鄭春香,董甲東,崔國(guó)慶
(1. 安慶師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院, 安徽 安慶 246133; 2. 安慶師范大學(xué) 物理與電氣工程學(xué)院, 安徽 安慶 246133)
?
空氣壓縮機(jī)曲軸受力狀態(tài)分析與UG仿真
鄭春香1,董甲東2,崔國(guó)慶2
(1. 安慶師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院, 安徽 安慶 246133; 2. 安慶師范大學(xué) 物理與電氣工程學(xué)院, 安徽 安慶 246133)
摘要:曲軸是空氣壓縮機(jī)的重要零部件,受力狀態(tài)分析是其設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)?;赨GNX8.0構(gòu)建了某型號(hào)全無(wú)油空氣壓縮機(jī)曲軸三維模型,采用UGNX8.0內(nèi)置的高級(jí)仿真模塊對(duì)曲軸的6種受力極限狀態(tài)進(jìn)行仿真,分析其在工作過(guò)程中的各個(gè)狀態(tài)受力及變形情況,為產(chǎn)品的動(dòng)力學(xué)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù),簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程,縮短了設(shè)計(jì)周期,提高了優(yōu)化設(shè)計(jì)的可靠性。
關(guān)鍵詞:空氣壓縮機(jī);曲軸;受力狀態(tài);分析與仿真
DOI:10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2016.02.021
無(wú)油空氣壓縮機(jī)是指壓縮、導(dǎo)向、曲軸等部件均采用特殊潤(rùn)滑材料,在無(wú)油狀態(tài)下工作。往復(fù)活塞式無(wú)油壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、生產(chǎn)成本低,在食品、醫(yī)療、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。曲軸是往復(fù)式活塞式無(wú)油空氣壓縮機(jī)中最重要的、且受力狀態(tài)最復(fù)雜的零件之一。根據(jù)對(duì)壓縮機(jī)的動(dòng)力學(xué)及熱力學(xué)分析,工作中的曲軸主要承受來(lái)自氣體的壓力、旋轉(zhuǎn)和往復(fù)慣性力、摩擦力和輸入扭矩的作用,曲軸內(nèi)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和交變彎曲應(yīng)力[1]。曲軸工作過(guò)程中,既產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)又產(chǎn)生彎曲,出現(xiàn)疲勞破壞,也因此會(huì)對(duì)其他零、部件產(chǎn)生一定的影響。傳統(tǒng)的曲軸設(shè)計(jì)方法主要采取類(lèi)比法,即參照同類(lèi)型號(hào)機(jī)器的曲軸結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行初步設(shè)計(jì),制造出樣品后進(jìn)行試驗(yàn),根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行反復(fù)修正并優(yōu)化,設(shè)計(jì)過(guò)程中計(jì)算量大,成本高,需具有豐富的設(shè)計(jì)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn),且產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)[2]。
危險(xiǎn)截面的確定、應(yīng)力和應(yīng)變對(duì)連桿軸頸設(shè)計(jì)參數(shù)的影響是曲軸設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。本文基于UG平臺(tái),采用有限元分析方法,通過(guò)對(duì)曲軸的建模,分析和仿真空壓機(jī)的曲軸受力狀態(tài),為產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程,縮短了設(shè)計(jì)周期,提高了優(yōu)化設(shè)計(jì)的可靠性。
1曲軸模型的建立
1.1曲軸極限工作位置的確定
本文研究對(duì)象為某型號(hào)全無(wú)油二級(jí)空壓機(jī),當(dāng)氣缸中的氣體壓強(qiáng)最大和最小時(shí),曲軸工作所處的位置稱為曲軸極限工作位置。在活塞運(yùn)動(dòng)到氣缸上止點(diǎn)時(shí),氣缸內(nèi)氣體被壓縮,體積最小,氣缸中的氣體壓強(qiáng)最大,此為一極限位置。同樣情況,在活塞運(yùn)動(dòng)到氣缸下止點(diǎn)時(shí),氣缸內(nèi)氣體體積最大,氣缸中的氣體壓強(qiáng)最小,為同一工作周期的另一極限位置。系統(tǒng)共有3個(gè)氣缸,6個(gè)極限位置,如圖1,1-6分別為6個(gè)極限工作位置。
