空分壓縮機多機組軸系模態分析

韓彥龍

(承德石油高等專科學校機械工程系，河北承德067000)

空分壓縮機多機組軸系模態分析

韓彥龍

(承德石油高等專科學校機械工程系，河北承德067000)

建立了某大型空分壓縮機多機組軸系的有限元模型。對軸系進行了模態分析，求解了軸系的前20階固有頻率和臨界轉速，得到軸系前6階振型圖，確定了軸系結構振動形態及薄弱部位。為軸系故障診斷和優化設計提供了理論依據。

軸系;ANSYS;模態分析

高速旋轉軸系系統的固有特性是系統重要動態特性之一，對系統的動態響應以及動載荷的產生與傳遞具有重要影響［1］。在進行高速旋轉機組軸系系統動力設計時，需要對軸系進行模態分析，求解出其固有頻率和相應的模態振型。通過合理的設計使其工作轉速遠離軸系系統的固有頻率，保障軸系持續穩定運轉。本文以某空分壓縮機多機組軸系為對象，建立了其實體模型與有限元模型。運用有限元分析軟件ANSYS分析得到該軸系的固有頻率和振型，確定了軸系啟機過程的薄弱部位，并提出了可行性建議。

1　軸系實體模型

空分壓縮機軸系結構復雜，依次由膜片聯軸器聯接低壓缸、中壓缸、汽輪機、齒式增壓機組成。在ANSYS軟件中建立軸系有限元模型，需要花費巨大的精力［2-3］。本文運用三維建模功能強大的Pro/E軟件建立軸系實體模型，通過Pro/E與ANSYS軟件的無裂縫聯接，建立軸系的實體模型［4］，如圖1所示。

2　軸系有限元模型

軸系材料為50Mn合金鋼，彈性模量為2．06×1 011 Pa，泊松比為0．3，密度為7 900 kg/m3。本文用solid273單元對實體模型截面進行網格劃分，這樣可以減少有限元模型網格數目，從而減少有限元分析的運算量和計時［5］，軸系有限元模型如圖2所示。

3　模態分析

運用上述所建立的有限元模型，在ANSYS軟件中運算，得到軸系的前20階固有頻率和臨界轉速，如表1所示。

表1　前20階振動固有頻率及臨界轉速

由表1可得，軸系前20階固有頻率介于43．27～705．62 Hz，臨界轉速介于2 596．20～42 337．20 r/min。軸系臨界轉速柱狀圖如圖3所示。

由圖3可知，軸系的各階臨界轉速有遞增的趨勢。當軸系的工作轉速遠離各臨界轉速時，可避免軸系在工作過程中發生共振和由共振產生的噪聲及軸系變形，從而保證系統的安全穩定運行。本軸系工作轉速為4 386 r/min，其介于第2階臨界轉速3 219．60 r/min和第3階臨界轉速5 389．20 r/min之間，工作轉速有效地避開了臨界轉速，軸系能夠穩定運轉。

軸系前6階典型振型圖如圖4所示。第1階和第2階振型表示增壓機軸端沿x軸的擺動，其端部增壓機部分振幅較大，如發生共振比較容易受損。第3階振型發生主振動的有兩段軸，低壓缸軸段和汽輪機軸段。

4　結論

1)軸系工作轉速介于第2階臨界轉速和第3階臨界轉速之間，在軸系啟機過程中需要跳躍1階臨界轉速，故啟動過程中，接近1階臨界轉速2 596．20 r/min時，需要迅速跳過，以防止軸系共振造成軸系軸段破壞。

2)模態振型分析確定了軸系結構振動形態及薄弱部位。工作轉速接近第2階臨界轉速時，增壓機軸段易損壞。第3階振型中，低壓缸軸段和汽輪機軸段發生主振動。因此，可以在增壓機、低壓缸及汽輪機軸段增加支撐，以提高軸系薄弱部位的支撐剛度，避免該部位振動過激而毀壞。

［1］周榮亮，梁尚明，莫春華，等．基于ANSYS的滾柱活齒減速器軸系的模態分析［J］．機械，2009，36(9):43－45．

［2］王鳳麗，宋繼良，譚光宇，等．在ANSYS中建立復雜有限元模型［J］．哈爾濱理工大學學報，2003，8(3):22－24．

［3］劉德仿，李麗英，周臨震，等．基于ANSYS的建模及分析方法研究［J］．制造業自動化，2011，33(19):140－142，149．

［4］劉建強，王栓強，李曉玲，等．復雜結構Pro/E模型導入ANSYS中的方法研究［J］．新技術新工藝，2011(3):36－38．

［5］韓彥龍，孫晨曦，王二利．基于ANSYS的空分軸系及其零部件有限元模型研究［J］．承德石油高等專科學校學報，2014(3):16－18，27．

Modal Analysis of Shaft System of Air Separation Compressor

HAN Yan-long
(Department of Mechanical Engineering，Chengde Petroleum College，Chengde 067000，Hebei，China)

The finite element model of air separation multi-unit shaft system is established．The author makes a modal analysis for the shaft system and gets the first 20 natural frequencies and critical speeds．The first six bands formation diagrams are obtained and the shaft vibration modes and the weak parts of the structure are confirmed．This paper provides a theoretical basis for the troubleshooting and optimized design of shaft systems．

shaft system;ANSYS;modal analysis

TH4

A

1008-9446(2015)01-0021-04

2014-09-24

韓彥龍(1987－)，男，河北石家莊人，承德石油高等專科學校機械工程系助教，碩士，主要研究轉子動態特性分析。