巴和平

（沈陽遠大壓縮機股份有限公司，遼寧沈陽　110027）

曲軸扭振對壓縮機的影響分析

巴和平

（沈陽遠大壓縮機股份有限公司，遼寧沈陽110027）

作為往復式壓縮機關(guān)鍵部件的曲軸，機體中承受著隨時間變化的交變載荷，產(chǎn)生彎曲、扭轉(zhuǎn)以及彎扭組合等各種振動-尤其是扭轉(zhuǎn)振動不僅影響使用壽命，而且直接關(guān)系到機組的安全性和穩(wěn)定性，為此本文通過曲軸扭振特性分析研究，總結(jié)出曲軸產(chǎn)生扭振的主要因素，實現(xiàn)了降低振動烈度25%.優(yōu)化結(jié)構(gòu)的曲軸應用，為降低壓縮機整體振動提供改進依據(jù)。

往復壓縮機扭振分析模態(tài)分析曲軸失效

1　曲軸扭振概述

壓縮機運轉(zhuǎn)時，曲軸系統(tǒng)受到大小和方向呈周期性變化的氣體壓力和運動零件慣性力作用，這些力會使曲軸相對于飛輪發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形而引起扭振，即強制振動。這種振動易在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)產(chǎn)生強烈共振，產(chǎn)生較大噪聲，加劇與曲軸相連齒輪系的磨損，嚴重時會導致曲軸扭斷。軸系扭轉(zhuǎn)振動計算結(jié)果表明：六列以上活塞式壓縮機，由于列數(shù)增多和曲軸增長，曲軸的自由扭轉(zhuǎn)振動頻率降低，有可能處于壓縮機名義轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，導致曲軸因扭轉(zhuǎn)振動而破壞。六列以上的壓縮機扭轉(zhuǎn)振動應力對軸的總安全系數(shù)影響比四列以下曲軸的要大得多，所以，設(shè)計六列以上壓縮機曲軸時，要考慮軸系扭轉(zhuǎn)振動產(chǎn)生的應力。

模態(tài)分析和有限元分析技術(shù)是研究曲軸扭振一種行之有效的工具方法，作為一種“逆問題”分析方法，它是建立在實驗基礎(chǔ)上的，采用實驗與理論相結(jié)合的方法來處理工程中的振動問題。用模態(tài)分析理論通過對試驗導納函數(shù)的曲線擬合，識別出結(jié)構(gòu)物的模態(tài)參數(shù)，從而建立起結(jié)構(gòu)物的模態(tài)模型。根據(jù)模態(tài)疊加原理，在己知各種載荷時間歷程的情況下，就可以預言結(jié)構(gòu)物的實際振動的響應歷程或響應譜。目前的發(fā)展趨勢是把有限元方法和試驗模態(tài)分析技術(shù)有機的結(jié)合起來，取長補短，相得益彰。利用實驗模態(tài)分析結(jié)果檢驗、補充和修正原始有限元動力模型；利用修正后的有限元模型計算結(jié)構(gòu)的動力響應，進行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。

2　曲軸扭轉(zhuǎn)振動分析研究過程

2.1曲軸扭轉(zhuǎn)振動分析步驟

①借助PRO/E參數(shù)化建模功能，按實際尺寸對壓縮機軸系建立物理分析系統(tǒng)模型。

②運用ANSYS有限元分析軟件，計算軸系模型系統(tǒng)的自振特性，即求出系統(tǒng)的固有頻率及相應頻率下的振型和相對振幅。

③對承受重力、旋轉(zhuǎn)離心力、驅(qū)動力矩以及綜合活塞力的壓縮機軸系進行靜力分析，獲得應力和變形等數(shù)據(jù)。

④對作用在各曲拐上的激勵載荷—氣體力和慣性力產(chǎn)生的干擾力矩進行簡諧分析，亦即進行軸系的強迫振動計算，求出共振時的實際振幅和各軸段的扭轉(zhuǎn)振動附加應力。

⑤根據(jù)得出的計算結(jié)果，并結(jié)合材料強度全面評定整個軸系工作的可靠性，是否應采取避振、減振措施，以及應采取何種形式的扭轉(zhuǎn)減振裝置。

2.2曲軸扭轉(zhuǎn)振動分析計算

曲軸軸系扭振系統(tǒng)是由彈性元件、慣性元件、阻尼元件及激振力組成，其振動系統(tǒng)的運動微分方程的表達形式如下：

式中：｛Fi｝一慣性力向量；｛Fd｝一阻尼力向量；｛Fs｝一彈性力向量；｛P（t）｝一動力載荷向量

由上式并將模型簡化為自由的諧振動方程，得到結(jié)構(gòu)的頻率方程為：

采用數(shù)值積分法直接求解出各時刻的位移和應力，通過模態(tài)分析（求特征值和特征向量），再利用振型疊加法，求解結(jié)構(gòu)在動載荷作用下的瞬態(tài)位移或應力，并形成軸系的扭轉(zhuǎn)振動10階模態(tài)分析圖。

3　結(jié)語

通過10階模態(tài)圖分析得出：曲軸軸系的模態(tài)分析可以知道該曲軸軸系的固有頻率和模態(tài)振型，確定出曲軸軸系的共振情況，通過重新規(guī)劃設(shè)計軸系組件結(jié)構(gòu)，確定組件之間的關(guān)聯(lián)措施、研究設(shè)計出有效的避振阻尼結(jié)構(gòu)。最總設(shè)計出優(yōu)化的曲軸結(jié)構(gòu)，通過該優(yōu)化曲軸應用，實現(xiàn)了降低振動烈度25%。

［1］張海峰.大型壓縮機曲軸特性研究［D］.南京理工大學，2005.DOI：10.7666/d.y763115.

［2］余小玲，余賓宴，馮全科.大型活塞壓縮機曲軸振動分析（一）——模態(tài)分析［J］.壓縮機技術(shù)，2011，（2）.

［3］張弘鈞.大型工業(yè)壓縮機曲軸動態(tài)特性分析［D］.南京理工大學，2007.

［4］劉成武.大型壓縮機動力學分析與噪聲預測［D］.南京理工大學，2006.

［5］王曉青，夏水華.曲軸斷裂失效影響因素與影響機制研究［J］.柴油發(fā)動機，2011，（1）：33-37.

［6］王永勝，胡青春.某空氣壓縮機曲軸的靜力優(yōu)化及模態(tài)分析［J］.機械制造，2011，（1）：37-39.

［7］孟慶武，張久龍，魏洪戰(zhàn)等.壓縮機曲軸斷裂失效分析［J］.壓縮機技術(shù)，2009，（3）.