工業(yè)壓縮機(jī)的曲軸特性分析與研究

馬希云

（安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽安慶　246003）

工業(yè)壓縮機(jī)的曲軸特性分析與研究

馬希云

（安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽安慶246003）

通過(guò)對(duì)某型壓縮機(jī)曲軸進(jìn)行分析，其中模態(tài)分析是利用ANSYS軟件有限單元法來(lái)進(jìn)行的，從而得到該型壓縮機(jī)曲軸的動(dòng)態(tài)特性，為進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化整機(jī)及曲軸打下基礎(chǔ)。

壓縮機(jī)；曲軸；有限元法

空氣壓縮機(jī)，簡(jiǎn)稱空壓機(jī)，其有三大作用：壓縮氣體、提高氣體壓力和輸送氣體［1］。本文對(duì)某型空壓機(jī)的曲軸進(jìn)行分析，是該型壓縮機(jī)整機(jī)分析和優(yōu)化中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，并參與到企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)和優(yōu)化改進(jìn)中，因而具有理論和實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

1　曲軸的模型建立

本型號(hào)空壓機(jī)曲軸的類型是整體式曲軸，模型建立包括幾何實(shí)體模型和有限元模型。實(shí)體模型的建立是利用三維CAD軟件（SolidWorks）來(lái)建立的，有限元模型的建立是利用ANSYS軟件來(lái)建立的。實(shí)體模型通過(guò)有限元軟件提供的接口導(dǎo)入ANSYS中經(jīng)過(guò)網(wǎng)格劃分，再建立有限元模型。模型的建立是按照實(shí)際尺寸來(lái)的，并對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，計(jì)算結(jié)束后還需要對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析及總結(jié)。

1.1壓縮機(jī)技術(shù)參數(shù)

本次分析與研究的該型空壓機(jī)的技術(shù)參數(shù)為：①連桿考慮使用鈦合金；②空壓機(jī)3級(jí)壓縮，單列級(jí)差式，水冷，進(jìn)氣壓力0.1MPa，排氣壓力15MPa，排量12m3/min，軸功率N=3.8kW，機(jī)械效率ηw=0.85；③1級(jí)活塞直徑128mm，2級(jí)活塞直徑110mm，3級(jí)活塞直徑25mm，活塞行程S=40mm，連桿長(zhǎng)度L=134.5mm，曲柄半徑R=20mm，額定轉(zhuǎn)速n=750rpm，進(jìn)氣溫度20℃，排氣溫度≤180℃；④活塞連桿組件質(zhì)量5.1kg，活塞組件質(zhì)量3.415kg，連桿大頭質(zhì)量1.129kg，連桿小頭質(zhì)量0.556kg。

為了便于對(duì)曲軸進(jìn)行有限元分析，根據(jù)曲柄連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的計(jì)算公式由已知參數(shù)可計(jì)算出該型空壓機(jī)的各級(jí)名義壓力、三級(jí)進(jìn)排氣壓力和實(shí)際壓力比、蓋側(cè)活塞工作面積、蓋側(cè)活塞力、三級(jí)往復(fù)慣性力、三級(jí)氣體力、三級(jí)綜合活塞力、各級(jí)切向力和總切向力、飛輪矩等。通過(guò)分析還可以參考査閱計(jì)算表，得到各種工況下的受力情況。

1.2曲軸的實(shí)體模型

如圖1所示為簡(jiǎn)化后壓縮機(jī)的曲軸，從圖1可以看出，其是異長(zhǎng)軸類零件，特點(diǎn)包括長(zhǎng)徑比大、軸線不連續(xù)等。為了滿足實(shí)際工作的需要，曲軸不同截面的結(jié)合處都有倒角，這些倒角的半徑都不相等，這是為了達(dá)到減小應(yīng)力集中的目的。并且把許多潤(rùn)滑油孔都布置在了曲軸上，這是為了方便曲軸和軸承間的潤(rùn)滑。

圖1　項(xiàng)目曲軸結(jié)構(gòu)圖

在對(duì)曲軸進(jìn)行動(dòng)態(tài)扭振分析之前，需對(duì)實(shí)際裝配曲軸模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化的具體內(nèi)容包括：①對(duì)復(fù)雜的形狀不必要的地方進(jìn)行簡(jiǎn)化，不僅可以方便模型導(dǎo)入ANSYS軟件中，還可以利用前處理器進(jìn)行各種必要的調(diào)整；②在簡(jiǎn)化的過(guò)程中還把花鍵軸上的螺紋部分去掉，這是考慮到計(jì)算機(jī)硬件配置和有限元網(wǎng)格數(shù)量與計(jì)算量的關(guān)系；③為了使有限元網(wǎng)格劃分順利進(jìn)行，還對(duì)一些不必要倒角、小圓角、油孔進(jìn)行簡(jiǎn)化。

