刀桿式手動壓機設(shè)計,刀桿式,手動,設(shè)計
畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書
I、畢業(yè)設(shè)計(論文)題目：
刀桿手動壓力機設(shè)計
II、畢 業(yè)設(shè)計(論文)使用的原始資料(數(shù)據(jù))及設(shè)計技術(shù)要求：
已知條件：
工作壓力：1000kg 底座尺寸：150mm X 268mm
壓機高度：286mm 最大工作行程：121.5mm
要求：
1.繪制總裝圖及零件圖
2.運動分析
3.總體強度受力分析計算
4.成本核算
5.齒條工藝規(guī)程設(shè)計
III、畢 業(yè)設(shè)計(論文)工作內(nèi)容及完成時間：
1、開題報告 2周
2、總體設(shè)計 2周
3、常規(guī)設(shè)計 7周
4、成本核算 1周
5、齒條工藝規(guī)程設(shè)計 2周
6、編寫畢業(yè)設(shè)計說明書 2周
7、外文資料翻譯 1周
Ⅳ 、主 要參考資料：
1.xiao Dong, ZHENG WANG Xing-song Solid Motion Analysis and Impact Force Measurement of Servo Press
2.濮良貴，紀名剛主編.機械設(shè)計.第七版.北京：高等教育出版社，2001
3.吳宗澤主編.機械設(shè)計教程. 北京：機械工業(yè)出版社，2003
4.唐照民，李質(zhì)芳.機械設(shè)計.西安：西安交通大學出版社，1995
5.徐錦康主編.機械設(shè)計. 北京：機械工業(yè)出版社，2001
6.邱宣懷主編.機械設(shè)計.第四版.北京：高等教育出版社，1997
7.金萍.先進機械制造技術(shù)勢[J].內(nèi)蒙古林學院學報,1996,12(3):15～16
8.嚴龍祥.車床夾具設(shè)計[M].江蘇人民出版社.1978.7
9.劉震.先進制造工藝技術(shù)的發(fā)展趨勢[J].呼侖貝爾學院學報,2002.5(3):3
10.閆志中.劉先梅.夾具設(shè)計方法及發(fā)展趨洪 . 機械加工工藝手冊[M] . 北京出版
社，1994
11.王硯軍.楊麗穎.機械環(huán)保綠色制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展模式——綠色制造[J].山東輕工業(yè)學院學報, 2004,03(43):36～37.
畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告
題目 刀桿式手動壓機設(shè)計
一、選題的依據(jù)及意義：
機械行業(yè)是典型的制造業(yè)，主要為國民經(jīng)濟發(fā)展提供所需的各種機械裝備或設(shè)備。根據(jù)國家統(tǒng)計局口徑，其包括六個一級子行業(yè)：金屬制品業(yè)、通用設(shè)備制造業(yè)、專用設(shè)備制造業(yè)、儀器儀表業(yè)、交運設(shè)備制造業(yè)和電氣機械制造業(yè)，典型的機械產(chǎn)品如汽車、船舶、發(fā)電機組、機床、工程機械、礦山機械、集裝箱等。
我國機械行業(yè)門類齊全，規(guī)模大，2008年整體銷售收入接近9萬億元，僅次于日本居世界第二位，占到全球機械銷售額的15%左右;出口額達到2,425億美元，躍居世界第四;工業(yè)增加值超過2萬億元，約占當年我國GDP的8%;機械行業(yè)是對全國工業(yè)發(fā)展貢獻最大的行業(yè)，經(jīng)濟總量占整個裝備制造業(yè)2/3以上。因此機械行業(yè)是裝備制造業(yè)的最重要組成部分，堪稱中國工業(yè)的“脊梁”。
