随着科学的逐步进步与社会的发展，船舶行业发生了显著的变化，船舶行业中被运用了越来越多的新型技术和先进的设备。人口移动与商业贸易的发展促使了船舶向大型化、自动化、节能化发展。所以在船舶的制造与选择时，会选择自动化程度、能量转化率高的设备，还会选择节能型的设备以提高经济效益[1]。

空压机是现代化工业发展的重要产品，在造船行业中得到广泛应用。作为船舶生产的四大件之一，对其安全航行、高效运转等方面有着严格的指标[2]。首先，空压机在船舶行业中的主要的作用是：产生压缩空气，进而保证柴油机的正常启动及换向，并实现主、辅设备的自动控制。空压机在整个船舶航行中多处使用，其安全性关系到整个船体的正常运转，对不同船只下作业的空压机也提出更高的要求。曲轴作为空压机的关键部件，其性能对整机有着直接的影响着，在船舱下工作的空压机产生的振动和噪音会严重影响人们的身心健康，造成环境污染并构成严重的安全隐患。曲轴不仅承受外界的转矩与弯矩，同时还承受着活塞连杆组合运动的惯性力，以及压缩空气产生的阻力[3]。复杂的作用力在曲轴内产生交变弯曲应力和扭转应力，并在曲柄销轴颈与主轴颈等过渡圆角处出现应力集中的情况。因此，曲轴在无限次周期循环的运转过程中就可能出现失效和疲劳断裂等情况，进而引发一系列不可控后果。准确地计算出曲轴的固有频率及振型，对不同船只下作业的空压机曲轴性能进行研究，并对其进行改进设计具有重要的意义。

而建立模型显然成为这项工作中十分重要的一个部分。一位名为谢成雨^[4]的学者采用模态分析理论和有限元分析软件对空压机曲轴的振动特性进行研究。模态分析是曲轴动态设计的必要步骤，每一节模态都有特定的固有频率、振型以及阻尼比，它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数^[5]。基于有限元法进行模态分析，利用线性叠加原理将一个复杂的模态振型分解为许多个小模态方程并逐个叠加，然后进行模态分析，得出曲轴的自由振动频率，可有效避免曲轴旋转过程中发生共振。

而其中，模型分析也有两种一种是自由模态分析，它不受任何载荷和约束的作用；另一种是约束模态分析，在曲轴上不施加载荷但保留所有约束^[6]。由于空压机曲轴在实际运转过程中受到约束作用，在此对曲轴进行约束模态分析，研究曲轴的固有特性。利用 BLOCKLANCZOS 法对曲轴进行模态计算，得到空压机曲轴的固有模态和相应振型。在模态分析时，低级模态要比高阶模态对曲轴结构的作用大很多，通常情况下只需考虑低级模态对曲轴的作用；高阶模态不会引起较大的振动，分析时可以忽略^[7]。而在建模结束后即是对其数据的收集和对其动力学的计算分析。

在做完空压机曲轴连杆机构的动力学相关计算之后便是它的实际应用了。空气压缩机工作时总是在重复满载－卸荷的工作方式^[8]。由于结构原理等因素，空气压缩机存在一些技术缺陷，当输出压力大于一定值时，泄载阀门自动打开，使电动机发生空转，电能浪费严重。针对这个问题，大多数研究都会选择安装变频器，使用变频在空压机不改变转矩的条件下调转速，从而达到调节系统压力的目的，并能够按照需要输出压缩空气^[9]。童法松^[10]在论文中对某企业进行空压机的改造中加装了变频器，经过调试后节能效果显著。

而空压机的噪声也是空压机相关研究中的重中之重，在空压机工作状态下难免机体摩擦振动，产生噪声。而常年的工作会使噪声加剧，因此需对空压机的振动及噪声进行控制^[11]。邹祥依^[12]设计带隔声罩空压机组浮筏隔振系统来实现噪声与振动的控制。在王国治^[13]的研究中也采用了相同手段，采用隔振浮筏系统来抑制船舶的舱室噪声与水下辐射噪声。

总的来说国内研究已经颇有成就，但距国外仍有一定差距。Chen Liu^[14]对空压机的噪声进行了声学分析，并对故障进行预测。杂志中Filtration amp; Separation^[15] 对空气的过滤和分离进行了详细的研究。V. N. Kostyukov^[16]叙述俄罗斯在自动化监控中对各项参数设立标准。国外在本行业以领先许多，但我们的进步仍不可小觑。

空压机在各产业内已经不可缺少，尤其在船舶行业。所以空压机曲轴连杆机构是其中的重中之重，研究这项工作也十分重要。其建模与数据的收集整理还有计算势在必行。对于如此重要的空压机学习也是十分重要和必要的。

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究内容

本文主要通过了解空压机曲轴连杆机构的相关知识，学习solidworks等建模软件，建立空压机曲轴连杆机构的模型，并获取相关的数据，最后进行动力学的分析与计算，对其性能进行研究及其改进。