胡余生，徐　嘉，任麗萍

（國(guó)家節(jié)能環(huán)保制冷設(shè)備工程技術(shù)研究中心，廣東珠海 519070）

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轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)軸承載荷計(jì)算方法研究

胡余生*，徐嘉，任麗萍

（國(guó)家節(jié)能環(huán)保制冷設(shè)備工程技術(shù)研究中心，廣東珠海 519070）

[摘 要]本文針對(duì)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)中影響軸承性能和可靠性重要參數(shù)之一的載荷進(jìn)行了理論計(jì)算和有限元計(jì)算方法的對(duì)比研究。在不同工況下，采用理論計(jì)算和有限元計(jì)算得到的載荷值趨勢(shì)具有很高的吻合度。本文用有限元方法和試驗(yàn)分析了上軸承有柔性槽和無柔性槽方案對(duì)壓縮機(jī)磨損和性能的影響。分析結(jié)果顯示，在工況一定的情況下，無柔性槽軸承方案磨損更嚴(yán)重，且性能較有柔性槽方案差。

[關(guān)鍵詞]載荷；軸承；轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)；有限元；柔性槽

*胡余生（1978-），男，高級(jí)工程師，碩士。研究方向：空調(diào)壓縮機(jī)及制冷系統(tǒng)。聯(lián)系地址：廣東省珠海市香洲區(qū)前山金雞西路789號(hào)，郵編：519070。聯(lián)系電話：0756-8669369。E-mail：dewtutg@163.com。

0 引言

高效和高可靠性是目前轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)研究發(fā)展的重點(diǎn)，而軸承系統(tǒng)設(shè)計(jì)是轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)設(shè)計(jì)的核心和難點(diǎn)。在研究壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)可靠性問題時(shí)，越來越多的研究人員使用有限元方法來分析和解決問題。文獻(xiàn)[1]利用有限元方法對(duì)單齒轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)工作過程中轉(zhuǎn)子的力、熱變形進(jìn)行了計(jì)算。文獻(xiàn)[2]通過使用ANSYS有限元軟件對(duì)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)中的運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行了強(qiáng)度分析載荷，并結(jié)合試驗(yàn)對(duì)相應(yīng)部件進(jìn)行了有效改進(jìn)措施，而文獻(xiàn)[3]結(jié)合workbench對(duì)空氣源熱泵熱水器的管路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[4]和[5]通過有限元的模態(tài)分析，為壓縮機(jī)運(yùn)行過程的振動(dòng)與噪聲的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了可靠的理論依據(jù)?；谟邢拊治龇椒ǎ墨I(xiàn)[6]建立了變頻空調(diào)器壓縮機(jī)配管系統(tǒng)虛擬樣機(jī)分析模型，而文獻(xiàn)[7]建立了壓縮機(jī)腳墊可靠性分析系統(tǒng)。

軸承載荷P是軸承設(shè)計(jì)必須計(jì)算評(píng)估的參數(shù)，P的大小直接影響產(chǎn)品的性能和可靠性。本文研究的是轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)上下軸承壓強(qiáng)P的評(píng)估方法。據(jù)文獻(xiàn)[8]報(bào)道，在壓縮機(jī)運(yùn)行工況和頻率一定，潤(rùn)滑條件不變的情況下，上下軸承與載荷P的關(guān)系最密切。目前載荷P的公式計(jì)算法假定軸承為剛性，載荷力F作用在軸承寬度中間，且軸承寬度為整段，本文將結(jié)合有限元分析和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)軸承寬度的取值進(jìn)行研究。

1 軸承載荷P理論公式計(jì)算方法

軸承載荷P理論公式計(jì)算對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期的評(píng)價(jià)簡(jiǎn)便易行，可實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承尺寸參數(shù)進(jìn)行篩選，提高工作效率的同時(shí)控制產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量，因此方法的準(zhǔn)確性及實(shí)用性很重要。

據(jù)文獻(xiàn)[9]表明，壓縮機(jī)A為大系列雙缸壓縮機(jī)，上下缸排量和相關(guān)尺寸相同，相位差180°。表1為壓縮機(jī)A結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)。

