡研究

　　雙級滑閥真空泵機(jī)構(gòu)運(yùn)動復(fù)雜，運(yùn)用計算多剛體系統(tǒng)動力學(xué)方法進(jìn)行分析計算，可以獲得復(fù)雜動力方程的精確解。本文利用計算多剛體系統(tǒng)動力學(xué)分析了滑閥泵的振動平衡，推導(dǎo)了有關(guān)計算公式，綜合了影響振動平衡的多項(xiàng)因子并建立了雙級滑閥泵(雙缸結(jié)構(gòu))的數(shù)學(xué)模型，計算了該泵平衡前后的支座反力和振動位移幅值。結(jié)果表明，計算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果完全吻合，誤差可以忽略。結(jié)果也說明計算多體系統(tǒng)動力學(xué)方法是可靠的計算方法，通過對雙級滑閥真空泵的運(yùn)動和動力分析可以得到各部件的動力學(xué)響應(yīng)，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(xiàn)象，由此進(jìn)行動平衡計算，從而達(dá)到降低振動的目的。

　　雙級滑閥真空泵動平衡結(jié)構(gòu)有兩種形式：兩缸結(jié)構(gòu)和三缸結(jié)構(gòu)。三缸結(jié)構(gòu)的滑閥真空泵的平衡則依靠自身結(jié)構(gòu)的力的相互抵消，事實(shí)上也并不能完全消除不平衡力，而且結(jié)構(gòu)固定導(dǎo)致很難再進(jìn)行優(yōu)化降低振動，而雙缸結(jié)構(gòu)的平衡一般由配置平衡輪以及在內(nèi)部配置配重塊加以解決。單級滑閥式真空泵運(yùn)動狀況已經(jīng)較為復(fù)雜，對于雙級滑閥真空泵的運(yùn)動平衡研究更需建立精確數(shù)學(xué)模型，通過模型定量研究滑閥泵各運(yùn)動部件的動力學(xué)響應(yīng)以及其對泵體的激振作用，達(dá)到減振降噪的目的。傳統(tǒng)的滑閥真空泵的振動受力分析采用的是理論力學(xué)相關(guān)理論，是以滑閥泵主要構(gòu)件的位置、速度和加速度的微分關(guān)系以及矢量合成原理為基礎(chǔ)進(jìn)行分析的。對于較簡單的系統(tǒng)，手工推導(dǎo)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(jié)構(gòu)或三缸結(jié)構(gòu)，以及將來有可能出現(xiàn)的多缸結(jié)構(gòu)，要對其愈加復(fù)雜的構(gòu)型推導(dǎo)動力學(xué)方程有相當(dāng)?shù)睦щy，并且容易出錯。

　　滑閥轉(zhuǎn)子變形忽略并考慮到滑閥泵運(yùn)動系統(tǒng)各部件的高速運(yùn)動與構(gòu)件本身振動的耦合，沖擊、油錘等現(xiàn)象的出現(xiàn)，因此利用計算多體系統(tǒng)動力學(xué)完成雙級滑閥泵的復(fù)雜機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行相關(guān)計算公式的推導(dǎo)以得到雙級滑閥真空泵的運(yùn)動學(xué)規(guī)律和動力學(xué)響應(yīng)，據(jù)此進(jìn)行動平衡的計算分析以降低振動。

1、滑閥泵多剛體系統(tǒng)運(yùn)動分析

　　計算多剛體系統(tǒng)動力學(xué)中的運(yùn)動學(xué)分析是以系統(tǒng)中連接物體與物體的運(yùn)動副為出發(fā)點(diǎn)，基于與運(yùn)動副對應(yīng)的約束方程進(jìn)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(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)由2個剛性構(gòu)件組成，剛體B1為偏心輪，剛體B2為滑閥。單級滑閥泵系統(tǒng)廣義坐標(biāo)個數(shù)為n=3×2=6。

圖1 滑閥泵簡化機(jī)構(gòu)運(yùn)動圖

　　從以上數(shù)據(jù)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(nèi)，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(jié)果。同時，將研制的2H-150滑閥泵進(jìn)行了振動實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)和理論計算的振動數(shù)據(jù)比較結(jié)果。

表1 振動數(shù)據(jù)比較表

5、結(jié)論

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

　　(2)在對滑閥泵進(jìn)行動態(tài)響應(yīng)分析時，滑閥導(dǎo)軌慣性力、泵體垂直方向零部件的質(zhì)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(jié)果表明振動力和振動位移幅值大大降低，實(shí)驗(yàn)結(jié)果則是滑閥泵實(shí)驗(yàn)樣機(jī)在不加地腳螺栓固定的情況下也不會有爬行和爬動現(xiàn)象，振動明顯減小，滑閥泵運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。

　　(4)利用計算多體系統(tǒng)動力學(xué)建立的雙級滑閥泵的復(fù)雜機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，計算結(jié)果準(zhǔn)確可靠，與實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)吻合，誤差在很小的范圍內(nèi)。該方法經(jīng)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(shí)驗(yàn)步驟，節(jié)約人力物力。

　　綜上所述，計算多體系統(tǒng)動力學(xué)是一種非常有效的計算方法，利用計算多體系統(tǒng)動力學(xué)對雙級滑閥真空泵的振動平衡進(jìn)行完整的、系統(tǒng)的動力學(xué)分析，可以得到準(zhǔn)確的動力學(xué)響應(yīng)，從而達(dá)到減振的目的。同時，計算多體系統(tǒng)動力學(xué)也可以用于其它機(jī)械真空泵的動力分析中，對提高真空泵性能、優(yōu)化結(jié)構(gòu)將會起到重要的指導(dǎo)作用。