總體而言，我們的投資思路是先根據(jù)下游需求的景氣度、產(chǎn)品的發(fā)展空間和市場的進入壁壘確定適合投資的子行業(yè)，再選擇行業(yè)內(nèi)激勵機制、研發(fā)實力、盈利水平和銷售策略等方面表現(xiàn)出色的上市公司作為投資標的，以期獲得超額收益。
隨著生活和工廠對壓力機的需要，刀桿式手動壓力機已成為日常生活中不可缺少的設(shè)備，它的需求量也隨之增大。因此，機械行業(yè)的日益發(fā)展為大批量生產(chǎn)壓力機提供了技術(shù)保證。作為一名在校大學生，我能有這一機會接觸如何設(shè)計和制造裝備，理應(yīng)珍惜，并為此達到以下要求：
1）能較好的培養(yǎng)自己理論聯(lián)系實際的設(shè)計思想，訓練自己綜合運用機械和其他先修課程的基礎(chǔ)理論并結(jié)合生產(chǎn)實際進行分析和解決工程實際問題的能力，鞏固、深化和擴展自己有關(guān)機械設(shè)計方面的知識。
2）通過對機械設(shè)計過程的理解，樹立正確的設(shè)計思想，培養(yǎng)獨立、全面、科學的工程設(shè)計的能力。
3）在畢業(yè)設(shè)計的實踐中對自己進行設(shè)計基本技能的訓練，培養(yǎng)自己查閱和使用標準、規(guī)范、手冊、圖冊及相關(guān)技術(shù)資料的能力以及計算、繪圖、數(shù)據(jù)處理、計算機輔助設(shè)計等方面的能力。
4）培養(yǎng)自己對一門機械設(shè)計軟件的自學能力，并熟練掌握它。
二、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢（含文獻綜述）：
1、機械行業(yè)的國內(nèi)外研究概況
我國機械行業(yè)門類齊全，規(guī)模大，2008年整體銷售收入接近9萬億元，僅次于日本居世界第二位，占到全球機械銷售額的15%左右;出口額達到2,425億美元，躍居世界第四;工業(yè)增加值超過2萬億元，約占當年我國GDP的8%;機械行業(yè)是對全國工業(yè)發(fā)展貢獻最大的行業(yè)，經(jīng)濟總量占整個裝備制造業(yè)2/3以上。因此機械行業(yè)是裝備制造業(yè)的最重要組成部分，堪稱中國工業(yè)的“脊梁”。
經(jīng)濟的重化工化和人口的城鎮(zhèn)化是驅(qū)動我國機械行業(yè)發(fā)展的內(nèi)在因素：2008年我國工業(yè)增加值中重工業(yè)占比超過60%，城鎮(zhèn)化率達到46%，已連續(xù)多年保持上升趨勢。在此過程中，我國工業(yè)結(jié)構(gòu)將由加工組裝工業(yè)向技術(shù)密集型工業(yè)轉(zhuǎn)變，從而拉動對機械產(chǎn)品的大量需求。
全球產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移是驅(qū)動我國機械行業(yè)發(fā)展的外在因素：由于中國的機械行業(yè)擁有發(fā)展中國家中最完善的設(shè)計和制造產(chǎn)業(yè)鏈，具有綜合的人力和原材料成本比較優(yōu)勢，因此近年來海外的機械制造紛紛向國內(nèi)轉(zhuǎn)移，體現(xiàn)在機械產(chǎn)品的進出口額快速增加，外貿(mào)順差不斷擴大。
2、鑄造業(yè)的發(fā)展趨勢
2005年全國鑄件總量達到1800萬噸左右,球墨鑄件在總產(chǎn)量中的比重提高到20%-25%,即320萬400萬噸;隨著轎車產(chǎn)量的增加,有色鑄造件產(chǎn)量接近200萬噸;今后國際市場需求也將保持高速增長態(tài)勢,全球?qū)χ袊T件的年需求量約為4000萬噸左右,其中球墨鑄鐵和有色合金鑄件需求量增長迅速,鑄造模具產(chǎn)值將超過百億元人民幣。
