含曲軸裂紋的往復(fù)壓縮機十字頭對機體的作用力分析

程壽國

摘 要：為了研究往復(fù)壓縮機曲軸出現(xiàn)裂紋后十字頭對機體作用力的變化規(guī)律，建立了往復(fù)壓縮機動力學仿真模型，通過對曲柄中間位置開一個2mm寬的槽模擬開裂紋，對曲軸順、逆時針旋轉(zhuǎn)時有無裂紋兩種條件的往復(fù)壓縮機進行剛?cè)狁詈戏治?，對比分析了十字頭對機體作用力變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：曲軸順時針旋轉(zhuǎn)時無裂紋條件下作用力的峰值大于有裂紋條件下作用力的峰值，曲軸逆時針旋轉(zhuǎn)時無裂紋條件下作用力的峰值小于有裂紋條件下作用力的峰值。

關(guān)鍵詞：裂紋 曲軸 往復(fù)壓縮機 剛?cè)狁詈?/p>

1 引言

往復(fù)壓縮機是石油石化行業(yè)最重要的生產(chǎn)設(shè)備之一。曲軸是往復(fù)壓縮機中動力傳遞的重要零件，長期工作在扭轉(zhuǎn)、拉壓等交變力的作用下。裂紋是曲軸發(fā)生故障的最危險、最頻繁的故障之一。由于曲軸工作在密閉的箱體之中，出現(xiàn)裂紋的曲軸早期狀態(tài)變化不明顯，曲軸裂紋很難被發(fā)現(xiàn)。這給往復(fù)壓縮機安全運行埋下了安全隱患。文獻1分析了曲軸的力學性能并建立了曲軸有無裂紋的安全評價和剩余壽命的評價模型。文獻2分析了曲軸開裂的原因，通過調(diào)整軸系固有頻率的方法消減了開裂的概率。本文通過剛?cè)狁詈戏治龅姆椒ㄑ芯壳S有無裂紋時十字頭處作用力的變化規(guī)律。

2 往復(fù)壓縮機模型簡介

本文對某型號壓縮機進行簡化，圖1為考慮曲軸柔性的往復(fù)壓縮機示意圖。十字頭移動的方向與X軸方向平行。OB為簡化的柔性曲柄，視曲軸為柔性體時，在工作中曲軸發(fā)生一定的變形。當曲柄中間開一個槽后（模擬裂紋）曲柄的變形變大，受力足夠大或者槽較深時曲柄折斷。簡化后的曲軸三維圖形見圖2。往復(fù)壓縮機的主要參數(shù)與文獻3中參數(shù)一致。

3 剛?cè)狁詈戏抡婕敖Y(jié)果分析

將簡化后的壓縮機三維模型在CATIA軟件中建模，利用SIMDESIGNER軟件直接調(diào)用模型文件，分別建立曲軸有無裂紋的柔性體文件，調(diào)用NASTRAN求解器求解，在仿真前激活柔性體文件。分析十字頭與滑軌之間移動副所受的力，即為十字頭對機體的作用力。

3.1 曲軸順逆時針旋轉(zhuǎn)時X軸方向力的變化規(guī)律

圖3為曲軸順逆時針旋轉(zhuǎn)X方向的作用力變化圖。從圖3（a）中可以看出順時針旋轉(zhuǎn)無裂紋剛?cè)狁詈戏抡鏁r峰值大于有裂紋時的峰值。有裂紋時在曲軸旋轉(zhuǎn)到139°左右時出現(xiàn)很大的波動且波動是“周期”存在的。從圖3（b）中可以看出逆時針旋轉(zhuǎn)有裂紋剛?cè)狁詈戏抡鏁r峰值大于無裂紋時的峰值。逆時針旋轉(zhuǎn)波動范圍與順時針旋轉(zhuǎn)波動范圍類似。

3.2 圖4曲軸順逆時針旋轉(zhuǎn)Y方向的作用力變化圖

圖4為曲軸順逆時針旋轉(zhuǎn)Y方向的作用力變化圖。從圖4（a）中可以看出順時針旋轉(zhuǎn)無裂紋剛?cè)狁詈戏抡鏁r峰值大于有裂紋時的峰值。有裂紋時在曲軸旋轉(zhuǎn)到138°左右時出現(xiàn)很大的波動且波動是“周期”存在的。從圖4（b）中可以看出逆時針旋轉(zhuǎn)有裂紋剛?cè)狁詈戏抡鏁r峰值大于無裂紋時的峰值。逆時針旋轉(zhuǎn)波動范圍與順時針旋轉(zhuǎn)波動范圍類似。

綜合圖3和圖4的圖上信息，曲軸順時針旋轉(zhuǎn)時，X方向、Y方向的作用力無裂紋時的峰值大于有裂紋時峰值。曲軸逆時針旋轉(zhuǎn)時，X方向、Y方向的作用力無裂紋時的峰值小于有裂紋時峰值。

4 結(jié)語

本文利用動力學仿真軟件進行含裂紋曲軸的往復(fù)壓縮機的剛?cè)狁詈戏治?，能夠計算出十字頭對機體的作用力，并分析了曲軸轉(zhuǎn)向?qū)ψ饔昧Φ挠绊?。本文的研究為含裂紋故障的往復(fù)壓縮機故障診斷提供參考。

基金項目：江蘇高校青藍工程資助（蘇教師[2019]3號）;江蘇省高等學校自然科學基金（20KJB530008）;江陰職業(yè)技術(shù)學院院級課題（XJ2019LG004）。

參考文獻：

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