曲軸扭振對(duì)壓縮機(jī)的影響分析

巴和平

【摘 要】作為往復(fù)式壓縮機(jī)關(guān)鍵部件的曲軸，機(jī)體中承受著隨時(shí)間變化的交變載荷，產(chǎn)生彎曲、扭轉(zhuǎn)以及彎扭組合等各種振動(dòng)-尤其是扭轉(zhuǎn)振動(dòng)不僅影響使用壽命，而且直接關(guān)系到機(jī)組的安全性和穩(wěn)定性，為此本文通過曲軸扭振特性分析研究，總結(jié)出曲軸產(chǎn)生扭振的主要因素，實(shí)現(xiàn)了降低振動(dòng)烈度25%.優(yōu)化結(jié)構(gòu)的曲軸應(yīng)用，為降低壓縮機(jī)整體振動(dòng)提供改進(jìn)依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】往復(fù)壓縮機(jī) 扭振分析 模態(tài)分析 曲軸失效

1 曲軸扭振概述

壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，曲軸系統(tǒng)受到大小和方向呈周期性變化的氣體壓力和運(yùn)動(dòng)零件慣性力作用，這些力會(huì)使曲軸相對(duì)于飛輪發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形而引起扭振，即強(qiáng)制振動(dòng)。這種振動(dòng)易在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈共振，產(chǎn)生較大噪聲，加劇與曲軸相連齒輪系的磨損，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致曲軸扭斷。軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)計(jì)算結(jié)果表明：六列以上活塞式壓縮機(jī)，由于列數(shù)增多和曲軸增長，曲軸的自由扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率降低，有可能處于壓縮機(jī)名義轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，導(dǎo)致曲軸因扭轉(zhuǎn)振動(dòng)而破壞。六列以上的壓縮機(jī)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)應(yīng)力對(duì)軸的總安全系數(shù)影響比四列以下曲軸的要大得多，所以，設(shè)計(jì)六列以上壓縮機(jī)曲軸時(shí)，要考慮軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力。

模態(tài)分析和有限元分析技術(shù)是研究曲軸扭振一種行之有效的工具方法，作為一種“逆問題”分析方法，它是建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的，采用實(shí)驗(yàn)與理論相結(jié)合的方法來處理工程中的振動(dòng)問題。用模態(tài)分析理論通過對(duì)試驗(yàn)導(dǎo)納函數(shù)的曲線擬合，識(shí)別出結(jié)構(gòu)物的模態(tài)參數(shù)，從而建立起結(jié)構(gòu)物的模態(tài)模型。根據(jù)模態(tài)疊加原理，在己知各種載荷時(shí)間歷程的情況下，就可以預(yù)言結(jié)構(gòu)物的實(shí)際振動(dòng)的響應(yīng)歷程或響應(yīng)譜。目前的發(fā)展趨勢是把有限元方法和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析技術(shù)有機(jī)的結(jié)合起來，取長補(bǔ)短，相得益彰。利用實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)果檢驗(yàn)、補(bǔ)充和修正原始有限元?jiǎng)恿δＰ停焕眯拚蟮挠邢拊Ｐ陀?jì)算結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 曲軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)分析研究過程

2.1曲軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)分析步驟

①借助PRO/E參數(shù)化建模功能，按實(shí)際尺寸對(duì)壓縮機(jī)軸系建立物理分析系統(tǒng)模型。

②運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件，計(jì)算軸系模型系統(tǒng)的自振特性，即求出系統(tǒng)的固有頻率及相應(yīng)頻率下的振型和相對(duì)振幅。

③對(duì)承受重力、旋轉(zhuǎn)離心力、驅(qū)動(dòng)力矩以及綜合活塞力的壓縮機(jī)軸系進(jìn)行靜力分析，獲得應(yīng)力和變形等數(shù)據(jù)。

④對(duì)作用在各曲拐上的激勵(lì)載荷—?dú)怏w力和慣性力產(chǎn)生的干擾力矩進(jìn)行簡諧分析，亦即進(jìn)行軸系的強(qiáng)迫振動(dòng)計(jì)算，求出共振時(shí)的實(shí)際振幅和各軸段的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)附加應(yīng)力。

⑤根據(jù)得出的計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合材料強(qiáng)度全面評(píng)定整個(gè)軸系工作的可靠性，是否應(yīng)采取避振、減振措施，以及應(yīng)采取何種形式的扭轉(zhuǎn)減振裝置。

2.2曲軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)分析計(jì)算

曲軸軸系扭振系統(tǒng)是由彈性元件、慣性元件、阻尼元件及激振力組成，其振動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程的表達(dá)形式如下：

（2.1）

式中：{Fi}一慣性力向量；{Fd}一阻尼力向量；{Fs}一彈性力向量；{P（t）}一動(dòng)力載荷向量

由上式并將模型簡化為自由的諧振動(dòng)方程，得到結(jié)構(gòu)的頻率方程為：

（2.6）

采用數(shù)值積分法直接求解出各時(shí)刻的位移和應(yīng)力，通過模態(tài)分析（求特征值和特征向量），再利用振型疊加法，求解結(jié)構(gòu)在動(dòng)載荷作用下的瞬態(tài)位移或應(yīng)力，并形成軸系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)10階模態(tài)分析圖。

3 結(jié)語

通過10階模態(tài)圖分析得出：曲軸軸系的模態(tài)分析可以知道該曲軸軸系的固有頻率和模態(tài)振型，確定出曲軸軸系的共振情況，通過重新規(guī)劃設(shè)計(jì)軸系組件結(jié)構(gòu)，確定組件之間的關(guān)聯(lián)措施、研究設(shè)計(jì)出有效的避振阻尼結(jié)構(gòu)。最總設(shè)計(jì)出優(yōu)化的曲軸結(jié)構(gòu)，通過該優(yōu)化曲軸應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了降低振動(dòng)烈度25%。

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