往復(fù)壓縮機(jī)軸系斷軸燒瓦及結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的有限元分析

趙寧 祖文柱 張海霞

摘? ?要：往復(fù)壓縮機(jī)是提高氣體壓力的通用機(jī)械，廣泛應(yīng)用于各行業(yè)，遍及工農(nóng)業(yè)、國(guó)防等各領(lǐng)域。石化工藝流程中對(duì)高壓的需求，使往復(fù)壓縮機(jī)的應(yīng)用顯示出極大的優(yōu)越性。文章針對(duì)某6列往復(fù)壓縮機(jī)斷軸現(xiàn)象，對(duì)不同方案進(jìn)行模態(tài)數(shù)值模擬，提出減小軸系頻率的優(yōu)化方案，通過(guò)減小軸系軸段直徑，使壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速與扭轉(zhuǎn)頻率比增加到1.056。優(yōu)化方案有效降低了制造成本。

關(guān)鍵詞：往復(fù)壓縮機(jī);扭轉(zhuǎn)共振;優(yōu)化設(shè)計(jì);模態(tài)分析

往復(fù)式壓縮機(jī)是提高氣體壓力的通用機(jī)械，廣泛應(yīng)用于各行業(yè)，遍及工農(nóng)業(yè)、國(guó)防等各領(lǐng)域。石油化工流程對(duì)高壓的需求使得壓縮機(jī)顯示出極大的優(yōu)越性。壓縮機(jī)軸系扭轉(zhuǎn)計(jì)算是制約壓縮機(jī)高速發(fā)展的瓶頸。國(guó)內(nèi)外研究集中于內(nèi)燃機(jī)軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，本研究涉及的燒連桿瓦與機(jī)械動(dòng)力學(xué)有關(guān)。有學(xué)者從事往復(fù)式壓縮機(jī)軸系動(dòng)力學(xué)研究，介紹了利用分析軟件進(jìn)行扭振計(jì)算的方法，考慮了諸多因素對(duì)其動(dòng)力特性的影響。某6列往復(fù)壓縮機(jī)出現(xiàn)斷軸，加大曲軸直徑機(jī)組出現(xiàn)振動(dòng)。通過(guò)調(diào)整壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速解決問(wèn)題，利用軟件對(duì)軸系產(chǎn)品進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，針對(duì)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)，提出優(yōu)化措施，減小零部件結(jié)構(gòu)尺寸。

1? ? 壓縮機(jī)軸系有限元模型建立

壓縮機(jī)是石化行業(yè)的關(guān)鍵動(dòng)力設(shè)備，曲軸承受周期性變化交變荷載，產(chǎn)生振動(dòng)。曲軸旋轉(zhuǎn)振動(dòng)是引發(fā)壓縮機(jī)共振的重要因素，軸系動(dòng)力學(xué)特性對(duì)壓縮機(jī)零部件使用壽命產(chǎn)生影響，對(duì)零部件影響明顯。壓縮機(jī)向大型多列方向發(fā)展，軸系動(dòng)力學(xué)問(wèn)題成為壓縮機(jī)發(fā)展的技術(shù)瓶頸[1]。

世界先進(jìn)國(guó)家的壓縮機(jī)設(shè)計(jì)水平處于成熟階段，各國(guó)采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)機(jī)組性能改進(jìn)等進(jìn)行研究，國(guó)外公司對(duì)壓縮機(jī)氣閥的研究占有主要地位，我國(guó)壓縮機(jī)設(shè)計(jì)局限于工藝氣體管路設(shè)計(jì)方面。隨著科技的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）應(yīng)用到各行業(yè)，往復(fù)式壓縮機(jī)將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)，但與CAE計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)應(yīng)用相差很遠(yuǎn)。動(dòng)力學(xué)分析在機(jī)組結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核等方面起決定性作用，通過(guò)壓縮機(jī)軸系動(dòng)力學(xué)分析，可應(yīng)用有限元法解決軸系動(dòng)力問(wèn)題。

