四星型空壓機(jī)曲軸強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算

陸鵬程，梁前超，邵夢(mèng)麟，江文革

（1．海軍工程大學(xué)動(dòng)力學(xué)院，湖北武漢430033；2.中國(guó)人民解放軍第四八一二工廠，安徽安慶246005）

四星型空壓機(jī)曲軸強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算

陸鵬程1，2，梁前超1，邵夢(mèng)麟1，江文革2

（1．海軍工程大學(xué)動(dòng)力學(xué)院，湖北武漢430033；2.中國(guó)人民解放軍第四八一二工廠，安徽安慶246005）

以四星型空壓機(jī)為例，介紹了活塞壓縮機(jī)曲軸強(qiáng)度的計(jì)算方法。采用當(dāng)量應(yīng)力強(qiáng)度理論，根據(jù)一周內(nèi)扭矩變化情況決定計(jì)算截面彎扭合成的負(fù)荷。

曲軸強(qiáng)度；星型空壓機(jī)；當(dāng)量應(yīng)力強(qiáng)度理論；復(fù)合應(yīng)力；折線圖

1　引言

星型無(wú)油空壓機(jī)中的曲軸是該活塞空壓機(jī)中最重要的運(yùn)動(dòng)件。由于其接受電動(dòng)機(jī)以扭矩形式輸入的動(dòng)力，并周期性地承受壓縮氣體帶來(lái)的切向力和法向力，受力復(fù)雜，強(qiáng)度計(jì)算步驟繁瑣，人工計(jì)算僅計(jì)算最大氣體力狀態(tài)的值，計(jì)算精度不高，不能直觀地得出復(fù)合應(yīng)力變化趨勢(shì)。本文采用四星型全無(wú)油空壓機(jī)為實(shí)例，利用Excel軟件功能，直接用于曲軸強(qiáng)度的設(shè)計(jì)計(jì)算，得到的數(shù)據(jù)形成圖表，可方便、直觀、準(zhǔn)確地得出結(jié)果，有利于方案比較及優(yōu)化設(shè)計(jì)。

該機(jī)型某些主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　星型空壓機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2　計(jì)算過(guò)程

2.1結(jié)構(gòu)示意圖及原始數(shù)據(jù)的獲取

本機(jī)型采用常規(guī)的單曲拐、角度式、四列、二級(jí)壓縮方案。主軸組件的動(dòng)平衡采用內(nèi)外平衡的方式消除旋轉(zhuǎn)及往復(fù)慣性力，外平衡重裝在主機(jī)皮帶輪上，內(nèi)平衡重固結(jié)于曲軸本身。曲軸的原始設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。圖中給出了主軸頸、曲柄軸頸、回轉(zhuǎn)半徑等幾何尺寸。根據(jù)動(dòng)平衡計(jì)算書(shū)，得到內(nèi)、外平衡重的離心力為4.4 kN、2.59 kN。

由熱力計(jì)算書(shū)、動(dòng)力計(jì)算書(shū)得到作用在曲柄軸中心處的總切向力T、總法向力R對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)角θ的函數(shù)。圖2給出了其計(jì)算結(jié)果的折線圖。

2.2計(jì)算方法的確立

曲軸強(qiáng)度計(jì)算是指機(jī)械強(qiáng)度和剛度的計(jì)算，機(jī)械強(qiáng)度主要是指靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的計(jì)算，本文不涉及剛度的計(jì)算。一般需進(jìn)行4個(gè)危險(xiǎn)位置時(shí)，主軸頸、曲柄軸頸、曲柄等幾個(gè)危險(xiǎn)截面上應(yīng)力和疲勞強(qiáng)度的計(jì)算。

根據(jù)達(dá)朗伯原理和材料力學(xué)的基本思想，運(yùn)用Excel軟件工具，可將曲軸假想為不旋轉(zhuǎn)，總切向力、總法向力提供了72組數(shù)據(jù)，分別轉(zhuǎn)化到主軸頸A、B處的切向力和法向力，如圖1所示。圖中示出了驅(qū)動(dòng)力矩Md、總切向力T、總法向力R、軸承座端A切向力TA、法向力RA，軸承蓋端B切向力TB、法向力RB正方向。

圖1　曲軸受力及危險(xiǎn)截面圖

圖2　總切向力、總法向力折線圖

2.3計(jì)算過(guò)程

2.3.1靜強(qiáng)度的計(jì)算

作用在曲軸段上的力，由總切向力T、總法向力R、內(nèi)外平衡重旋轉(zhuǎn)質(zhì)量離心力Ir2、Ir1，軸承支反力TA、RA，TB、RB組成。此外在功率輸入側(cè)有扭矩Md傳入，末端無(wú)扭矩傳出。

