往復壓縮機連桿裂紋對整機性能的影響分析

顧曉晨

（潞安煤基清潔能源有限責任公司，山西 長治 046200）

0 引言

在焦爐煤氣變壓吸附過程中，對氣體進行壓縮是重要的工藝過程，焦爐氣經過氣柜混合穩定后[1]，要通過壓縮機增壓壓縮進行甲烷化處理，經過甲烷化后形成的富甲烷氣體經過干燥預處理脫硫后，同樣需要壓縮機進行混合冷凝處理，經過脫氧反應將富甲烷氣體轉化為氫氣。在進行焦爐煤氣的變壓吸附過程中，壓縮機是重要的氣體壓縮設備，對氣體的轉化使用具有重要的作用。在多種類型的壓縮機中，往復壓縮機能夠適應較大范圍的壓力及排量，具有壓力穩定、效率高的優點，在化工行業中具有廣泛的應用。連桿作為往復壓縮機中的關鍵零部件，將曲軸的旋轉運動轉化為活塞的直線運動，實現氣體的壓縮。連桿在往復壓縮機運動過程中承受交變載荷的作用[2]，受力復雜多變，容易產生裂紋破壞，影響壓縮機的整機性能穩定。針對連桿裂紋對往復壓縮機整機性能的影響作用，采用有限元仿真的形式進行模擬分析，從而為往復壓縮機的使用提供指導。

1 往復壓縮機動力學分析模型的建立

往復壓縮機進行富甲烷煤氣壓縮的過程中，通過曲柄連桿及活塞機構的作用，進行氣體的壓縮，提高氣體的壓力，對富甲烷煤氣的轉化利用具有重要的作用。連桿是往復壓縮機中關鍵的傳動件，一端連接曲柄，將曲柄的旋轉運動轉化為另一端活塞的直線運動，進行氣體的壓縮及輸送[3]。

以某型號往復壓縮機為例進行連桿裂紋的影響分析，壓縮機為雙缸動平衡型往復壓縮機，其軸功率為500 kW，活塞行程為240 mm，曲軸轉速為500 r/min，整機排氣量為70 m3/min，可對富甲烷氣體進行壓縮增加。采用SolidWorks 三維建模軟件進行往復壓縮機模型的創建，對壓縮機整機性能分析過程中，僅對壓縮機自身產生的影響進行分析，忽略兩級氣缸閥門及外部傳輸管線的影響作用[4]，對壓縮機的模型進行簡化處理，將內部采用過盈配合的十字頭、活塞桿等連接作為整體進行建模，得到往復壓縮機的結構模型如圖1 所示。

圖1 往復壓縮機結構模型

采用動力學仿真分析的方式對往復壓縮機的整機性能進行分析，動力學仿真分析可模擬壓縮機在實際使用中的動力學響應，從而對連桿產生裂紋時的影響作用進行分析。采用Adams 分析軟件進行計算分析，Adams 可與CAD/CAE 軟件進行直接的數據傳輸，將所建立的往復壓縮機結構模型導入到Adams 中，通過view 模塊進行零件運動副的定義，總外機體與地面之間采用固定副進行約束，十字頭銷與連桿之間同樣采用固定副進行約束，活塞組件為移動副[5]，連桿與曲軸之間為轉動副約束。

在Adams 模型中設定各零部件的材質，其中外機體采用HT20，曲軸采用C45，連桿采用C35，十字頭銷及活塞組件采用C20，往復壓縮機運動過程中受到活塞端的壓縮富甲烷氣作用及電機對曲軸的驅動力矩作用，所分析壓縮機為雙缸作用式壓縮機，兩端活塞受到氣體的壓力作用，在兩端施加氣壓載荷作用，在電機端施加500 r/min 的旋轉運動，對壓縮機在不同狀態下的整機性能進行分析。

2 往復壓縮機不同狀態時的整機性能分析

2.1 壓縮機正常狀態時的整機性能

在往復壓縮機Adams 模型中采用GSTIFF 積分求解器進行求解，GSTIFF 求解器具有較快的求解速度，提高計算的效率。在往復壓縮機沒產生連桿裂紋時，對往復壓縮機的整機性能進行分析。在分析過程中，通過添加間隙接觸力的形式進行驅動，在連桿與曲軸之間設置0.1 mm 的間隙，連桿與十字頭銷之間設置0.05 mm 的間隙，間隙值處于往復壓縮機正常狀態的標準范圍之內。