某6列壓縮機(jī)組為對(duì)動(dòng)平衡型，氣缸按順序排在6列。壓縮機(jī)軸系由往復(fù)質(zhì)量等部件組成，軸系荷載包括電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩等，壓縮機(jī)軸系振動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程為MX+CX+KX=F，F(xiàn)為壓縮機(jī)軸系節(jié)點(diǎn)載荷列向量，M為壓縮機(jī)軸系結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)質(zhì)量矩陣，X為壓縮機(jī)軸系節(jié)點(diǎn)角速度向量，K為壓縮機(jī)軸系結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)剛度矩陣。有限元模型采用10節(jié)點(diǎn)四面體單元，能引起系統(tǒng)扭振的荷載為軸系承受扭矩，泊松比μ=0.3，彈性模量E=210 000 MPa，原軸系、改進(jìn)軸系用序號(hào)1，2表示。

2? ? 壓縮機(jī)軸系動(dòng)力分析

軸系扭轉(zhuǎn)共振是轉(zhuǎn)速整數(shù)倍等于軸系扭轉(zhuǎn)頻率的狀態(tài)，分析軸系動(dòng)力得到軸系扭轉(zhuǎn)頻率，通過(guò)模態(tài)分析可獲得系統(tǒng)頻率，軸系模態(tài)分析中主要作用是1階扭轉(zhuǎn)頻率。根據(jù)表1—2的分析結(jié)果，可得軸系諧頻及頻率比r，r為軸系7倍轉(zhuǎn)速諧頻ω與扭轉(zhuǎn)固有頻率ω1的比。

通過(guò)軸系動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，得到扭轉(zhuǎn)振幅等參數(shù)，是判斷沖擊載荷產(chǎn)生的依據(jù)，正應(yīng)力σ與剪應(yīng)力τ是曲軸疲勞強(qiáng)度校核的依據(jù)。第1列曲軸柄銷振幅形成頻率相等，如軸系產(chǎn)生共振，導(dǎo)致潤(rùn)滑油膜破壞出現(xiàn)燒瓦，揭示了加粗軸系燒連桿瓦的原因。原軸系扭轉(zhuǎn)振幅拍現(xiàn)象，主軸直徑增加到300 mm時(shí)，振幅拍現(xiàn)象嚴(yán)重。改進(jìn)軸系行程減小，共振程度降低。行程減小降低曲柄銷振幅，解決燒連桿瓦問(wèn)題。計(jì)算軸系節(jié)點(diǎn)靜強(qiáng)度，加粗后軸系靜強(qiáng)度安全系數(shù)最低，改進(jìn)軸系行程減小提高扭轉(zhuǎn)頻率，疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)安全系數(shù)滿足要求。

3? ? 軸系的綜合優(yōu)化

分析軸系扭轉(zhuǎn)振幅，原曲軸出現(xiàn)超載，通過(guò)加粗曲軸提高承載力，說(shuō)明增加曲軸直徑不可取。比較改進(jìn)前后機(jī)組性能的參數(shù)，行程采用原軸系結(jié)構(gòu)，曲軸列間軸段直徑降到300 mm。

優(yōu)化后軸系減小曲軸列間軸徑，軸系脫離共振區(qū)，曲柄銷扭轉(zhuǎn)振幅拍振消失。通過(guò)減小氣缸直徑，對(duì)軸系進(jìn)行靜強(qiáng)度校核和疲勞強(qiáng)度校核，安全系數(shù)為2.05。比較改進(jìn)軸系分析結(jié)果，曲軸直徑、十字頭質(zhì)量等減小，優(yōu)化軸系成本降低，應(yīng)力滿足曲軸材料的要求。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

壓縮機(jī)是石化工業(yè)關(guān)鍵動(dòng)力設(shè)備，軸系動(dòng)力學(xué)特性關(guān)系到機(jī)組運(yùn)行可靠性，文章對(duì)壓縮機(jī)軸系動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究，進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)分析。對(duì)曲軸加粗前后模態(tài)進(jìn)行分析，解釋了曲軸斷裂的原因。對(duì)曲軸幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)果減小系統(tǒng)幾何尺寸，解決了非正常斷軸燒瓦問(wèn)題。

[參考文獻(xiàn)]

[1]許增金.大型往復(fù)式壓縮機(jī)軸系動(dòng)力學(xué)特性研究[D].沈陽(yáng)：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2011.