一、國內(nèi)外鑄造模具企業(yè)比較
全國鑄造模具生產(chǎn)企業(yè),大體可以分成以下幾類:第一類為鑄造模具專業(yè)廠(包括合資和獨資企業(yè)),這些企業(yè)設(shè)備先進,技術(shù)優(yōu)良,是鑄造模具行業(yè)的主力;第二類是鑄造專業(yè)廠的模具車間;第三類是近年來發(fā)展迅速的私營和民營模具廠,這類企業(yè)規(guī)模不大,數(shù)量眾多,各有分工,協(xié)同作戰(zhàn),分布在江浙、廣東一帶,其中有些廠已經(jīng)具備了一定的實力;第四類是兼做鑄造模具的其他一些模具廠。總之,
鑄造模具生產(chǎn)企業(yè)呈多元化,并向高水平發(fā)展,這也是中國經(jīng)濟發(fā)展帶來的必然趨勢。國外發(fā)達國家的模具廠大體分為獨立的模具廠和隸屬于一些大的集團公司的模具廠,一般規(guī)模都不大,但專業(yè)化程度高,技術(shù)水平高,生產(chǎn)效率極高。國外模具企業(yè)一般不超過100人,多數(shù)在50人以下。在
人員結(jié)構(gòu)上,設(shè)計、質(zhì)量控制、營銷人員超過30%,管理人員在5%以下。年人均產(chǎn)值超過100萬元人民幣,最高能達到200多萬元人民幣。國內(nèi)模具企業(yè)中一些私營、合資企業(yè)人員結(jié)構(gòu)和國外差不多,但一些國企的人員結(jié)構(gòu)還不盡合理,在年人均產(chǎn)值上差距還很大,多數(shù)在10—20萬元人民幣,少數(shù)能達到40萬元人民幣。國外模具企業(yè)對人員素質(zhì)要求較高,技術(shù)人員一專多能,一般能獨立完成從工藝到工裝的設(shè)計;操作人員具備多種操作技能;營銷人員對模具的了解和掌握很深。國內(nèi)模具企業(yè)分工較細,缺乏綜合素質(zhì)較高的人員。國外模具企業(yè)CAD/CAM/CAE技術(shù)的應(yīng)用比較廣泛,逆向工程、快速原型制造鑄造模具使用也比較多。國內(nèi)模具企業(yè)中一些骨干廠家在這方面和國外差距已經(jīng)不大,有些已經(jīng)達到國外水平,但一些中小型模具企業(yè)與國外的差距還是很大。不過在模具材料方面,隨著國外技術(shù)的引進和中國自身研發(fā)能力的提高,差距在逐漸縮小。在模具的價格和制造周期上,國外模具價格一般是國內(nèi)模具的5～10倍,制造周期是2～3倍(一般把模具的調(diào)試時間也算在制造周期之內(nèi)),在這兩方面應(yīng)該說國內(nèi)模具企業(yè)還是具有一定競爭優(yōu)勢的。
二、鑄造模具的設(shè)計與制造技術(shù)
中國雖然是鑄造大國,但遠非鑄造強國,中國鑄造工藝水平、鑄件質(zhì)量、技術(shù)經(jīng)濟指標等較之先進國家還有很大差距。鑄造工藝方法以砂型鑄造為主,其中手工、半機械化造型仍占很大比例,但近年來中國壓鑄工業(yè)發(fā)展迅速,每年保持7%～10%的增長速度。中國的汽車工業(yè)也正在成長過程中,為了減輕汽車重量,轎車的鋁、鎂輕金屬用量將進一步增長,這就對壓鑄件提出了更高的質(zhì)量要求。中國鑄造工藝裝備同先進國家相比還有一定差距。20世紀90年代以前,鑄造模具的設(shè)計使用計算機的很少,制造也主要以普通萬能設(shè)備為主。進入90年代,巨大的市場需求,特別是汽車、摩托車業(yè)的快速發(fā)展,極大地推進了中國鑄造模具業(yè)的發(fā)展。同時隨著合資和獨資企業(yè)的介入,國外先進的模具設(shè)備和制造技術(shù)的引進,促使國產(chǎn)鑄造模具設(shè)計和制造技術(shù)水平逐步提高,一些企業(yè)經(jīng)具備設(shè)計和制造大型精密模具的能力,如一汽鑄造有限公司鑄造模具廠設(shè)計制造的一套3400t壓鑄機用的壓鑄模具,總重達33.5t,是目前國產(chǎn)壓鑄模中最大的模具。20世紀90年代以來,鑄造模具業(yè)在設(shè)計和制造方面的主要變化有:
