含曲軸裂紋的往復(fù)壓縮機(jī)十字頭對(duì)機(jī)體的作用力分析

程壽國(guó)

摘 要：為了研究往復(fù)壓縮機(jī)曲軸出現(xiàn)裂紋后十字頭對(duì)機(jī)體作用力的變化規(guī)律，建立了往復(fù)壓縮機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真模型，通過對(duì)曲柄中間位置開一個(gè)2mm寬的槽模擬開裂紋，對(duì)曲軸順、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)有無裂紋兩種條件的往復(fù)壓縮機(jī)進(jìn)行剛?cè)狁詈戏治?，?duì)比分析了十字頭對(duì)機(jī)體作用力變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：曲軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)無裂紋條件下作用力的峰值大于有裂紋條件下作用力的峰值，曲軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)無裂紋條件下作用力的峰值小于有裂紋條件下作用力的峰值。

關(guān)鍵詞：裂紋 曲軸 往復(fù)壓縮機(jī) 剛?cè)狁詈?/p>

1 引言

往復(fù)壓縮機(jī)是石油石化行業(yè)最重要的生產(chǎn)設(shè)備之一。曲軸是往復(fù)壓縮機(jī)中動(dòng)力傳遞的重要零件，長(zhǎng)期工作在扭轉(zhuǎn)、拉壓等交變力的作用下。裂紋是曲軸發(fā)生故障的最危險(xiǎn)、最頻繁的故障之一。由于曲軸工作在密閉的箱體之中，出現(xiàn)裂紋的曲軸早期狀態(tài)變化不明顯，曲軸裂紋很難被發(fā)現(xiàn)。這給往復(fù)壓縮機(jī)安全運(yùn)行埋下了安全隱患。文獻(xiàn)1分析了曲軸的力學(xué)性能并建立了曲軸有無裂紋的安全評(píng)價(jià)和剩余壽命的評(píng)價(jià)模型。文獻(xiàn)2分析了曲軸開裂的原因，通過調(diào)整軸系固有頻率的方法消減了開裂的概率。本文通過剛?cè)狁詈戏治龅姆椒ㄑ芯壳S有無裂紋時(shí)十字頭處作用力的變化規(guī)律。

2 往復(fù)壓縮機(jī)模型簡(jiǎn)介

本文對(duì)某型號(hào)壓縮機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)化，圖1為考慮曲軸柔性的往復(fù)壓縮機(jī)示意圖。十字頭移動(dòng)的方向與X軸方向平行。OB為簡(jiǎn)化的柔性曲柄，視曲軸為柔性體時(shí)，在工作中曲軸發(fā)生一定的變形。當(dāng)曲柄中間開一個(gè)槽后（模擬裂紋）曲柄的變形變大，受力足夠大或者槽較深時(shí)曲柄折斷。簡(jiǎn)化后的曲軸三維圖形見圖2。往復(fù)壓縮機(jī)的主要參數(shù)與文獻(xiàn)3中參數(shù)一致。

3 剛?cè)狁詈戏抡婕敖Y(jié)果分析

將簡(jiǎn)化后的壓縮機(jī)三維模型在CATIA軟件中建模，利用SIMDESIGNER軟件直接調(diào)用模型文件，分別建立曲軸有無裂紋的柔性體文件，調(diào)用NASTRAN求解器求解，在仿真前激活柔性體文件。分析十字頭與滑軌之間移動(dòng)副所受的力，即為十字頭對(duì)機(jī)體的作用力。

3.1 曲軸順逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)X軸方向力的變化規(guī)律

圖3為曲軸順逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)X方向的作用力變化圖。從圖3（a）中可以看出順時(shí)針旋轉(zhuǎn)無裂紋剛?cè)狁詈戏抡鏁r(shí)峰值大于有裂紋時(shí)的峰值。有裂紋時(shí)在曲軸旋轉(zhuǎn)到139°左右時(shí)出現(xiàn)很大的波動(dòng)且波動(dòng)是“周期”存在的。從圖3（b）中可以看出逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)有裂紋剛?cè)狁詈戏抡鏁r(shí)峰值大于無裂紋時(shí)的峰值。逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)波動(dòng)范圍與順時(shí)針旋轉(zhuǎn)波動(dòng)范圍類似。

3.2 圖4曲軸順逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)Y方向的作用力變化圖

圖4為曲軸順逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)Y方向的作用力變化圖。從圖4（a）中可以看出順時(shí)針旋轉(zhuǎn)無裂紋剛?cè)狁詈戏抡鏁r(shí)峰值大于有裂紋時(shí)的峰值。有裂紋時(shí)在曲軸旋轉(zhuǎn)到138°左右時(shí)出現(xiàn)很大的波動(dòng)且波動(dòng)是“周期”存在的。從圖4（b）中可以看出逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)有裂紋剛?cè)狁詈戏抡鏁r(shí)峰值大于無裂紋時(shí)的峰值。逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)波動(dòng)范圍與順時(shí)針旋轉(zhuǎn)波動(dòng)范圍類似。

綜合圖3和圖4的圖上信息，曲軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，X方向、Y方向的作用力無裂紋時(shí)的峰值大于有裂紋時(shí)峰值。曲軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，X方向、Y方向的作用力無裂紋時(shí)的峰值小于有裂紋時(shí)峰值。

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用動(dòng)力學(xué)仿真軟件進(jìn)行含裂紋曲軸的往復(fù)壓縮機(jī)的剛?cè)狁詈戏治觯軌蛴?jì)算出十字頭對(duì)機(jī)體的作用力，并分析了曲軸轉(zhuǎn)向?qū)ψ饔昧Φ挠绊?。本文的研究為含裂紋故障的往復(fù)壓縮機(jī)故障診斷提供參考。

基金項(xiàng)目：江蘇高校青藍(lán)工程資助（蘇教師[2019]3號(hào)）;江蘇省高等學(xué)校自然科學(xué)基金（20KJB530008）;江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級(jí)課題（XJ2019LG004）。

參考文獻(xiàn)：

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