根據(jù)圖1所示結(jié)構(gòu)尺寸，可寫(xiě)出軸承支反力的大小。

扭轉(zhuǎn)力矩Md=Tr

一般計(jì)算驅(qū)動(dòng)側(cè)主軸頸截面、曲柄軸頸截面、曲柄截面這3個(gè)截面上應(yīng)力大小，為全面了解曲軸各處應(yīng)力大小和計(jì)算方便起見(jiàn)，本文列舉出圖1所示Ⅰ～Ⅴ共5個(gè)截面應(yīng)力的具體計(jì)算過(guò)程，見(jiàn)表2，表3。

復(fù)合應(yīng)力的計(jì)算并沒(méi)有按材料力學(xué)中第三強(qiáng)度理論，即最大切應(yīng)力理論進(jìn)行計(jì)算的，而是按當(dāng)量應(yīng)力理論進(jìn)行計(jì)算的。

式中Me——當(dāng)量彎矩

α——根據(jù)轉(zhuǎn)矩性質(zhì)而定的折合系數(shù)

由圖1切向力曲線知，轉(zhuǎn)矩呈脈動(dòng)變化，α≈ 0.6，當(dāng)量彎矩，所以這里計(jì)算復(fù)合應(yīng)力公式按表2、表3所示。

2.3.2疲勞強(qiáng)度的計(jì)算

疲勞強(qiáng)度的計(jì)算僅計(jì)算截面Ⅰ～Ⅳ，其主要計(jì)算公式與取值如下，見(jiàn)表4。

表2　主軸頸、曲柄軸頸截面應(yīng)力計(jì)算公式

表3　曲柄截面應(yīng)力計(jì)算公式

表4　疲勞強(qiáng)度計(jì)算公式

表5　程序最終計(jì)算結(jié)果

2.3.3Excel程序計(jì)算界面

根據(jù)以上提供的原始數(shù)據(jù)和相關(guān)公式，依曲柄轉(zhuǎn)角θ在0～360°范圍內(nèi)取步長(zhǎng)5°來(lái)計(jì)算。

2.4計(jì)算結(jié)果

表5所示，截面Ⅰ～Ⅳ上的應(yīng)力在一轉(zhuǎn)范圍內(nèi)的變化，給出了其應(yīng)力折線圖，如圖3所示。

圖3　各應(yīng)力截面隨轉(zhuǎn)角變化折線圖

3　結(jié)論

利用Excel軟件進(jìn)行四星型空壓機(jī)曲軸強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，發(fā)現(xiàn)：

（1）從曲軸動(dòng)力輸入端開(kāi)始，順Ⅰ～Ⅴ方向，得到復(fù)合應(yīng)力大致呈先升后降的變化。在截面Ⅱ-Ⅱ附近達(dá)到最大值。因各截面之間外表樣條呈連續(xù)變化，可以相信該曲軸強(qiáng)度有保證。不過(guò)在鑄造時(shí)，一定要保證此處不得有疏松、夾渣及材質(zhì)不均勻等鑄造缺陷。

（2）本文采用了當(dāng)量應(yīng)力理論進(jìn)行計(jì)算和校核的，較傳統(tǒng)采用第三強(qiáng)度理論來(lái)計(jì)算是一次大膽的創(chuàng)新。

（3）星型結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)W型結(jié)構(gòu)空壓機(jī)，均化了曲軸一周內(nèi)的負(fù)荷，提高了機(jī)器的效率、降低機(jī)器的比體積、比重量。

［1］陳永江.容積式壓縮機(jī)原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.西安：西安交通大學(xué)出版，1985，253-263.

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LU Peng-cheng1，2，LIANG Qian-chao1，SHAO Meng-lin1，JIANG Wen-ge2
（1.College of Power，Naval Engineering University，Wuhan 430033，China；2.NO.4812 Factory of People′s Liberation Army，Anqing 246005，China）

Set the four-star-type air compressor as an example，the method of calculating piston compressor crankshaft strength is introduced in the paper.The equivalent stress intensity theory is used to decide the calculation of the synthetic cross-section of bending and torsion loads according to torque changes within a week.

crankshaft strength；star-shaped air compressor；the equivalent stress intensity theory；combined stress；line chart

TH45

B

1006-2971（2015）02-0036-03

陸鵬程，男，安徽桐城人，高級(jí)工程師，從事壓縮機(jī)強(qiáng)度研究工作。E-mail：4812lpc@163.com

2014-11-07

Design and Calculation for Four-star-type Air Compressor Crankshaft Strength