雙螺桿式空氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的振動(dòng)特性研究

吳智慧，陳鵬，杜祖超

（武昌首義學(xué)院機(jī)電與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武昌 430064）

前言

隨著機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的多元化發(fā)展，螺桿式壓縮機(jī)分為單螺桿式和雙螺桿式，由于現(xiàn)在工程設(shè)備的高效率，低噪聲，低能耗要求，雙螺桿式壓縮機(jī)運(yùn)用得越來越廣泛，轉(zhuǎn)子平行裝配在壓縮機(jī)主機(jī)的腔體內(nèi)，變換不同區(qū)間壓力值，實(shí)現(xiàn)氣體的壓縮功能。陰陽轉(zhuǎn)子是空氣壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)件中主要的組成部分，轉(zhuǎn)子是否產(chǎn)生共振現(xiàn)象決定了結(jié)構(gòu)運(yùn)行是否穩(wěn)定。本文運(yùn)用了Pro/E軟件研究了雙螺桿式空氣壓縮機(jī)陰轉(zhuǎn)子的動(dòng)態(tài)特性，并對(duì)該固有特性進(jìn)行了分析研究。

1 壓縮機(jī)陰陽轉(zhuǎn)子嚙合特性

本文轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中陽螺桿采用右旋螺旋結(jié)構(gòu)，齒數(shù)為 4，螺桿長(zhǎng)度為135mm。陰螺桿采用左旋螺旋結(jié)構(gòu)，齒數(shù)為6，螺桿長(zhǎng)度為135mm，陰陽螺桿相互嚙合運(yùn)動(dòng)。

圖1 陰陽轉(zhuǎn)子嚙合傳動(dòng)圖

2 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子模態(tài)分析

模態(tài)分析主要計(jì)算機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有頻率，機(jī)械結(jié)構(gòu)不同的振動(dòng)形式，對(duì)應(yīng)一定的頻率值。求得頻率后，通過改變機(jī)構(gòu)振動(dòng)方式避免結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率和基本頻率相等或者相近，避免共振。

運(yùn)用Pro/E軟件建立陰轉(zhuǎn)子的三維模型，選擇模態(tài)分析模塊，對(duì)模型進(jìn)行材料的定義，網(wǎng)格的劃分，其中網(wǎng)格模型的節(jié)點(diǎn)為34506個(gè)，單元為19776個(gè)，約束條件的建立，最后求解得到陰轉(zhuǎn)子的前六階振動(dòng)頻率。并通過前六階頻率與陽轉(zhuǎn)子的基頻進(jìn)行對(duì)比，找出產(chǎn)生噪聲的原因，確定共振的區(qū)域，避免該區(qū)域，優(yōu)化轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)。

圖2 陰轉(zhuǎn)子的三維模型

圖3 陰轉(zhuǎn)子的網(wǎng)格模型

本文轉(zhuǎn)子的密度為7.88g/cm3，彈性模量為206Gpa，泊松比為0.3，其模態(tài)分析結(jié)果如下表：

表1 前六階頻率

如圖所示，一階頻率時(shí)轉(zhuǎn)子繞著軸心轉(zhuǎn)動(dòng)，二階和三階頻率時(shí)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)三個(gè)方向的彎曲，四階和五階頻率時(shí)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)，六階頻率時(shí)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)擺動(dòng)現(xiàn)象。

根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可以算出陽轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)周期為1/34s，那么轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率為34Hz，陰轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率通過模態(tài)分析遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陽轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，所以陰陽轉(zhuǎn)子不可能存在共振現(xiàn)象，運(yùn)動(dòng)過程中穩(wěn)定性較好。

圖4 一階模態(tài)振型

圖5 二階模態(tài)振型

圖6 三階模態(tài)振型

圖7 四階模態(tài)振型

圖8 五階模態(tài)振型

圖9 六階模態(tài)振型

3 結(jié)論

通過對(duì)空氣壓縮機(jī)的陰轉(zhuǎn)子進(jìn)行模態(tài)分析，得出轉(zhuǎn)子的前六階固有頻率，并與陽轉(zhuǎn)子的基頻進(jìn)行比較，判定空氣壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)是否能穩(wěn)定運(yùn)行，避免轉(zhuǎn)子共振產(chǎn)生噪聲和機(jī)械磨損，本文的模態(tài)分析為提高雙螺桿式空氣壓縮機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性提供了理論依據(jù)。