(1)模具企業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)水平提高,高新技術(shù)在模具的設(shè)計和制造中的應(yīng)用,已成為快速制造優(yōu)質(zhì)模具的有力保證。CAD/CAM/CAE的應(yīng)用,顯示了用信息技術(shù)帶動和提升模具工業(yè)的優(yōu)性,CAD/CAM/CAE已成為模具企業(yè)普遍應(yīng)用的技術(shù)。CAD/CAM一體化技術(shù)已在鑄造模具業(yè)中廣泛使用,目前二維設(shè)計使用的軟件主要是AutoCAD,三維設(shè)計使用的軟件比較多,主要有Pro/E、UG、Cima-tron等。目前一汽鑄造模具廠的3D設(shè)計已達到95%以上,在三維設(shè)計后使用三維虛擬裝配檢測技術(shù)對裝配干涉進行檢查,保證了模具設(shè)計質(zhì)量,確保了設(shè)計和工藝的合理性。三維數(shù)據(jù)經(jīng)過CAM軟件編輯,NC代碼直接傳輸?shù)綌?shù)控設(shè)備上進行模具加工。數(shù)控機床的普遍應(yīng)用,保證了模具零件的加工精度和質(zhì)量,大大提高了模具的準確率和生產(chǎn)效率。CAE技術(shù)也在逐步運用到實際設(shè)計、生產(chǎn)中,運用CAE技術(shù)模擬金屬的充填過程、分析冷卻過程、預(yù)測成形過程中可能發(fā)生的缺陷以及產(chǎn)品開發(fā)前期的凝固模擬,大
大優(yōu)化了工藝設(shè)計,縮短了試驗時間。一汽鑄造有限公司鑄造模具廠在一些大型復(fù)雜模具,如發(fā)動機缸體、缸蓋、變速箱殼體模具的設(shè)計中已經(jīng)開始應(yīng)用CAE技術(shù)對流場、溫度場進行模擬分析,工藝成品率得到極大提高。
(2)銑削加工是型腔模具加工的重要手段。高速加工(High Speed Machining,簡稱HSM)是以高切削速度、高進給速度和高加工質(zhì)量為主要特徵的加工技術(shù),具有工件溫升低、切削力小、加工平穩(wěn)、加工質(zhì)量好、加工效率高(為普通銑削加工的5～10倍)及可加工硬材料(可達60HRC)等諸多優(yōu)點,因而在模具加工中日益受到重視。高速加工技術(shù)引入模具工業(yè),提高了模具精度,大大縮短了模具制造時間。研究表明,對于一般復(fù)雜程度的模具,HSM加工時間可減少30%以上。目前,模具企業(yè)為了縮短制模周期、提高市場競爭力,采用高速切削加工技術(shù)越來越多。HSM一般主要用于大、中型模具加工,如汽車覆蓋件模具、壓鑄模、大型塑料模具等曲面加工,其曲面加工精度可達0.01mm。在生產(chǎn)中采用數(shù)控高速銑削技術(shù),可大大縮短制模時間。經(jīng)高速銑削精加工后的模具型面,僅需略加拋光便可使用,節(jié)省了大量修磨、拋光時間。增加數(shù)控高速銑床,是模具企業(yè)設(shè)備投資的重點之一。
