裂紋位置對往復(fù)壓縮機(jī)連桿的影響

程壽國

摘要：為了研究往復(fù)壓縮機(jī)連桿出現(xiàn)裂紋故障對其的影響，本文運(yùn)用有限元仿真的方法，對含不同位置裂紋的連桿進(jìn)行模態(tài)分析。仿真結(jié)果表明，當(dāng)裂紋深度5mm時(shí)，裂紋對連桿的模態(tài)頻率、橫向位移影響很小，對米塞斯應(yīng)力影響較大。

Abstract： In order to study the influence of reciprocating compressor connecting rod crack fault on it， this paper uses the finite element simulation method to carry out modal analysis of connecting rod with different cracks. The simulation results show that when the crack depth is 5mm， the crack has little influence on the modal frequency and lateral displacement of the connecting rod， but has great influence on the VonMises stress.

關(guān)鍵詞：裂紋;往復(fù)壓縮機(jī);連桿;模態(tài)分析

Key words： crack;reciprocating compressor;connecting rod;modal analysis

中圖分類號：TB652? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A  ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）18-0139-02

0? 引言

往復(fù)壓縮機(jī)在石油化工等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，其運(yùn)動(dòng)零部件曲軸、連桿等在工作循環(huán)中收到往復(fù)的交變力作用，長時(shí)間工作極易出現(xiàn)裂紋和磨損間隙過大而發(fā)生碰撞劇烈等故障。王炯[1]利用ABAQUS軟件模擬了脹斷加工過程裂紋的位置及擴(kuò)展。蔡強(qiáng)等用ANSYS軟件和臨界面法等多種方法預(yù)測裂紋可能出現(xiàn)的位置[2]。楊青天[3]主要用有限元分析研究裂紋槽深度與裂解力的關(guān)系。劉亞峰等同樣利用有限元力學(xué)分析方法計(jì)算了發(fā)動(dòng)機(jī)連桿在各種工況下可能測點(diǎn)的應(yīng)力最大值[4]。微小裂紋在旋轉(zhuǎn)的連桿上是不容易發(fā)現(xiàn)的，本文用有限元分析法分析裂紋分別位于連桿上、下端時(shí)的變化。

1? 連桿裂紋的位置及有限元仿真分析

連桿的大小頭瓦中心孔軸線距離是600mm，兩個(gè)裂紋深度5mm，寬度8mm，第一種情況裂紋位于連桿上端面，第二種情況裂紋位于連桿的下端面，裂紋槽中心線距離連桿大頭端200mm，距離連桿小頭端中心400mm。分析時(shí)采用SIMDESIGNER軟件，該軟件集成了CATIA軟件和ADAMS軟件，可以直接CATIA軟件平臺下建模，ADAMS軟件里的動(dòng)力學(xué)仿真工具直接可以調(diào)用，真正做到無縫連接。并且在動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算時(shí)可以調(diào)用NASTRAN求解器和MARC求解器，進(jìn)行非線性求解計(jì)算。本文利用catia軟件建模后，對滑塊（活塞）施加氣體力，對每一個(gè)連接（joint）進(jìn)行設(shè)置，對曲柄（曲軸）進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。其中，曲柄一端與電機(jī)連接，與大地設(shè)置為旋轉(zhuǎn)副，曲柄另一端與連桿連接，也設(shè)置為旋轉(zhuǎn)副;連桿另一端與十字頭銷連接，設(shè)置為旋轉(zhuǎn)副;十字頭與活塞桿設(shè)計(jì)為一體化零件，十字頭與滑軌設(shè)置為移動(dòng)副，在這里忽略摩擦力和間隙碰撞對往復(fù)壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)的影響。在導(dǎo)入到設(shè)計(jì)分析模塊前設(shè)置好連桿的材料，在定義時(shí)連桿兩端的兩個(gè)連接（Joints）作為Loads，然后導(dǎo)入到分析模塊進(jìn)行分析。圖1是裂紋在連桿上端面時(shí)的變形網(wǎng)格，相對于連桿長度裂紋的寬度較小，圖上裂紋不容易看到。

2? 裂紋位置對連桿模態(tài)頻率的影響

第一種情況是裂紋在上端面，分析的模態(tài)頻率分別是：第一階模態(tài)頻率233.23Hz，第二階模態(tài)頻率410.497Hz，第三階模態(tài)頻率640.383Hz，第四階模態(tài)頻率1094.44Hz。第二種情況是裂紋在下端面，分析的模態(tài)頻率分別是：第一階模態(tài)頻率233.054Hz，第二階模態(tài)頻率410.979Hz，第三階模態(tài)頻率640.363Hz，第四階模態(tài)頻率1097.98Hz?？梢钥闯隽鸭y位置對連桿的前四階模態(tài)頻率影響很小。

3? 裂紋位置對連桿橫向變形的影響

圖2是第一種情況下前四階頻率對應(yīng)的變形。圖3是第二種情況下前四階頻率對應(yīng)的變形。分別對比圖2和圖3，從顏色分布很難區(qū)分，從數(shù)值分析結(jié)果可以得知兩種情況下各階頻率對應(yīng)的最大變形基本相同（精確到0.01mm），最小變形略有不同。

4? 裂紋位置對連桿米塞斯應(yīng)力的影響

圖4是第一種情況下前四階頻率對應(yīng)的應(yīng)力云圖。圖5是第二種情況下前四階頻率對應(yīng)的應(yīng)力云圖。233.23Hz對應(yīng)的米塞斯應(yīng)力最大值為8.14×1010N/m2，233.054Hz對應(yīng)的米塞斯應(yīng)力最大值為9.11×1010N/m2，其他模態(tài)頻率對應(yīng)的米塞斯應(yīng)力數(shù)值上相差均很大。

5? 結(jié)論

本文對含有不同位置的裂紋進(jìn)行了有限元仿真分析，該方法是研究含裂紋構(gòu)件目前應(yīng)用最多的方法，從仿真結(jié)果可以看出，比較小的裂紋對連桿的模態(tài)頻率和橫向變形影響較小，對米塞斯應(yīng)力影響較大。

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