包裝壓縮機(jī)螺桿動(dòng)力學(xué)性能研究

章正偉

(浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與航空學(xué)院，浙江杭州311112)

包裝壓縮機(jī)螺桿動(dòng)力學(xué)性能研究

章正偉

(浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與航空學(xué)院，浙江杭州311112)

采用Solid Works建立螺桿模型，采用HyperMesh劃分網(wǎng)格后導(dǎo)入ANSYS Workbench進(jìn)行分析。為模擬真實(shí)工況，釋放螺桿繞軸線旋轉(zhuǎn)自由度，在Workbench環(huán)境下進(jìn)行模態(tài)分析得到其6階固有模態(tài)；進(jìn)而進(jìn)行諧響應(yīng)分析，模擬外部激勵(lì)對(duì)螺桿工作性能的影響。通過(guò)模態(tài)分析，獲知6階固有頻率均避開(kāi)其工作頻率，且通過(guò)諧響應(yīng)分析得到最大總變形量?jī)H1.65×10-2mm，說(shuō)明產(chǎn)品設(shè)計(jì)合理。

壓縮機(jī)；螺桿；固有頻率；諧響應(yīng)分析

1 引言

壓縮機(jī)作為氣體和動(dòng)力提供源，在包裝、輕工機(jī)械行業(yè)應(yīng)用廣泛，螺桿為其關(guān)鍵功能部件，螺桿的工作狀態(tài)穩(wěn)定直接影響壓縮機(jī)輸出氣源的穩(wěn)定。由于螺桿的重要性以及工作狀態(tài)的復(fù)雜性，需保證額定工作轉(zhuǎn)速要遠(yuǎn)離其臨界轉(zhuǎn)速，且已有相關(guān)學(xué)者對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行研究[1-2]。但對(duì)于模擬實(shí)際工作工況，特別是動(dòng)力輸入端的簡(jiǎn)諧力所引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)變形問(wèn)題，卻研究較少。

在CAE分析中，綜合多種軟件平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)，避免單一優(yōu)化軟件在建模、前后處理等方面的不足，能提高CAE分析的效率[3]。本文采用Solid Works建立了螺桿三維模型，進(jìn)而采用HyperMesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在此基礎(chǔ)上將網(wǎng)格模型代入ANSYS Workbench進(jìn)行求解。以確定其固有頻率和振型，并與實(shí)際工作頻率進(jìn)行對(duì)比，避免壓縮機(jī)產(chǎn)生共振。同時(shí)考慮驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸入不平穩(wěn)性，模擬輸入力的變化，進(jìn)行諧響應(yīng)分析，檢驗(yàn)螺桿在復(fù)雜工況下的工作可靠性。

2 幾何模型的建立與網(wǎng)格劃分

螺桿安裝于壓縮機(jī)殼體內(nèi)，在左右軸頸處通過(guò)軸承與殼體裝配，使得螺桿能在殼體內(nèi)繞自身軸線旋轉(zhuǎn)。螺桿的左端為動(dòng)力輸入端，且提供支撐作用而較長(zhǎng)。螺旋面在工作過(guò)程中的變形與振動(dòng)會(huì)影響雙螺桿的配合間隙，從而直接影響壓縮機(jī)的工作性能，因此為螺桿有限元分析的重點(diǎn)區(qū)域。

在螺桿設(shè)計(jì)過(guò)程中，要注意避免使結(jié)構(gòu)固有頻率與外界激勵(lì)頻率相近，否則將發(fā)生共振現(xiàn)象[4-5]，故需建立有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析。

首先要建立其三維模型，通過(guò)在Solid Works中進(jìn)行曲面型線的繪制并沿螺旋母線進(jìn)行掃描，得到螺旋面；再通過(guò)沿著螺桿對(duì)稱中心線建立軸頸和動(dòng)力連接輸入端，完成整體三維模型。在建模過(guò)程中，參考其他學(xué)者的經(jīng)驗(yàn)，忽略對(duì)螺桿模態(tài)分析影響很小的細(xì)節(jié)，如倒角、小孔等[6-9]。網(wǎng)格劃分會(huì)影響模型求解的精確性[10-12]，而HyperMesh為專業(yè)化的有限元前處理軟件，能提高網(wǎng)格劃分速度和質(zhì)量，從而為后續(xù)準(zhǔn)確高效的分析打下基礎(chǔ)。將模型導(dǎo)入HyperMesh進(jìn)行進(jìn)一步網(wǎng)格劃分，圖1為采用HyperMesh劃分得到的有限元模型。材料為結(jié)構(gòu)鋼，密度為7850 kg/m3，彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3。