1.3曲軸的有限元模型

本型號(hào)空壓機(jī)的曲軸模型要用到ANSYS軟件的前處理模塊，利用該模塊就可以進(jìn)行有限元離散化，離散化的針對(duì)對(duì)象為簡(jiǎn)化后的曲軸模型，該操作是利用高精度的SOLID92單元（十節(jié)點(diǎn)四面體單元）對(duì)曲軸進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用Block Lanczos法特征向量實(shí)現(xiàn)迭代計(jì)算。生成的有限元網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2　曲軸有限元網(wǎng)格圖

2　曲軸結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性研究

壓縮機(jī)整機(jī)的振動(dòng)、噪音及使用壽命等方面都受到曲軸動(dòng)態(tài)特性的影響。在對(duì)曲軸進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，為了不產(chǎn)生共振現(xiàn)象，并能對(duì)振動(dòng)幅值的減小有所幫助，就要使固有頻率避開(kāi)外激勵(lì)的頻率［2］。這個(gè)固有振動(dòng)頻率是曲軸結(jié)構(gòu)自帶的，每個(gè)曲軸結(jié)構(gòu)都有自己的固有振動(dòng)頻率。針對(duì)曲軸結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)頻率，首先要對(duì)結(jié)構(gòu)的固有振型做到計(jì)算準(zhǔn)確，這樣便對(duì)激振力與振動(dòng)兩者之間的關(guān)系可以明確掌握，從而對(duì)該激振力作用下引起的振動(dòng)情況分析清楚。最后可以做到對(duì)相應(yīng)的激振力的頻率控制準(zhǔn)確，避免由此引起的共振現(xiàn)象。

不同頻率所對(duì)應(yīng)的振型，它們產(chǎn)生的影響是不一樣的，這個(gè)影響指的就是在振動(dòng)過(guò)程中對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)影響［3］。其中，較低階固有頻率所對(duì)應(yīng)的振型所起的作用為主要作用，而較高頻率對(duì)應(yīng)的振型帶來(lái)的影響較小。另外，還需考慮到有阻尼出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)中，那么迅速衰減的振型不是低頻所對(duì)應(yīng)的，而應(yīng)是高頻所對(duì)應(yīng)的振型。因此，對(duì)該型空壓機(jī)的曲軸在求解模態(tài)中選取16階自由振動(dòng)頻率。前10階自由振動(dòng)頻率如表1所示，曲軸的前10階自由振型如圖3所示。

表1　曲軸的自由振動(dòng)頻率

圖3　曲軸前10階自由振型圖

由結(jié)果可知，曲軸的頻率在不同狀態(tài)下是不一樣的，其頻率較低時(shí)的狀態(tài)是自由狀態(tài)。比較第一階模態(tài)和第二階模態(tài)發(fā)現(xiàn)，它們的共同點(diǎn)都是主要表現(xiàn)為以彎曲振動(dòng)為主，而不同的地方在于其彎曲程度不同；第三階主要表現(xiàn)為扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，并以大曲軸頸與曲柄銷(xiāo)部位較為明顯；第四階到第七階模態(tài)主要表現(xiàn)為彎曲扭轉(zhuǎn)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，其中曲軸頸與曲柄銷(xiāo)處較為明顯；第八階模態(tài)、第九階模態(tài)和第十階模態(tài)的共同點(diǎn)都是表現(xiàn)為交替出現(xiàn)的振動(dòng)，這包括彎曲振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)兩者的交替。不難發(fā)現(xiàn)，這三種模態(tài)的共同點(diǎn)是既有整體彎曲又有軸向偏振，因此它們的振動(dòng)形式較其他的更復(fù)雜。壓縮機(jī)的工作頻率12.5Hz與曲軸計(jì)算分析的最低固有頻率相差較大，因此出現(xiàn)共振的可能較小。

上述分析結(jié)果對(duì)于認(rèn)識(shí)該型往復(fù)活塞式壓縮機(jī)的關(guān)鍵部件的受力和運(yùn)動(dòng)狀況非常有幫助，為指導(dǎo)今后進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)物樣機(jī)設(shè)計(jì)、制作和試驗(yàn)打下了良好的基礎(chǔ)。

［1］錢(qián)家祥.壓縮機(jī)行業(yè)發(fā)展綜述［J］.通用機(jī)械，2012（2）：27-30.

［2］Harvey Nix.Compressor Analysis［R］.Davison：Ingersoll-Rand，2006.

［3］馬迅，左遠(yuǎn)化.曲軸的疲勞和模態(tài)分析［J］.汽車(chē)研究與開(kāi)發(fā)，2003（5）：15-17.

Analysis and Research on the Characteristics of the Crankshaft of Industrial Compressor

Ma Xiyun
（Anqing Vocational and Technical College，Anqing Anhui 246003）

This paper analysed the crankshaft of a certain type of piston reciprocation compressor.Modal analysis was performed by using the ANSYS software of finite element methods，to get the dynamic characteristics of the crank?shaft of this compressor，in order to lay a foundation for further improvement and optimization of the whole machine and the crank.

piston reciprocation compressor；crankshaft；finite element methods

TH457

A

1003-5168（2016）08-0076-02

2016-07-09

馬希云（1981-），女，碩士，講師，研究方向：機(jī)械電子工程。