空氣壓縮機(jī)用冷卻裝置浮動(dòng)頭結(jié)構(gòu)有限元分析

王　坤，　陳　恩，　郭　建，　魏紀(jì)君，　崔　哲（合肥通用機(jī)械研究院，安徽合肥230088）

空氣壓縮機(jī)用冷卻裝置浮動(dòng)頭結(jié)構(gòu)有限元分析

王坤，陳恩，郭建，魏紀(jì)君，崔哲
（合肥通用機(jī)械研究院，安徽合肥230088）

空氣壓縮機(jī)工作產(chǎn)生高溫高壓空氣，壓縮空氣的熱量由級(jí)間冷卻裝置帶走。浮動(dòng)頭是空氣壓縮機(jī)用冷卻裝置的關(guān)鍵零件，是承受載荷較為嚴(yán)酷的零件。本文借助ANSYS有限元仿真軟件，對(duì)最高壓力狀態(tài)下浮動(dòng)頭的受力情況進(jìn)行分析，為浮動(dòng)頭安全可靠地工作提供保證，并為避免浮動(dòng)頭強(qiáng)度失效從制造加工過程提出解決方案。

浮動(dòng)頭； 設(shè)計(jì)厚度； 錐殼； 有限元分析； 加工制造

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.02.021

0　引言

空氣壓縮機(jī)在工作產(chǎn)生高壓空氣過程中，對(duì)空氣壓縮做功，增加了壓縮介質(zhì)的內(nèi)能，介質(zhì)溫度上升，在級(jí)間要對(duì)介質(zhì)進(jìn)行冷卻。目前比較常用的級(jí)間冷卻采用殼管式水冷冷卻裝置，高壓氣體位于冷卻芯子內(nèi)，流動(dòng)冷卻水走冷卻器殼程［1］。浮動(dòng)頭是冷卻芯子中承受載荷較為嚴(yán)酷的零件，因此對(duì)其有著較高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，現(xiàn)對(duì)最高工作壓力狀態(tài)下的浮動(dòng)頭進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否符合強(qiáng)度要求，并提出加工制造時(shí)的注意事項(xiàng)。

1　模型及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

現(xiàn)有某高壓空氣壓縮機(jī)，最高級(jí)排氣壓力達(dá)到40MPa，配套的冷卻裝置冷卻芯子部分結(jié)構(gòu)如圖1所示。

如圖所示，左端帶錐形結(jié)構(gòu)的零件即為該冷卻芯子中的浮動(dòng)頭，為換熱管所排出的高壓氣體提供過渡空間并將空氣向后輸送，浮動(dòng)頭焊接在換熱管的管板上，與管板，換熱管一起構(gòu)成高壓空氣的流道。

圖1　冷卻芯子部分結(jié)構(gòu)模型

2　結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算

該零件的剖面結(jié)構(gòu)如圖2所示，在工作狀態(tài)下為受到內(nèi)壓的容器，參照標(biāo)準(zhǔn)［2］，計(jì)算得出最高壓力40MPa下該零件應(yīng)滿足的相關(guān)厚度尺寸，分別計(jì)算如下（計(jì)算按較大數(shù)值圓整）：

圖2　浮動(dòng)頭剖面結(jié)構(gòu)

（1）右邊錐殼厚度

式中 Pc—計(jì)算內(nèi)壓力，40MPa；

Di—圓筒內(nèi)徑，80mm；

［σ］t—圓筒材料許用應(yīng)力，取137MPa；

φ—焊接接頭系數(shù)，取1；

α—錐角（模型為45°。

（2）錐殼過渡段厚度

式中 K—系數(shù)；選取見表1（本模型為α取45°，為留有計(jì)算余量，K取1）。

（2）與過渡段相連接處的錐殼厚度

式中 f—系數(shù)；選取見表2（本模型為α取45°，為留有計(jì)算余量，f取0.67）。

表1　系數(shù)K值

表2　系數(shù)f值

以上計(jì)算所得厚度取其最大值，即20mm。

3　模型建立及有限元仿真

以計(jì)算所得數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立三維浮動(dòng)頭模型如圖3所示。

圖2　浮動(dòng)頭三維模型

將該模型導(dǎo)入ANSYS WORKBENCH15.0中，定義零件材料屬性為不銹鋼材料，輸入密度7960kg/m3，楊氏彈性模量數(shù)值1.92e11，泊松比0.3，利用WORKBENCH推薦單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，為了保證分析質(zhì)量，將選項(xiàng)element sizing設(shè)置為0.005m，從而保證網(wǎng)格和節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，劃分后模型如圖4所示。

