4M125新氫壓縮機(jī)軸系扭振特性分析

張鵬飛 潘昌霞 金鑫

摘 要：大型往復(fù)壓縮機(jī)是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的重要設(shè)備，在高效、穩(wěn)定等技術(shù)要求的基礎(chǔ)上，其可靠性受到廣泛重視。本文基于研究現(xiàn)狀對(duì)大型往復(fù)壓縮機(jī)的故障機(jī)理及特征進(jìn)行歸納，對(duì)傳統(tǒng)診斷技術(shù)和目前運(yùn)用較多的故障診斷新技術(shù)進(jìn)行分析比較，提供了各種方法的適用性及優(yōu)缺點(diǎn)，為往復(fù)壓縮機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)的發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：新氫壓縮機(jī)；曲軸軸系；扭振特性；有限元

中圖分類號(hào)：TH16；TB652 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）11-0055-02

0 引言

壓縮機(jī)曲軸軸系為往復(fù)壓縮機(jī)組的重要傳動(dòng)部件，其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化嚴(yán)重影響了整體的性能和運(yùn)行情況。當(dāng)往復(fù)壓縮機(jī)達(dá)到某一定轉(zhuǎn)速時(shí)，因曲軸軸系的固有扭振而使壓縮機(jī)組產(chǎn)生不平衡慣性力，導(dǎo)致嚴(yán)重的機(jī)體抖動(dòng)甚至導(dǎo)致曲軸發(fā)生斷裂。因此對(duì)曲軸軸系的扭振特性分析是對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)整機(jī)機(jī)組結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的必要步驟。

為實(shí)現(xiàn)大型往復(fù)壓縮機(jī)設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)的國產(chǎn)化，滿足石化企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大需求，基于往復(fù)壓縮機(jī)基礎(chǔ)理論研究和現(xiàn)代設(shè)計(jì)分析技術(shù)，對(duì)活塞力超過800KN的4M125-100新氫壓縮機(jī)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行了研制。由于該壓縮機(jī)處于高溫、高壓、易燃易爆、腐蝕的生產(chǎn)環(huán)境且長(zhǎng)周期連續(xù)生產(chǎn)條件下，因此要求壓縮機(jī)組應(yīng)具有整體性能好，效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，可靠性高等工況要求。

本文針對(duì)4M125新氫壓縮機(jī)軸系的扭振特點(diǎn)進(jìn)行研究，在基礎(chǔ)振動(dòng)分析的基礎(chǔ)上，建立其曲軸軸系模型并進(jìn)行了有限元模態(tài)分析，得到軸系扭振特性，以確定其臨界轉(zhuǎn)速、振型、振幅等參數(shù)以及需采取的減振措施。

1 4M125壓縮機(jī)軸系結(jié)構(gòu)建模

4M125-100新氫壓縮機(jī)是一組高效率的大型往復(fù)活塞式氫氣壓縮機(jī)，采用四列M型布置結(jié)構(gòu)。軸系由電機(jī)軸、聯(lián)軸器曲軸、飛輪共同組成軸系，如圖1所示。由圖1可知，壓縮機(jī)在往復(fù)工作過程中，由于活塞力的要求，軸系較大的質(zhì)量比將產(chǎn)生較大的慣性，當(dāng)軸系的周期性激振頻率與軸系振動(dòng)的固有頻率接近時(shí)，軸系將產(chǎn)生扭振。隨著壓縮機(jī)列數(shù)增加，曲軸曲拐增多且長(zhǎng)度增長(zhǎng)，曲軸的扭振頻率將會(huì)降低，機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)的可能性就越大，將嚴(yán)重的影響機(jī)組的工作壽命。

在分析軸系的扭振時(shí)，需將整個(gè)軸系作為一個(gè)連續(xù)的彈性體，其分析的步驟為：

（1）根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸建立軸系的物理分析系統(tǒng)模型。

（2）計(jì)算軸系的固有頻率和相應(yīng)的振型及振幅。

（3）對(duì)軸系進(jìn)行模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，求出共振時(shí)各軸段的扭振及附加應(yīng)力。

（4）根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)軸系的可靠性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并給出相應(yīng)的減振措施。

軸系的三維建模在proE軟件中進(jìn)行，經(jīng)簡(jiǎn)化后其模型如圖2所示。

2 4M125壓縮機(jī)曲軸軸系有限元分析

將模型導(dǎo)入ANSYS軟件后，采用10節(jié)點(diǎn)的四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到有限元模型。

2.1 邊界條件

對(duì)模型施加邊界條件，如圖3所示。其中對(duì)軸系施加外載荷包括電機(jī)轉(zhuǎn)矩、壓縮機(jī)的往復(fù)慣性矩和各列的氣體壓力。各軸承處施加徑向約束，運(yùn)動(dòng)質(zhì)量簡(jiǎn)化在各列曲柄銷處；根據(jù)設(shè)計(jì)條件，曲軸材料的彈性模量為，泊松比，固定阻尼比。

2.2 模態(tài)分析

對(duì)模態(tài)分析需選定模態(tài)提取除數(shù)，根據(jù)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，同時(shí)假設(shè)曲軸不存在軸向載荷，平衡配重對(duì)軸系固有頻率無影響。共振頻率主要集中在低頻段。提取軸系前十階振型，獲得其固有頻率及其對(duì)應(yīng)振幅，如圖4所示。

其中，第1階振幅為零，此時(shí)軸系運(yùn)動(dòng)形式為剛體位移，無振動(dòng)發(fā)生。第2、5、6階為扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，第3、4階為彎曲振動(dòng)，第7、8、9階為橫向（軸向）振動(dòng)，第10階為組合振動(dòng)。從以上結(jié)果可以看出當(dāng)由于往復(fù)式壓縮機(jī)軸系激振力主要是彎曲振動(dòng)激振力與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)激振力，一般不會(huì)受到橫向（軸向）激振力的影響，因此不予考慮。

圖5和圖6分別為壓縮機(jī)軸系產(chǎn)生共振時(shí)的附加應(yīng)力分布和共振振幅，可以看出，當(dāng)4M125新氫壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到130r/min時(shí)，扭轉(zhuǎn)激振頻率為接近5Hz，彎曲激振力頻率為12Hz，附加應(yīng)力最大值分布在第三、四級(jí)曲拐處，軸系共振振幅最大的位置在一、二級(jí)曲柄處。

3 結(jié)語

通過建立4M125新氫壓縮機(jī)曲軸軸系的三維模型，應(yīng)用有限元分析方法對(duì)軸系進(jìn)行模態(tài)分析，通過分析結(jié)果，可以確定曲軸軸系的固有頻率和模態(tài)振型，根據(jù)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速與壓縮機(jī)軸系固有頻率的關(guān)系，可以初步判定壓縮機(jī)曲軸軸系的振動(dòng)情況。

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