(3)電火花加工在鑄造模具制造中是不可缺少的工藝方法。電火花加工對于淬火后的深、小型腔的加工仍是有效的方案。日本沙迪克公司的直線電動機伺服驅(qū)動的數(shù)控電火花成型機床具有驅(qū)動反應(yīng)快、傳動及定位精度高、熱變形小等優(yōu)點。瑞士夏米爾公司的電火花成型機
具有的P-E3自適應(yīng)控制系統(tǒng)、PCE能量控制系統(tǒng)及自動編程專家系統(tǒng),在鑄造模具制造中有其不可替代的作用。
(4)精密、復(fù)雜、大型模具的發(fā)展,對檢測設(shè)備的要求越來越高?，F(xiàn)在精密模具的精度已達2～3μm,鑄造模具的精度要求也達到10～20μm。目前國內(nèi)廠家使用較多的檢測設(shè)備有意大利、美國、德國等具有數(shù)字化掃描功能的三坐標測量機。如一汽鑄造有限公司鑄造模具設(shè)備廠擁有德國生產(chǎn)的1600mm×1200mm坐標測量機,具有數(shù)字化掃描功能,可以實現(xiàn)從測量實物到建立數(shù)學模型,輸出
NC代碼,最終實現(xiàn)模具制造的全過程,成功地實現(xiàn)逆向工程技術(shù)在模具制造中的開發(fā)和應(yīng)用。這方面的設(shè)備還包括:英國雷尼紹公司的高速掃描儀(CYCLONSERIES2),該掃描儀可實現(xiàn)激光測頭和接觸式測頭優(yōu)勢互補,激光掃描精度為0.05mm,接觸式測頭掃描精度達0.02mm。利用逆向工程制作模具,具有制作周期短、精度高、一致性好及價格低等許
多優(yōu)點。
(5)快速原型制造鑄造模具已進入實用階段,LOM、SLS等方法應(yīng)用的可靠性和技術(shù)指標已經(jīng)達到國外同類產(chǎn)品水平。
(6)模具毛坯快速制造技術(shù)。主要有干砂實型鑄造、負壓實型鑄造、樹脂砂實型鑄造等技術(shù)。
(7)用戶要求模具交付期越來越短、模具價格越來越低。為了保證按期交貨,有效地管理和控制成本已成為模具企業(yè)生存和發(fā)展的主要因素。采用先進的管理信息系統(tǒng),實現(xiàn)集成化管理,對于模具企業(yè),特別是規(guī)模較大的模具企業(yè),已是一項極待解決的任務(wù)。如一汽鑄造模具廠基本上實現(xiàn)了計算機網(wǎng)絡(luò)管理,從生產(chǎn)計劃、工藝制定,到質(zhì)檢、庫存、統(tǒng)計、核算等,普遍使了計算機管理系統(tǒng),廠內(nèi)各部門可通過計算機網(wǎng)絡(luò)共享信息。利用信息技術(shù)等高新技術(shù)改造模具企業(yè)的傳統(tǒng)生產(chǎn)已成為必然。
三、鑄造模具用材料鑄造模具用材料可分別選用木材、可加工塑料、鋁合金、鑄鐵、鋼材等。
木模目前仍廣泛應(yīng)用于手工造型或單件小批量生產(chǎn)中,但隨著環(huán)境保護要求和木材加工性能差的限制,取而代之的將是實型鑄造。實型鑄造以泡沫塑料板材為材料,裁減粘貼成模樣,然后澆注而成鑄件,該方法較之用木模,周期短、費用低。塑料模的應(yīng)用呈上升趨勢,尤其是可加工塑料的應(yīng)用日益廣泛。
鋁合金模由于重量輕尺寸精度較高,因此應(yīng)用較廣泛。但近來應(yīng)用有減少趨勢,部分已被塑料模和鑄鐵模所取代。
三、研究內(nèi)容及實驗方案：
1、研究內(nèi)容：刀桿式手動壓力機運動分析、總體強度受力分析設(shè)計、計算成本核算、復(fù)雜零件工藝規(guī)程設(shè)計。
所有框架結(jié)構(gòu)鑄造成型,并法蘭樣式設(shè)計,增加壓機強度使其堅固可靠. 手動壓機的底座是經(jīng)過機加工穩(wěn)定性好并鉆孔適于臺式或基座安裝.采用硬質(zhì)鋼, 獨特方形設(shè)計和精確齒條加工,使用大軸承以增加接觸面確保使用壽命.