表1　壓縮機(jī)A結(jié)構(gòu)參數(shù)表

圖1(a)為壓縮機(jī)A計(jì)算軸承載荷P采用的傳統(tǒng)簡(jiǎn)化模型圖示。圖1(b)為壓縮機(jī)A計(jì)算軸承載荷P采用的新簡(jiǎn)化模型圖示。

圖1　簡(jiǎn)化模型圖示

計(jì)算模型包括曲軸、上法蘭和下法蘭。

傳統(tǒng)簡(jiǎn)化模型計(jì)算軸承載荷力時(shí)，假定作用點(diǎn)在軸承寬度的中部，作用范圍為軸承寬度整段，即為Hs和Hx。

新簡(jiǎn)化模型計(jì)算軸承載荷力時(shí)，假定作用點(diǎn)在軸承寬度根部，作用范圍為有限元計(jì)算網(wǎng)格高度方向的邊長(zhǎng)，即為Hs′和Hx′，取2 mm。

軸承壓強(qiáng)計(jì)算方法[10]如下：

式中：

Fg——曲軸偏心部承受的氣體力，N；

τ——偏徑比e/R；

Pθ——壓縮腔壓力，MPa；

Ps0——吸氣腔壓力，MPa；

θ——曲軸轉(zhuǎn)角，°。

式中：

f——離心力，N；

m——偏心質(zhì)量，Kg；

n——壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度，r/min；

r——偏心距，mm。

式中：

Fs——傳統(tǒng)簡(jiǎn)化法上軸承載荷力，N；

Fx——傳統(tǒng)簡(jiǎn)化法下軸承載荷力，N。

式中：

Hs——傳統(tǒng)簡(jiǎn)化法上軸承寬度，mm；

Hx——傳統(tǒng)簡(jiǎn)化法下軸承寬度，mm。

式中：

Fs′——新簡(jiǎn)化法上軸承載荷力，N；

Fx′——新簡(jiǎn)化法下軸承載荷力，N。

式中：

P——軸承載荷，MPa；

F——軸承載荷力，N；

B——軸承寬度，mm；

D——軸徑，mm。

式(3)～(6)中的載荷力均為矢量。

由式(1)～式(4)，可以得到傳統(tǒng)簡(jiǎn)化法上下軸承載荷力Fs和Fx，再由式(7)，可以得到上下軸承載荷Ps和Px。

由式(1)、式(2)、式(5)和式(6)，可以得到新簡(jiǎn)化法上下軸承載荷力Fs′和Fx′，再由式(7)，可以得到上下軸承載荷Ps′和Px′。

表2列出了下偏心承受最大載荷力時(shí)，傳統(tǒng)簡(jiǎn)化法和新簡(jiǎn)化法上下軸承載荷力和載荷的大小。

從計(jì)算結(jié)果可知，采用新簡(jiǎn)化法計(jì)算得到的上軸承載荷力變大，下軸承載荷力減小，但變化不大；軸承寬度采用有限元計(jì)算網(wǎng)格數(shù)值獲得的軸承載荷P變大，變化幅度大。

表2　兩種簡(jiǎn)化方式載荷情況

2 軸承載荷P有限元計(jì)算方法

軸承載荷P有限元計(jì)算模型包括曲軸、上法蘭和下法蘭，載荷施加氣體力Fg1和Fg2由公式(1)獲得，離心力f1和f2由公式(2)獲得，與公式計(jì)算中載荷一致，模型不考慮曲軸與法蘭間油膜，且曲軸與法蘭無間隙，即曲軸與法蘭直接接觸，如圖2所示。

圖2　有限元模型

壓縮機(jī)A在進(jìn)行可靠性試驗(yàn)評(píng)估后發(fā)現(xiàn)下軸承曲軸根部出現(xiàn)異常磨損如圖3(a)，經(jīng)有限元分析發(fā)現(xiàn)下軸承曲軸根部軸承載荷P非常大，達(dá)到99.4 MPa，如圖4(a)所示。造成軸承壓強(qiáng)P大的主要原因是壓縮機(jī)A屬于大系列產(chǎn)品，排量放大，載荷增大，造成軸承單位面積承載能力不足。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，通過增設(shè)柔性槽，對(duì)增強(qiáng)軸承單位面積承載能力有明顯效果，如圖5所示，(a)為原方案未設(shè)置柔性槽，(b)為改進(jìn)方案，在上下法蘭上分別設(shè)置有柔性槽。通過有限元分析發(fā)現(xiàn)下軸承曲軸根部軸承壓強(qiáng)P大大下降，降低至34.8 MPa，上軸承曲軸根部軸承壓強(qiáng)變化不大如圖4(b)，可靠性試驗(yàn)后壓縮機(jī)A上下軸承曲軸均有磨損，且磨損明顯的位置還是處于曲軸根部，但并未出現(xiàn)異常類磨損如圖3(b)。

