1.1目的及意义

空气压缩机（以下简称空压机）是用来提高气体压力和输送气体的机械。从能量的观点来看，空压机是属于将原动机的动力能转变为气体压力能的工作机^[1]。公元1640年在德国制成的（机械式）真空泵，是现代空气压缩机械的鼻祖.大约于1800年，第一台单级（往复活塞式）空气压缩机在英国制成。1904年瑞典阿特拉斯开发出第一台活塞式空压机。1957年，喷油螺杆式空压机面世，才进一步改进了之前螺杆式空压机缺点。同期，阿特拉斯、英格索兰、寿力相继向全球采购空压机配件，组装成为自主品牌的螺杆式空压机^[2,3,6]。螺杆式空压机的各种新技术不断出现，加工精度不断提高，而且辅助设备也日趋完善。因此其使用范围也不断扩展，目前在未来还可能取代活塞空压机，成为使用最广泛的一类空压机^[4]。它种类繁多，用途极广，被广泛应用于国民经济的各个生产部门，故有“通用机械”之称^[5]。由于使用方便、安全，并能降低操作人员的劳动强度，提高生产效率、经济效益，所以被广泛应用^[6]。随着当今国际市场竞争的日趋激烈，随着世界各国节能、环保意识的提高、对空压机的性能的要求越来越高^[3]。

机械在运转时，构件所产生的不平衡惯性力将在运动幅中引起附加的动压力。这不仅会增大运动幅中的摩擦和构件中的应力，降低机械效率和使用寿命，而且由于这些惯性力一般都是周期性的变化，所以必然会导致机械及其基础产生强迫振动^[7]。曲轴是活塞式压缩机的关键部件之一，在压缩机工作过程中承受复杂、交变的动态载荷，从而使曲轴有着复杂的动态特性，其动态的特性的好坏直接影响压缩机整机的可靠性和寿命等，因此对曲轴的动态特性进行理论和实际的研究分析具有重要的现实意义。传统的设计、分析方法的简化难以满足企业的需要，所以现在重新研究得到较精确的分析曲轴动力学成为可能^[8]。在诊断时注意以下两点：一是选用诊断手段不宜单一化，即坚持以振动诊断为主，又要参考温度变化、油液分析、性能参数测量等手段；二是对活塞式机械的结构特点、动力学特性及故障机理要有充分的认识^[1,10,11]。

曲轴连杆机构运动过程中的动态力有：活塞力、往复惯性力、离心惯性力、曲轴切向力、气体力、活塞对气缸套的侧向力以及由连杆力相对于曲轴中心构成的阻止曲轴旋转的力矩等^[9]。连杆的工作效率与其结构的动态特性密切相关，空压机运转时连杆的振动与变形不仅会影响空压机的运转稳定性，还会降低连杆、曲轴和气缸的耐用度及使用寿命。分析连杆的动态性能，减少和避免振动变形的发生保证其刚度及稳定性，是空压机产品的一项重要研究内容^[12]。曲轴往复质量和旋转质量引起的载荷作用对于曲轴的寿命有着至关重要的作用。但作为空压机结构设计的基础，曲轴连杆机构的动力学分析需主要分析曲轴连杆机构中载荷的分布情况，并从中找出产生空压机振动、曲轴旋转不均匀和不平衡惯性力的原因，从而确定改善空压机主要零件的强度、刚度、磨损、振动和轴承负荷等计算需要提供的数据^[13]。为了防止灾难性故障发生，对机械状况的监测和分类对于提供恶化的早期预警和确保及时维修是至关重要的，所以我们对空压机曲轴连杆机构振动性能进行研究分析。

1.2国内外研究现状

国际上压缩机企业主要集中在欧美地区。由于有雄厚的工业基础保障，欧美产品的总体设计水平、成套水平均由于我国，其制造工艺水平比我国更高一筹。国外压缩机产品机电一体化得到加强，采用计算机自动控制，自动显示各项运行数据、报警与保护，产品设计重视工业设计和环境保护，压缩机外形美观，更符合环保要求。国外往复式压缩机的发展方向为大容量、高压力、结构紧凑、能耗少、噪声低、效率高、可塑性好、排气净化能力强，不断开发变工况条件下运行的新型气阀，使气阀寿命大大提高。国际上的螺杆压缩技术，一方面不断研究开发出高性能的螺杆新齿型，以提高压缩机效率，另一方面在结构设计上也有了长足进步。在产品设计上，应用压缩机热力学、动力学计算软件和压缩机工作过程模拟软件等，提高计算准确度，通过综合模拟型预测压缩机在实际工况下的性能参数，以提高新产品开发的成功率。近几年国外压缩机普遍存在价格高、问题反应慢的现象，时而出现质量问题。随着我国工业整体水平的提高，技术的发展，可以预计在十年以后，我国压缩机技术水平的提高会走在世界前列^[3、20]。

国内在对单杠空压机的设计过程中，往往只是简单地计算一下曲轴连杆活塞机构的平衡，对空压机全转速范围内的振动情况的分析还不充分，在振动对发动机可靠性的影响方面，未见到深入的研究^[14]。马瑞红等^[15]对平衡式空压机进行了研究，得出该型空压机能够完全平衡惯性力，但惯性力矩无法完全平衡的结论 。 宋忠尚^［16］对PY40V2 型空压机平衡重的重量和尺寸进行了设计，并对其振动噪声性能进行了预测。刘成武^［17］对大型往复式压缩机的动力学特性进行了分析，重点分析了曲轴的强迫振动特性，并结合边界元和有限元的方法，建立了整机噪声预测模型。为使动力学模型更加准确，黄华军等^［18-21］对运动副进行了建模分析，考虑轴承弹性、阻尼、油膜、接触碰撞等因素，获得了相对精确的结果。振动问题不像我们大家想象的那么可怕，只要我们从设计初期就做好严谨、细致的铺垫工作，在产品做出来以后，通过试验进行恰当调整，产品便能够正常运行^[7]。