2、實驗方案：
本課題研究的是一個刀桿式手動壓力機，關(guān)鍵是壓力機的設(shè)計。利用CAD強大的模具設(shè)計功能可方便快捷地進行此項設(shè)計。先要在模具設(shè)計模塊中構(gòu)造出手機外殼模型，然后生成對應(yīng)的型腔，通過鑄造成型加工出成品，然后經(jīng)過法蘭式設(shè)計，增加壓機強度使其堅固可靠。
在設(shè)計前的準備工作也是及其重要和必不可少的。
1）、收集、分析、消化原始資料
收集整理有關(guān)刀桿式手動壓力機設(shè)計、成型工藝、成型設(shè)備、機械加工和特殊資料，以備設(shè)計模具是使用。
2）、消化制件圖，分析制件的工藝性，尺寸精度等技術(shù)要求。
例如塑料制件在外表形狀、顏色透明度、使用性能方面的要求是什么，塑件的幾何結(jié)構(gòu)、斜度、嵌件等情況，熔接焊、縮孔等成型缺陷的允許程度，有無涂狀、電鍍、膠接、鉆孔等后加工。選擇塑件的尺寸精度最高的尺寸進行分析，看看估計成型公差是否低于塑料制件的公差，能否成型出合乎要求的塑料制件來。此外，還要了解塑料的塑化及工藝參數(shù)。
3）、選擇成型材料。
成型材料應(yīng)當滿足塑料制件的強度要求，具有好的流動性、均勻性和各向同性，熱穩(wěn)定性。成型材料應(yīng)當滿足染色、鍍金屬的條件、裝飾性能、必要的彈性和塑性、透明性或者相反的反射性能、膠接性或者焊接性等要求。
4）、選擇成型設(shè)備。
必須熟知各種成型設(shè)備的性能、規(guī)格、特點。對于注射機來說應(yīng)當了解它的各種參數(shù)。要初步估計模具外形尺寸，判斷模具能否在所選擇的注射機上使用。
5）、確定鑄件類型的主要結(jié)構(gòu)。
A）型腔布置。 B）確定分型面。C）、確定澆注系統(tǒng)。D）、選擇頂出方式。E）、決定冷卻、加熱方式及加熱冷卻溝槽的形狀、位置、加熱元件的安裝部位。F）、根據(jù)模具材料、強度計算或者經(jīng)驗數(shù)據(jù)，確定模具零件厚度及外行尺寸，外形結(jié)構(gòu)及所有連接、定位、導(dǎo)向件位置。G）、確定主要成型零件、結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式。H）考慮模具各部分的強度,計算成型零件工作尺寸.
四、目標、主要特色及工作進度
1、目標
這次畢業(yè)設(shè)計，可以系統(tǒng)的把大學里的專業(yè)知識復(fù)習應(yīng)用到實際設(shè)計和生產(chǎn)中去，提高自己的動手能力和創(chuàng)新能力，掌握造型軟件，鍛煉自己的自主能力和查閱資料的能力，以此提高自己的綜合素質(zhì)來適應(yīng)社會發(fā)展的需求。
2、主要特色
本次零件的設(shè)計采用MASTER CAM軟件來完成模具型面進行CAD造型，快速而精確。
3、工作進度
1、開題報告 2周
2、總體方案設(shè)計 2周
3、常規(guī)設(shè)計 7周
4、成本核算 1周
5、工藝規(guī)程設(shè)計 2周
6、編寫畢業(yè)設(shè)計說明書 2周
7、外文資料翻譯 1周
五、參考文獻
1.xiao Dong, ZHENG WANG Xing-song Solid Motion Analysis and Impact Force Measurement of Servo Press
2.濮良貴，紀名剛主編.機械設(shè)計.第七版.北京：高等教育出版社，2001
3.吳宗澤主編.機械設(shè)計教程. 北京：機械工業(yè)出版社，2003
4.唐照民，李質(zhì)芳.機械設(shè)計.西安：西安交通大學出版社，1995
5.徐錦康主編.機械設(shè)計. 北京：機械工業(yè)出版社，2001
6.邱宣懷主編.機械設(shè)計.第四版.北京：高等教育出版社，1997
7.金萍.先進機械制造技術(shù)勢[J].內(nèi)蒙古林學院學報,1996,12(3):15～16
8.嚴龍祥.車床夾具設(shè)計[M].江蘇人民出版社.1978.7
9.劉震.先進制造工藝技術(shù)的發(fā)展趨勢[J].呼侖貝爾學院學報,2002.5(3):3
10.閆志中.劉先梅.夾具設(shè)計方法及發(fā)展趨洪 . 機械加工工藝手冊[M] . 北京出版
社，1994
11.王硯軍.楊麗穎.機械環(huán)保綠色制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展模式——綠色制造[J].山東輕工業(yè)學院學報, 2004,03(43):36～37.