在對機械設備進行分析時，振動傳遞路徑最短的位置處對系統的響應最為敏感，在本次分析中，由于連桿是內部的連續運動部件，無法進行直接的振動監測。在模型中，選擇與連桿連接的十字頭位置進行整機振動的監測，對十字頭滑道下部位置的振動加速度進行計算提取，得到正常狀態下往復壓縮機的加速度變化如圖2 所示。從圖2 中可以看出，壓縮機加速度呈周期性變化的分布，周期約為0.12 s，在活塞運動至兩端的極限位置處時，具有較強的沖擊作用，然后在阻尼作用下呈現逐漸衰減的分布。

圖2 壓縮機外機體加速度變化

同時，與連桿連接的曲軸端的接觸力也是反映往復壓縮機性能的重要指標，可以表征壓縮機的健康狀態，對曲軸旋轉位置處的軸承接觸力進行計算提取，得到正常狀態下曲軸軸承接觸力變化如圖3 所示。從圖3 中可以看出，曲軸的接觸力也呈現周期性變化的分布，在往復壓縮機兩端位置處產生沖擊作用，軸承的接觸力較大，其他位置處的接觸力分布較為平穩。

2.2 壓縮機連桿裂紋時的整機性能

連桿作為往復壓縮機的關鍵零部件，在工作過程中長期受到交變載荷的作用，極易產生裂紋，若不能對裂紋及時進行處理，造成裂紋的擴展，容易發生斷裂失效，造成層壓縮機的故障。在往復壓縮機運行過程中，由于連桿傳動位于機體的內部，不易進行直接觀測，對連桿發生故障時的振動信號進行監測，從而以壓縮機的性能變化反向推測連桿的故障。連桿使用過程中應力集中的頭部與桿身連接的位置容易產生裂紋，在Adams 分析模型中，選擇大頭與桿身連接的位置處創建寬度為0.1 mm、深1 mm 的裂紋缺陷，以帶有裂紋的連桿重新創建分析模型，對壓縮機性能進行仿真模擬。

對連桿裂紋狀態時十字頭滑道下部位置的振動加速度進行計算提取，得到連桿裂紋狀態下往復壓縮機的加速度變化如圖4 所示。從圖4 中可以看出，外機體的加速度同樣呈周期性變化，振動周期同樣為0.12 s，在沖擊幅值上，在正常狀態時的最大沖擊幅值為264 mm/s2，在連桿裂紋狀態時的最大沖擊幅值為336 mm/s2，振動信號的沖擊幅值增加了27.3%，具有較大的提升。

圖4 連桿裂紋狀態壓縮機外機體加速度變化

對連桿裂紋狀態時曲軸旋轉位置處的軸承接觸力進行計算提取，得到連桿裂紋狀態下曲軸軸承接觸力變化如圖5 所示。從圖5 中可以看出，曲軸軸承接觸力呈現周期性振動特性，受到連桿裂紋的影響，在連桿運動到極限位置時軸承的接觸力相對正常狀態具有明顯的增加，且接觸力曲線也呈現明顯的波動，使往復壓縮機的沖擊作用更加強烈。

圖5 連桿裂紋狀態曲軸軸承位置接觸力變化

3 結論

1）往復壓縮機是富甲烷氣體進行轉化利用過程中的重要設備，對氣體的轉化率及安全性具有重要的影響，是化工行業中廣泛應用的壓縮設備。往復壓縮機循環過程中對連桿產生不斷的交變沖擊作用，容易產生連桿裂紋，影響往復壓縮機的使用。

2）采用模擬仿真的形式對連桿裂紋的影響作用進行分析，分別建立正常狀態及連桿裂紋狀態的分析模型，對外機體加速度及曲軸軸承的接觸力變化進行對比分析。結果表明，連桿裂紋使壓縮機加速度振動幅值增加了27.3%，軸承接觸力也有較大的沖擊，產生波動，降低了壓縮機整機性能。