裂紋對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)曲軸模態(tài)影響分析

摘要： 為了研究裂紋對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)曲軸的影響，分別對(duì)有裂紋曲軸和無裂紋曲軸進(jìn)行了有限元分析，經(jīng)仿真計(jì)算求得有無裂紋兩種情況下的曲軸模態(tài)頻率、變形和應(yīng)力值，研究結(jié)果和研究方法可以為往復(fù)壓縮機(jī)的故障診斷和在線狀態(tài)監(jiān)測提供參考。

Abstract： In order to study the influence of cracks on the crankshaft of reciprocating compressor， finite element analysis was carried out on the crankshaft with cracks and the crankshaft without cracks. The modal frequency， deformation and stress values of the crankshaft with and without cracks were obtained by simulation calculation. The research results and methods can provide reference for fault diagnosis and on-line condition monitoring of reciprocating compressor.

關(guān)鍵詞： 裂紋;往復(fù)壓縮機(jī);曲軸;模態(tài)分析

Key words： crack;reciprocating compressor;crankshaft;modal analysis

中圖分類號(hào)：TB652? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）17-0054-02

0? 引言

曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)、往復(fù)壓縮機(jī)中的關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)部件。在工作循環(huán)中受到交變力的作用下，是較難加工且易損壞的常見零件。文獻(xiàn)[1]利用材料力學(xué)金相實(shí)驗(yàn)的方法分析了柴油機(jī)曲軸網(wǎng)狀裂紋缺陷的成因。文獻(xiàn)[2]運(yùn)用ADAMS和ANSYS等軟件分析了軸頸圓角處產(chǎn)生裂紋后的剩余壽命。文獻(xiàn)[3]運(yùn)用ADAMS軟件工具，在考慮到裂紋深度和長短軸比兩個(gè)因素影響下，建立了內(nèi)燃機(jī)曲軸幾何形狀因子的表達(dá)式。文獻(xiàn)[4]對(duì)比分析了曲軸含裂紋時(shí)往復(fù)壓縮機(jī)十字頭在旋轉(zhuǎn)方向不同時(shí)對(duì)機(jī)體的作用規(guī)律。本文通過有限元仿真分析裂紋有無兩種情況下曲軸的模態(tài)特性。

1? 含裂紋的往復(fù)壓縮機(jī)曲軸建模

以某型號(hào)的壓縮機(jī)曲軸為研究對(duì)象并對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)簡化，采用CATIA軟件進(jìn)行建模，假設(shè)裂紋位于靠近動(dòng)力輸入一側(cè)的曲柄中間位置上，如圖1所示。

2? 仿真計(jì)算及結(jié)果分析

由于CATIA軟件和ADAMS軟件都集成于SIMDESIGNER軟件，可以通過在SIMDESIGNER中定義曲軸的負(fù)載，將模型導(dǎo)入到SD Structures Workbench平臺(tái)中進(jìn)行模態(tài)分析，本文Element type 選擇為Parabolic。

曲柄寬度60mm，分別對(duì)曲軸無裂紋和曲軸裂紋長度為55mm兩種情況仿真分析。曲軸無裂紋時(shí)的變形最大值為0.905mm，最大變形的位置位于曲軸的頂端，如圖2所示，求得前四階模態(tài)頻率分別為710.361Hz（第一階），1798.53Hz（第二階），2154.81Hz（第三階），2969.3Hz（第四階），對(duì)應(yīng)的平移位移量如圖4所示，圖中藍(lán)色區(qū)域的代表的位移量最小，紅色區(qū)域代表的位移量最大;對(duì)應(yīng)的應(yīng)力（Von Mises stress）圖如圖5所示，圖中藍(lán)色區(qū)域的代表的應(yīng)力最小，紅色區(qū)域代表的應(yīng)力最大。

曲軸裂紋長度為55mm時(shí)，變形最大值為0.873mm，位于曲軸的頂端，如圖3所示，與無裂紋相比最大變形區(qū)域（紅色區(qū)域）和最小變形區(qū)域（藍(lán)色區(qū)域）都變小了，仿真變形圖如3所示，求得前四階模態(tài)頻率分別為397.655Hz（第一階），514.324Hz（第二階），1351.59Hz（第三階），1480.6Hz（第四階），對(duì)應(yīng)的平移位移量如圖6所示，圖中藍(lán)色區(qū)域的代表的位移量最小，紅色區(qū)域代表的位移量最大;對(duì)應(yīng)的應(yīng)力（Von Mises stress）圖如圖7所示，圖中藍(lán)色區(qū)域的代表的應(yīng)力最小，紅色區(qū)域代表的應(yīng)力最大。

3? 結(jié)束語

由于往復(fù)壓縮機(jī)的曲軸在生產(chǎn)加工誤差、裝配誤差、使用時(shí)的交變應(yīng)力等因素的影響，裂紋成為曲軸故障的一種常見形式，故障特征不易于被發(fā)現(xiàn)，通過有限元方法對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析后發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)裂紋后模態(tài)頻率較無裂紋時(shí)有很大的減少，這是一個(gè)重要的故障特征，對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)的在線監(jiān)測有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉耀輝，王云飛，魏彩麗，劉巖，馮銀平.柴油機(jī)曲軸表面網(wǎng)狀裂紋缺陷分析[J].熱加工工藝，2019，48（16）：174-176，180.

[2]陳波，肖祥，何畏，楊志勇，張自立.含裂紋曲軸動(dòng)力學(xué)分析及裂紋擴(kuò)展剩余壽命研究[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2016，23（04）：154-159.

[3]何畏，肖祥，陳波，楊志勇，張自立.基于EQ4H型內(nèi)燃機(jī)含裂紋曲軸的應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算[J].機(jī)械強(qiáng)度，2016，38（02）：369-373.

[4]程壽國.含曲軸裂紋的往復(fù)壓縮機(jī)十字頭對(duì)機(jī)體的作用力分析[J].時(shí)代汽車，2021（07）：148-149.