畢業(yè)設(shè)計（論文）外文翻譯
題目 模擬氣體運動的快速壓縮機
Journal of Engineering Mathematics 44: 57–82, 2002. ? 2002 Kluwer Academic Publishers. Printed in the Netherlands. Modelling gas motion in a rapid-compression machine M.G. MEERE 1 , B. GLEESON 1 and J.M. SIMMIE 2 Department of Mathematical Physics, NUI, Galway, Ireland 2 Department of Chemistry, NUI, Galway, Ireland Received 25 July 2001; accepted in revised form 8 May 2002 Abstract. In this paper, a model which describes the behaviour of the pressure, density and temperature of a gas mixture in a rapid compression machine is developed and analyzed. The model consists of a coupled system of nonlinear partial differential equations, and both formal asymptotic and numerical solutions are presented. Using asymptotic techniques, a simple discrete algorithm which tracks the time evolution of the pressure, temperature and density of the gas in the chamber core is derived. The results which this algorithm predict are in good agreement with experimental data. Key words: gasdynamics, rapid-compression machines, shock-waves, singular perturbation theory 1. Introduction 1.1. RAPID-COMPRESSION MACHINES A rapid-compression machine is a device used to study the auto-ignition of gas mixtures at high pressures and temperatures, with particular reference to auto-ignition in internal combus- tion engines; see [1–3]. A typical combustion engine is a very dirty and complex environment, and this has prompted the development of rapid-compression machines which enable the scientific study of compression and ignition in engines in a cleaner and simpler setting. In Figure 1 we schematically illustrate a two-piston rapid-compression machine, such as the one in the department of Chemistry at NUI, Galway. However, single-piston machines, with a piston at one end and a stationary solid wall at the other, are more typical. The analysis developed in this paper is appropriate to both single- and two-piston machines. The operation of a rapid-compression machine is very simple - the pistons are simul- taneously driven in pneumatically, compressing the enclosed gas mixture, thereby causing the gas pressure, temperature and density to rise quickly. In Figures 1(a), 1(b) and 1(c) we schematically represent a rapid-compression machine prior to, during, and after compression, respectively. The ratio of the final volume to the initial volume of the compression chamber for the machine at NUI, Galway is about 1:12, this value being typical of other machines. At the end of the compression, the gas mixture will typically have been pushed into a pressure and temperature regime where auto-ignition can occur. In Figure 2, we display an experimental pressure profile for a H 2 /O 2 /N 2 /Ar mixture which has been taken from Brett et al. [4], with the kind permission of the authors. In this graph, the time t = 0 corresponds to the end of the compression time. We note that, for the greater part of the compression, the pressure in the chamber is rising quite gently, but that towards the end of the compression (that is, just before t = 0), there is a steep rise in the pressure. After compression, the pressure profile levels off as expected; the extremely steep rise at the end of 58 M.G. Meere et al. Figure 1. Schematic illustrating the operation of a rapid-compression machine; we have shown the configuration (a) prior to compression, (b) during compression and (c) after compression. Figure 2. An experimental pressure profile for a gas mixture H 2 /O 2 /N 2 /Ar = 2/1/2/3, as measured in the rapid-compression machine at NUI, Galway. It is taken from [4], and has an initial pressure of 0·05 MPa and an initial temperature of 344 K. Modelling gas motion in a rapid-compression machine 59 the profile corresponds to the ignition of the mixture. We note that the compression time and the time delay to ignition after compression are both O(10) ms. The pressure history is the only quantity which is measured in experiments. However, the temperature in the core after compression is the quantity which is of primary interest to chemists since reaction rates depend mainly on temperature for almost all systems, although there may also be some weaker pressure dependence. Measuring temperature accurately in the core can be problematic because of the presence of a thermal boundary layer; see the comments below on roll-up vortices. However, with the experimental pressure data in hand, the corresponding temperatures can be estimated using the isentropic relation ln(p/p i ) = integraldisplay T T i γ(s) s(γ(s)? 1) ds, (1) where (T i ,p i ) are the initial values for the core temperature and pressure, (T,p) are these quantities at some later time, and γ(s)is the specific heat ratio at temperature s. In exper- iments, the initial core temperature is typically O(300 K), while the core temperature after compression is usually O(1000 K). In this paper, we shall consider only the behaviour of the gas mixture during compression; the post-compression behaviour is not considered here, but this will form the subject for future work. Nevertheless, the model presented here does provide a reasonable description of the post-compression behaviour of a single species pure gas, or an inert gas mixture; see Section 3.5. 1.2. THE MODEL We suppose that the compression chamber is located along 0
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