螺桿壓縮機(jī)底座的固有頻率分析

張占義

（新鄉(xiāng)航空工業(yè)集團(tuán)，河南 新鄉(xiāng)453000）

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螺桿壓縮機(jī)底座的固有頻率分析

張占義

（新鄉(xiāng)航空工業(yè)集團(tuán)，河南 新鄉(xiāng)453000）

摘要：運(yùn)用SolidWorks軟件建立某固定式壓縮機(jī)底座三維實(shí)體模型，通過(guò)simulation分析插件建立有限元模型，進(jìn)行了底座固有頻率分析，得出相應(yīng)的振型和頻率值，同時(shí)與激勵(lì)頻率值作對(duì)比，看是否會(huì)因?yàn)榈鬃膭偠葐?wèn)題而引起共振。為類似問(wèn)題的解決提供一種有效的判定方法。

關(guān)鍵詞:壓縮機(jī)底座；有限元；固有頻率

為了研究某型號(hào)固定式壓縮機(jī)底座的剛度特性，驗(yàn)證樣機(jī)底座是否會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象，決定采取有限元的方法對(duì)底座進(jìn)行固有頻率分析。盡管有限元分析的方法很多，但是還沒(méi)有人運(yùn)用SolidWorks軟件的插件simulation對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行分析。首先，采用SolidWorks軟件對(duì)研究對(duì)象建立三維實(shí)體模型，得出的分析圖形可以很好地反映底座的相對(duì)變形趨勢(shì)。當(dāng)壓縮機(jī)的激勵(lì)頻率與車架的固有頻率接近或相等時(shí)會(huì)發(fā)生共振，共振現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，會(huì)使振動(dòng)的頻率加倍，從而極大地影響機(jī)械壽命，加速疲勞損害，所以研究底座的的固有頻率特性很有必要。

1　底座建模

在進(jìn)行有限元分析之前，需要參照樣機(jī)用Solid－Works軟件對(duì)底座進(jìn)行建模，通過(guò)三維軟件建立模型。為得到能夠進(jìn)行分析的理想化模型，需要對(duì)原型進(jìn)行特征消隱，理想化或消除的方法[1]。簡(jiǎn)化處理后的模型幾乎不影響分析的結(jié)果，同時(shí)也可以縮短分析運(yùn)算的時(shí)間。處理后形成的數(shù)學(xué)模型如圖1所示。

圖1　底座三維模型

2　底座模態(tài)分析

模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)，它主要計(jì)算模型的固有頻率和固有振型[2]。固定機(jī)底座由底板、四周槽鋼和中間交錯(cuò)的橫板組成。首先，定義頻率分析的屬性，將頻率值設(shè)為20.將底座定義用軟彈簧進(jìn)行穩(wěn)定，不兼容網(wǎng)格形式選擇自動(dòng)接合，解算器定義為自動(dòng)模式，運(yùn)算時(shí)根據(jù)結(jié)構(gòu)自行調(diào)整。對(duì)底座的材料屬性進(jìn)行界定，底座所用材料為普通碳鋼，彈性模量為2.1×105 MPa，泊松比為0.28，材料密度為7 800 kg/m3，屈服強(qiáng)度為220.59 MPa.

此固定機(jī)的底座由很多薄板件組成，薄板件采用殼單元進(jìn)行劃分，殼單元?jiǎng)澐值脑瓌t是每塊面板的表面尺寸不能低于其厚度的10倍；像安裝架等尺寸較小的連接件，使用實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。所以，從整體的底座結(jié)構(gòu)考慮，底座采用殼單元與實(shí)體單元混合的方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在兩種不同單元連接處，保證節(jié)點(diǎn)的連接正確，避免產(chǎn)生應(yīng)力奇異現(xiàn)象。上圖中的數(shù)學(xué)模型經(jīng)過(guò)離散化處理后形成的有限元模型如圖2所示。

圖2　底座的有限元模型

與前面的方法類似，由于頻率數(shù)過(guò)于龐大全部分析不可能，所以同樣也選取前20個(gè)頻率數(shù)進(jìn)行分析比較，得出的頻率值如表1所示。

表1　固定機(jī)底座前20階頻率值

從表中可以看出，其中前7階頻率值變化明顯；第8階到第11階頻率值穩(wěn)定，可任選一階代表性說(shuō)明；第12階至第17階頻率值波動(dòng)又較明顯；第17階以后的又趨于穩(wěn)定，可以不予考慮。由于篇幅限制，僅將5、6、7和9階的振型表示如圖3所示。

圖3　底座模態(tài)分析振型

從以上各圖中可以總結(jié)出以下內(nèi)容：振型圖反映出的共同點(diǎn)是，底板的剛度不夠，在振動(dòng)的沖擊下可能會(huì)產(chǎn)生較大的變形量；同時(shí)反映出裝水分離器的右上端處是構(gòu)件的薄弱環(huán)節(jié)，左下角裝油氣分離器的部位也是薄弱環(huán)節(jié)，都有待加強(qiáng)。

3　對(duì)比分析

發(fā)動(dòng)機(jī)的激振頻率[3]可由下述公式計(jì)算。

其中，n為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）；2是點(diǎn)火的缸數(shù)。

此固定式螺桿機(jī)的轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，產(chǎn)生的激振頻率為60 Hz，理論上激振頻率的0.8～1.2范圍[4]內(nèi)為共振區(qū)即48～72 Hz為共振區(qū)，從表中的數(shù)據(jù)可以得知，第6-12階頻率落在了共振區(qū)的范圍內(nèi)，由此可以斷定樣機(jī)底座的設(shè)計(jì)在正常工作狀態(tài)下會(huì)引起共振，需要對(duì)其剛度進(jìn)行加強(qiáng)。通過(guò)這樣的對(duì)比，可以快速的判定是否有共振的可能。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)固定式壓縮機(jī)底座進(jìn)行頻率分析，快速判斷出了底座是否會(huì)發(fā)生共振。從以上有限元分析的結(jié)果可以看出，通過(guò)軟件途徑能夠分清在什么樣的激振力下會(huì)激發(fā)什么樣的振動(dòng)，利用分析所得到的參數(shù)，修改有限元模型使這些固有頻率離開外激振力的頻率可以避免發(fā)生共振，可以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上快速作出調(diào)整，提出底座結(jié)構(gòu)的動(dòng)力修改重構(gòu)方案，為壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)縮短時(shí)間[5]。此方法可以為類似結(jié)構(gòu)剛度的判定提供了一種有效的方法，對(duì)設(shè)計(jì)有很大的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

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[3]鄔昭平.登高平臺(tái)消防車臂架靜、動(dòng)力學(xué)分析[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2008.

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中圖分類號(hào)：TH4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-545X（2016）04-0167-02

收稿日期：2016-01-06

作者簡(jiǎn)介：張占義（1965-），男，河南省平頂山郟人，主任設(shè)計(jì)師，研究方向：養(yǎng)護(hù)機(jī)械﹑空氣壓縮機(jī)械及航空工業(yè)精密機(jī)械等。

The Inherent Frequency Analysis of Base of Screw Compressor

ZHANG Zhan-yi
（Xinxiang Aviation Industry Group，Xinxiang Henan 453000，China）

Abstract:Using SolidWorks software to set up three-dimensional entity model for a stationary compressor base.The finite element model is established through the simulation analysis plugin.Base of natural frequency analysis，it is concluded that the vibration mode and frequency of the corresponding values，andcompared with excitation frequency at the same time.It will look for the base stiffness problem caused by the resonance or not.It provides a new method of judgement for the similar problem.

Key words：compressor base；finite element；inherent frequency