裂紋位置對往復壓縮機連桿的影響

程壽國

摘要：為了研究往復壓縮機連桿出現裂紋故障對其的影響，本文運用有限元仿真的方法，對含不同位置裂紋的連桿進行模態分析。仿真結果表明，當裂紋深度5mm時，裂紋對連桿的模態頻率、橫向位移影響很小，對米塞斯應力影響較大。

Abstract： In order to study the influence of reciprocating compressor connecting rod crack fault on it， this paper uses the finite element simulation method to carry out modal analysis of connecting rod with different cracks. The simulation results show that when the crack depth is 5mm， the crack has little influence on the modal frequency and lateral displacement of the connecting rod， but has great influence on the VonMises stress.

關鍵詞：裂紋;往復壓縮機;連桿;模態分析

Key words： crack;reciprocating compressor;connecting rod;modal analysis

中圖分類號：TB652? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A  ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）18-0139-02

0? 引言

往復壓縮機在石油化工等領域應用非常廣泛，其運動零部件曲軸、連桿等在工作循環中收到往復的交變力作用，長時間工作極易出現裂紋和磨損間隙過大而發生碰撞劇烈等故障。王炯[1]利用ABAQUS軟件模擬了脹斷加工過程裂紋的位置及擴展。蔡強等用ANSYS軟件和臨界面法等多種方法預測裂紋可能出現的位置[2]。楊青天[3]主要用有限元分析研究裂紋槽深度與裂解力的關系。劉亞峰等同樣利用有限元力學分析方法計算了發動機連桿在各種工況下可能測點的應力最大值[4]。微小裂紋在旋轉的連桿上是不容易發現的，本文用有限元分析法分析裂紋分別位于連桿上、下端時的變化。

1? 連桿裂紋的位置及有限元仿真分析

連桿的大小頭瓦中心孔軸線距離是600mm，兩個裂紋深度5mm，寬度8mm，第一種情況裂紋位于連桿上端面，第二種情況裂紋位于連桿的下端面，裂紋槽中心線距離連桿大頭端200mm，距離連桿小頭端中心400mm。分析時采用SIMDESIGNER軟件，該軟件集成了CATIA軟件和ADAMS軟件，可以直接CATIA軟件平臺下建模，ADAMS軟件里的動力學仿真工具直接可以調用，真正做到無縫連接。并且在動力學仿真計算時可以調用NASTRAN求解器和MARC求解器，進行非線性求解計算。本文利用catia軟件建模后，對滑塊（活塞）施加氣體力，對每一個連接（joint）進行設置，對曲柄（曲軸）進行驅動。其中，曲柄一端與電機連接，與大地設置為旋轉副，曲柄另一端與連桿連接，也設置為旋轉副;連桿另一端與十字頭銷連接，設置為旋轉副;十字頭與活塞桿設計為一體化零件，十字頭與滑軌設置為移動副，在這里忽略摩擦力和間隙碰撞對往復壓縮機運動的影響。在導入到設計分析模塊前設置好連桿的材料，在定義時連桿兩端的兩個連接（Joints）作為Loads，然后導入到分析模塊進行分析。圖1是裂紋在連桿上端面時的變形網格，相對于連桿長度裂紋的寬度較小，圖上裂紋不容易看到。

2? 裂紋位置對連桿模態頻率的影響

第一種情況是裂紋在上端面，分析的模態頻率分別是：第一階模態頻率233.23Hz，第二階模態頻率410.497Hz，第三階模態頻率640.383Hz，第四階模態頻率1094.44Hz。第二種情況是裂紋在下端面，分析的模態頻率分別是：第一階模態頻率233.054Hz，第二階模態頻率410.979Hz，第三階模態頻率640.363Hz，第四階模態頻率1097.98Hz。可以看出裂紋位置對連桿的前四階模態頻率影響很小。

3? 裂紋位置對連桿橫向變形的影響

圖2是第一種情況下前四階頻率對應的變形。圖3是第二種情況下前四階頻率對應的變形。分別對比圖2和圖3，從顏色分布很難區分，從數值分析結果可以得知兩種情況下各階頻率對應的最大變形基本相同（精確到0.01mm），最小變形略有不同。

4? 裂紋位置對連桿米塞斯應力的影響

圖4是第一種情況下前四階頻率對應的應力云圖。圖5是第二種情況下前四階頻率對應的應力云圖。233.23Hz對應的米塞斯應力最大值為8.14×1010N/m2，233.054Hz對應的米塞斯應力最大值為9.11×1010N/m2，其他模態頻率對應的米塞斯應力數值上相差均很大。

5? 結論

本文對含有不同位置的裂紋進行了有限元仿真分析，該方法是研究含裂紋構件目前應用最多的方法，從仿真結果可以看出，比較小的裂紋對連桿的模態頻率和橫向變形影響較小，對米塞斯應力影響較大。

參考文獻：

[1]王炯.利用淬火裂紋源脹斷加工調質鍛鋼連桿的數值模擬[D].吉林大學，2018.

[2]蔡強，張翼，李闖.柴油機連桿襯套微動疲勞裂紋萌生位置預測方法[J].潤滑與密封，2017，42（04）：106-110.

[3]楊青天.電火花線切割連桿裂紋擴展的多尺度仿真研究[D].廣東工業大學，2016.

[4]劉亞峰，汪宏偉，黃映云.連桿早期裂紋在線監測測點優選[J].內燃機與配件，2014（04）：28-31.

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