螺桿壓縮機底座的固有頻率分析

張占義

（新鄉航空工業集團，河南 新鄉453000）

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螺桿壓縮機底座的固有頻率分析

張占義

（新鄉航空工業集團，河南 新鄉453000）

摘要：運用SolidWorks軟件建立某固定式壓縮機底座三維實體模型，通過simulation分析插件建立有限元模型，進行了底座固有頻率分析，得出相應的振型和頻率值，同時與激勵頻率值作對比，看是否會因為底座的剛度問題而引起共振。為類似問題的解決提供一種有效的判定方法。

關鍵詞:壓縮機底座；有限元；固有頻率

為了研究某型號固定式壓縮機底座的剛度特性，驗證樣機底座是否會出現共振現象，決定采取有限元的方法對底座進行固有頻率分析。盡管有限元分析的方法很多，但是還沒有人運用SolidWorks軟件的插件simulation對壓縮機進行分析。首先，采用SolidWorks軟件對研究對象建立三維實體模型，得出的分析圖形可以很好地反映底座的相對變形趨勢。當壓縮機的激勵頻率與車架的固有頻率接近或相等時會發生共振，共振現象發生時，會使振動的頻率加倍，從而極大地影響機械壽命，加速疲勞損害，所以研究底座的的固有頻率特性很有必要。

1　底座建模

在進行有限元分析之前，需要參照樣機用Solid－Works軟件對底座進行建模，通過三維軟件建立模型。為得到能夠進行分析的理想化模型，需要對原型進行特征消隱，理想化或消除的方法[1]。簡化處理后的模型幾乎不影響分析的結果，同時也可以縮短分析運算的時間。處理后形成的數學模型如圖1所示。

圖1　底座三維模型

2　底座模態分析

模態分析是結構動力學分析的基礎，它主要計算模型的固有頻率和固有振型[2]。固定機底座由底板、四周槽鋼和中間交錯的橫板組成。首先，定義頻率分析的屬性，將頻率值設為20.將底座定義用軟彈簧進行穩定，不兼容網格形式選擇自動接合，解算器定義為自動模式，運算時根據結構自行調整。對底座的材料屬性進行界定，底座所用材料為普通碳鋼，彈性模量為2.1×105 MPa，泊松比為0.28，材料密度為7 800 kg/m3，屈服強度為220.59 MPa.

此固定機的底座由很多薄板件組成，薄板件采用殼單元進行劃分，殼單元劃分的原則是每塊面板的表面尺寸不能低于其厚度的10倍；像安裝架等尺寸較小的連接件，使用實體單元進行網格劃分。所以，從整體的底座結構考慮，底座采用殼單元與實體單元混合的方法進行網格劃分。在兩種不同單元連接處，保證節點的連接正確，避免產生應力奇異現象。上圖中的數學模型經過離散化處理后形成的有限元模型如圖2所示。

圖2　底座的有限元模型

與前面的方法類似，由于頻率數過于龐大全部分析不可能，所以同樣也選取前20個頻率數進行分析比較，得出的頻率值如表1所示。

表1　固定機底座前20階頻率值

從表中可以看出，其中前7階頻率值變化明顯；第8階到第11階頻率值穩定，可任選一階代表性說明；第12階至第17階頻率值波動又較明顯；第17階以后的又趨于穩定，可以不予考慮。由于篇幅限制，僅將5、6、7和9階的振型表示如圖3所示。

圖3　底座模態分析振型

從以上各圖中可以總結出以下內容：振型圖反映出的共同點是，底板的剛度不夠，在振動的沖擊下可能會產生較大的變形量；同時反映出裝水分離器的右上端處是構件的薄弱環節，左下角裝油氣分離器的部位也是薄弱環節，都有待加強。

3　對比分析

發動機的激振頻率[3]可由下述公式計算。

其中，n為壓縮機轉速（r/min）；2是點火的缸數。

此固定式螺桿機的轉速為1 800 r/min，產生的激振頻率為60 Hz，理論上激振頻率的0.8～1.2范圍[4]內為共振區即48～72 Hz為共振區，從表中的數據可以得知，第6-12階頻率落在了共振區的范圍內，由此可以斷定樣機底座的設計在正常工作狀態下會引起共振，需要對其剛度進行加強。通過這樣的對比，可以快速的判定是否有共振的可能。

4　結束語

本文通過對固定式壓縮機底座進行頻率分析，快速判斷出了底座是否會發生共振。從以上有限元分析的結果可以看出，通過軟件途徑能夠分清在什么樣的激振力下會激發什么樣的振動，利用分析所得到的參數，修改有限元模型使這些固有頻率離開外激振力的頻率可以避免發生共振，可以在結構設計上快速作出調整，提出底座結構的動力修改重構方案，為壓縮機的設計縮短時間[5]。此方法可以為類似結構剛度的判定提供了一種有效的方法，對設計有很大的指導意義。

參考文獻：

[1]杜平安.有限元網格劃分的基本原則[J].機械設計與制造，2002，（2）：34-36.

[2]詹迪斯.SolidWorks Simulation[M].北京：機械工業出版社，2012：172-178.

[3]鄔昭平.登高平臺消防車臂架靜、動力學分析[D].長沙：湖南大學，2008.

[4]楊明亮，徐格寧，常爭艷，等.基于有限元法的橋式起重機橋架模態分析[J].機械科學與技術，2012，（1）：135-137.

[5]麻盛祥，郭勝，丁振.集裝箱地板鉆孔鎖釘裝置機架的模態分析[J].裝備制造技術，2014，（11）：120-121.

中圖分類號：TH4

文獻標識碼：A

文章編號：1672-545X（2016）04-0167-02

收稿日期：2016-01-06

作者簡介：張占義（1965-），男，河南省平頂山郟人，主任設計師，研究方向：養護機械﹑空氣壓縮機械及航空工業精密機械等。

The Inherent Frequency Analysis of Base of Screw Compressor

ZHANG Zhan-yi
（Xinxiang Aviation Industry Group，Xinxiang Henan 453000，China）

Abstract:Using SolidWorks software to set up three-dimensional entity model for a stationary compressor base.The finite element model is established through the simulation analysis plugin.Base of natural frequency analysis，it is concluded that the vibration mode and frequency of the corresponding values，andcompared with excitation frequency at the same time.It will look for the base stiffness problem caused by the resonance or not.It provides a new method of judgement for the similar problem.

Key words：compressor base；finite element；inherent frequency