上述提及壓縮機(jī)A軸承通過增設(shè)柔性槽對(duì)磨損改善效果明顯，后進(jìn)行了性能評(píng)估，結(jié)果如表3所示，增加柔性槽壓縮機(jī)功耗降低了1.1％，說明柔性槽對(duì)降低軸承載荷效果明顯，提高可靠性的同時(shí)可以降低軸承摩擦功耗。

圖3　有無柔性槽可靠性后軸磨損狀態(tài)圖

圖4　有無柔性方案曲軸壓強(qiáng)P云圖

圖5　有無柔性槽方案軸承示意圖

表3　有無柔性槽性能測(cè)試結(jié)果

有限元計(jì)算結(jié)果顯示軸承載荷最大位置一般出現(xiàn)在上下軸承曲軸根部，這點(diǎn)與試驗(yàn)結(jié)果非常吻合，因此可以證實(shí)有限元計(jì)算方法具有一定的準(zhǔn)確性，且軸承載荷的下降對(duì)壓縮機(jī)性能有所提升。

3 對(duì)比分析

文中第2和3部分介紹了壓縮機(jī)A采用公式法和有限元法計(jì)算上下軸承載荷P的方法，獲得了不同方法下載荷P，如表4。

表4　公式法與有限元法對(duì)比

公式法采用與有限元類似的簡(jiǎn)化方式進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果顯示新簡(jiǎn)化公式法得到的上軸承壓強(qiáng)較有限元法軸承載荷的大22％，下軸承載荷小23.2％，但傳統(tǒng)簡(jiǎn)化公式法與有限元法差距更大，且有限元法可以評(píng)估有柔性槽軸承方案，而公式計(jì)算法則不能評(píng)估。

公式計(jì)算法具有一定的局限性，只能作為研發(fā)人員在產(chǎn)品開發(fā)初期進(jìn)行大量方案篩選時(shí)使用；要進(jìn)行更為準(zhǔn)確的評(píng)估，還需采用有限元法進(jìn)行評(píng)估。

4 結(jié)論

通過公式法、有限元法及試驗(yàn)研究對(duì)壓縮機(jī)軸承載荷進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

1） 壓縮機(jī)軸承載荷公式法采用新簡(jiǎn)化法，簡(jiǎn)化形式類似于有限元法，更具有可評(píng)估性；

2） 新簡(jiǎn)化公式法只能計(jì)算無柔性槽方案，但可以作為評(píng)估是否需要增設(shè)柔性槽的快速方法；

3） 有限元法計(jì)算結(jié)果與可靠性試驗(yàn)結(jié)果較吻合；

4） 軸承設(shè)置柔性槽對(duì)減小軸承壓強(qiáng)，提高軸承承載能力具有顯著效果。

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[10]王鐸.理論力學(xué)[M].北京:中國(guó)高等教育出版社,1997.

Research on Bearing Load Calculation Method for Rotary Compressor

HU Yu-sheng*,XU Jia,REN Li-ping
(National Engineering Research Center of Green Refrigeration Equipment,Zhuhai,Guangdong 519070,China)

[Abstract]The load is one of the important parameters influencing the bearing performance and reliability of rotary compressor,and the comparative study of theoretical calculation and finite element calculation method for load is presented.The load value trend calculated by theoretical calculation and finite element method has a high goodness of fit under different working conditions.The effect of the upper bearings with or without flexible slot on the wear and performance of the compressor is analyzed by the finite element method and experiment.The analysis result shows that,the abrasion of the bearing without flexible slot is more serious and the performance is worse than that with flexible slot under a certain working condition.

[Keywords]Load; Bearing; Rotary compressor; Finite element; Flexible slot

doi：10.3969/j.issn.2095-4468.2016.01.110