進(jìn)入analysis settings，首先定義約束，如圖1所示，該浮動(dòng)頭左邊圓柱段添加frictionless support圓柱面無摩擦滑動(dòng)，由于浮動(dòng)頭大端端面與冷卻芯子管板焊接，所以在大端斷面添加displacement位移約束并定義三方向數(shù)值為0；進(jìn)而添加載荷，在該零件內(nèi)壁上施加40MPa的內(nèi)壓力（pressure），然后準(zhǔn)備進(jìn)入solution求解器，準(zhǔn)備就緒模型狀態(tài)如圖5所示。

圖4　浮動(dòng)頭有限元網(wǎng)格劃分效果

圖5　浮動(dòng)頭有限元模型添加約束效果

開始求解，并插入STRESS中的von-mises應(yīng)力分布云圖，顯示分布結(jié)果及形變?nèi)鐖D6所示。

圖6　浮動(dòng)頭工作狀態(tài)下應(yīng)力分布云圖

4　有限元仿真結(jié)果分析

（1）由分析結(jié)果可見，整個(gè)工件在工作狀態(tài)即40Mpa內(nèi)壓力下的最大應(yīng)力為133.2MPa，小于材料的許用安全應(yīng)力，該工件設(shè)計(jì)階段計(jì)算確定的各處厚度數(shù)值合理［3］。

（2）從馮米斯應(yīng)力分布情況可見，整個(gè)錐面上形變效果及內(nèi)應(yīng)力較為突出，雖然不是最大應(yīng)力所在位置，但是整個(gè)面上應(yīng)力分布均勻，且較大。該浮動(dòng)頭在坯件鑄造時(shí)，需要在鑄造中避免氣孔和砂眼等缺陷的存在［4］，在鑄造工序，要從原材料準(zhǔn)備、冶煉工藝、脫氧操作、變質(zhì)處理等環(huán)節(jié)上切實(shí)做好，且鑄造后要對(duì)鑄件進(jìn)行探傷處理，以防止鋼中夾雜物的存在產(chǎn)生裂紋，防止應(yīng)力出現(xiàn)集中點(diǎn)進(jìn)而導(dǎo)致工件失效。此外，該零件在機(jī)加工工序中，要注意盡量縮短刀具長(zhǎng)度及控制刀具幾何參數(shù)，采用高速，小進(jìn)給量，小切削深度的組合加工方式，實(shí)現(xiàn)較小的表面粗糙度［5］，以防止局部臺(tái)階的存在，產(chǎn)生局部應(yīng)力。

（3）圖示最大應(yīng)力出現(xiàn)在大端的平口處，為一圈環(huán)形分布，此處應(yīng)為高壓氣體內(nèi)壓力導(dǎo)致形變后產(chǎn)生的拉應(yīng)力，此處距離上述與管板焊接處的焊縫位置相近。所以實(shí)際工作狀態(tài)下焊縫承受較大應(yīng)力，為了使應(yīng)力能均勻出現(xiàn)，在焊接時(shí)需要保證浮動(dòng)頭與管板的同軸度；如果浮動(dòng)頭與管板的焊接采用銀基釬焊焊接工藝，需要保證焊透，對(duì)釬焊工藝要求較高；如果采用氬弧焊工藝，則需注意滿焊焊接，可考慮焊接時(shí)涂敷奧氏體不銹鋼氬弧焊焊劑，可有效增大焊接熔深［6］，以保證焊接強(qiáng)度。

5　結(jié)語(yǔ)

浮動(dòng)頭為空氣壓縮機(jī)級(jí)間水冷冷卻裝置中的重要零件，并且其材料承受著較為嚴(yán)酷的載荷，所以應(yīng)在設(shè)計(jì)階段嚴(yán)格計(jì)算，留足余量，并提高后期鑄造質(zhì)量，提升薄弱部位的機(jī)加工及焊接工藝水平，以保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

［1］林培森王世平.氣體壓縮機(jī)冷卻器現(xiàn)狀及研究進(jìn)展［J］.壓縮機(jī)技術(shù)，1998，（3）17～20.

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Finite Element Analysis of the Floating Head Structure in Air Compressor Cooling Devices

WANG Kun， CHEN En， GUO Jian， WEI Ji-jun， CUI Zhe
（Hefei General Machinery Research Institute，Hefei 230088，China）

Air compressors produce air of high temperature and high pressure while working，so heat of the air should be taken away by cooling devices between stages.The floating head，which bears severe laod，is the key part of the cooling devices.This paper，based on the ANSYS environment，carries out the dynamic analysis of the float head force condition in the highest working pressure.This paper provides a guarantee for the safe and reliable operation of the floating head and suggests the solution during the design and manufacture process of the floating head in order to avoid its strength failure.

floating head； design thickness； conical shell； finite element analysis； manufacture

TH45

B

2095-3429（2015）01-0082-03

王坤（1987-），男，安徽滁州人，本科，學(xué)士，助理工程師，主要從事特種空調(diào)設(shè)計(jì)工作。

2015-02-03

2015-03-20