3 螺桿模態(tài)分析

將得到的有限元模型導(dǎo)入ANSYS Workbench Modal模塊，進(jìn)行零件的模態(tài)分析，需提取和擴(kuò)展的模態(tài)階數(shù)為6。在螺桿模態(tài)分析過(guò)程中，螺桿工作狀態(tài)條件應(yīng)該為邊界條件設(shè)置的參照依據(jù)。邊界的正確設(shè)置直接影響模態(tài)分析的結(jié)果，故應(yīng)該使邊界條件設(shè)置與實(shí)際情況保持一致[13]。故模擬螺桿兩端軸頸與軸承裝配的實(shí)際情況，對(duì)螺桿的兩端軸頸添加圓柱約束（Cylindrical Support），保留螺桿繞中心軸線旋轉(zhuǎn)的自由度。圖2至圖7分別為螺桿的1到6階模態(tài)。

由表1可見(jiàn)，螺桿的第2、3階頻率相近，第4、5階頻率相近，振型也出現(xiàn)正交現(xiàn)象，可將2、3階，4、5階視為重根，而螺桿的工作頻率區(qū)間為[45，100]Hz，均遠(yuǎn)離模態(tài)變形較大區(qū)域。

4 螺桿諧響應(yīng)分析

螺桿的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力來(lái)源于電機(jī)的扭矩，若在安裝過(guò)程中存在同軸度偏差，則相當(dāng)于給螺桿動(dòng)力輸入端施加一個(gè)簡(jiǎn)諧力，位移響應(yīng)對(duì)于了解螺桿的變形較大部位很有必要。由于電機(jī)和螺桿均為旋轉(zhuǎn)部件，故簡(jiǎn)諧力主要存在于X和Z方向。因此在輸入端面上的X和Y方向同時(shí)施加100N的力，初始相位角均設(shè)置為0，采用模態(tài)疊加法進(jìn)行諧響應(yīng)分析[14,15]。圖8為施加的簡(jiǎn)諧力，圖9為所需觀察評(píng)價(jià)的響應(yīng)曲面。

分別觀察響應(yīng)曲面在X、Y、Z 3個(gè)方向的響應(yīng)最大變形量，得到表2。

分析表2中數(shù)據(jù)，可見(jiàn)在常用工作頻率下施加簡(jiǎn)諧力后，螺桿螺旋面變形量較小，不會(huì)使配合間隙發(fā)生較大波動(dòng)，從而也不會(huì)對(duì)工作過(guò)程乃至輸出氣壓照成較大影響[2]，故螺桿設(shè)計(jì)合理。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)將Solid Works建立的模型導(dǎo)入HyperMesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分，保證有限元模型具有良好的計(jì)算精度；

（2）通過(guò)分析螺桿的實(shí)際工作狀態(tài)，施加合理的位移約束，在此基礎(chǔ)上分析了螺桿的前6階模態(tài)，所得到的固有頻率均遠(yuǎn)離螺桿正常工作頻率區(qū)間；

（3）通過(guò)模擬電機(jī)動(dòng)力輸入的波動(dòng)性，施加X(jué)-Z方向的簡(jiǎn)諧力進(jìn)行諧響應(yīng)分析，觀察螺桿螺旋面X、Y、Z 3個(gè)方向的最大總變形量；經(jīng)過(guò)計(jì)算檢驗(yàn)，3個(gè)方向總變形量均較小，故螺桿設(shè)計(jì)合理。

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Research on Dynamic Property for Packaging Screw Compressor Rotor

ZHANG Zheng-wei
(Department of Mechanotronics and Aviation,Zhejiang Institute of Communications,Hangzhou 311112,China)

Solid Works is adopted to establish the model of the screw,and then use HyperMesh to mesh the model,at last this finite model is analyzed in ANSYS Workbench.Simulating the real condition and retaining the freedom rotation degrees around the axis of this screw,it is obtained that the inherent frequency is far away from its all 6 order normal work condition frequency.Based on the above simulation and analysis,harmonic response is analyzed in Workbench by adding the harmonic force simulating the vibration performance impact from the fluctuations motor input power,and the maximum deformation is only 1.65×10-2mm,so the final product design is reasonable.

compressor;screw;natural frequency;harmonic response analysis

TH455

A

1006-2971（2015）06-0027-04

章正偉（1977-），男，浙江金華人，副教授，主要從事CAD/CAM/CAPP/CAE方面的研究。E-mail：zzw@zjvtit.edu.cn

2015-05-05

浙江省教育廳2013年度科研計(jì)劃項(xiàng)目《節(jié)能高效低壓內(nèi)置潤(rùn)滑噴油雙螺桿壓縮主機(jī)的研究》（Y201329722）；2013年度浙江省高職高專院校中青年專業(yè)帶頭人專業(yè)領(lǐng)軍項(xiàng)目（LJ2013018）；2013年浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院新苗人才培養(yǎng)項(xiàng)目