圖1 曲軸的極限工作位置
1.2曲軸幾何模型的建立與簡(jiǎn)化
根據(jù)熱力學(xué)計(jì)算與系統(tǒng)設(shè)計(jì),該全無(wú)油空壓機(jī)曲軸建模的主要尺寸:總長(zhǎng)為325mm,中心距為37.5mm,前后主軸頸為40mm,連桿軸頸為55mm,曲軸臂為68.5mm,曲軸的建模如圖2所示。
圖2曲軸幾何模型構(gòu)建
曲軸采用的材料為球墨鑄鐵(QT600-3GB/T1348),密度為7 300kg/m3,彈性模量為173GPa,泊松比0.3。
根據(jù)表1查得QT600-3在UG高級(jí)仿真的材料庫(kù)中對(duì)應(yīng)的材料為Iron_Cast_G60。選擇Iron_Cast_G60為曲軸的仿真材料參數(shù)。
表1 UG材料庫(kù)對(duì)應(yīng)國(guó)內(nèi)材料牌號(hào)
綜合考慮計(jì)算機(jī)求解時(shí)間效率、計(jì)算精度等因素,在仿真結(jié)果對(duì)曲軸力學(xué)分析影響可忽略情況下,需對(duì)通過(guò)UG構(gòu)建的模型進(jìn)行簡(jiǎn)化[3]。建模中的曲軸局部存在倒角,兩端面螺紋、定位孔等,這些因素的存在會(huì)增加有限元分析工作量:節(jié)點(diǎn)、單元數(shù)量、劃分的有限元網(wǎng)絡(luò)密集度、節(jié)點(diǎn)方程會(huì)急劇增加,從增加仿真數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備、計(jì)算機(jī)仿真運(yùn)行的時(shí)間;還有可能因此對(duì)劃分的單元形狀產(chǎn)生影響。參考相關(guān)研究成果[4-5],本文對(duì)曲軸模型進(jìn)行簡(jiǎn)化時(shí),不考慮倒角、曲軸兩端面的螺紋孔、定位孔等局部特性,其簡(jiǎn)化結(jié)果如圖3所示。
圖3 曲軸模型的簡(jiǎn)化
1.3曲軸有限元模型構(gòu)建
由于曲軸形狀、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,是長(zhǎng)徑比大且形狀不規(guī)則的軸系零件,進(jìn)行有限元分析時(shí),須將整體曲軸作為研究對(duì)象[6]。在UG中打開(kāi)已構(gòu)建的曲軸三維實(shí)體模型,然后打開(kāi)高級(jí)仿真模塊,進(jìn)行3D四面體網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置,劃分網(wǎng)格。具體參數(shù)設(shè)置及網(wǎng)格劃分結(jié)果分別如圖4、圖5所示。
圖4 3D四面體網(wǎng)格劃分成參數(shù)設(shè)置
圖5 3D四面體網(wǎng)格劃分結(jié)果
對(duì)曲軸網(wǎng)格的劃分,采用UG自帶的自動(dòng)劃分網(wǎng)格功能模塊實(shí)現(xiàn),網(wǎng)格類(lèi)型為3D四面體;單元屬性為CTETRA(10);單元大小為5mm;如圖4所示,劃分后的網(wǎng)格共有節(jié)點(diǎn)140 417個(gè),單元91 368個(gè)。
2曲軸靜力學(xué)分析
根據(jù)產(chǎn)品的性能參數(shù)和玻意耳定律計(jì)算出各氣缸極限位置時(shí)的壓強(qiáng),結(jié)合面積可以間接算出曲軸的載荷。由于氣缸在吸氣過(guò)程中產(chǎn)生的負(fù)壓很小,當(dāng)作0處理,如表2數(shù)據(jù)所示,表3為對(duì)應(yīng)氣缸產(chǎn)生的壓力。
表2 極限位置時(shí)各個(gè)氣缸的壓強(qiáng)(單位:MPa)
表3 各個(gè)氣缸的壓力(單位:N)
3仿真與結(jié)果分析
約束與載荷:前后主軸頸為銷(xiāo)釘約束;A、B、C等3個(gè)氣缸對(duì)曲軸的壓力是作用在一個(gè)曲面上,所以載荷為軸承載荷。在連接帶輪處為電機(jī)的轉(zhuǎn)矩,根據(jù)設(shè)備參數(shù)提供的數(shù)據(jù),可計(jì)算:
T=9 550×W/n=71 600/800=89.5 N·m
T:轉(zhuǎn)矩,單位為N·m;W:功率,單位為kW;n:轉(zhuǎn)速,單位為n/min。
加載約束與載荷后的模型如圖6所示。
圖6 加載約束和載荷的模型
在曲軸上分別加載表3中1到6的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算求解。完成模型求解后,進(jìn)入后處理階段,生成云圖。 分析曲軸受力的變化,所以知道位移形變和應(yīng)力大小即可,如表4所示。
表4 各狀態(tài)最大形變和最大應(yīng)力
綜合對(duì)比6種狀態(tài)仿真云圖數(shù)據(jù),狀態(tài)3形變和應(yīng)力都為最大,分別為0.016 8mm和114.65Mpa,狀態(tài)3為校核的參考狀態(tài),如圖7,8所示。
4結(jié)論
通過(guò)對(duì)氣缸具有代表性的6個(gè)極限狀態(tài)位分析,結(jié)合仿真結(jié)果可知:氣缸處于3狀態(tài)位時(shí)的形變和位移均為最大。從位移云圖和應(yīng)力云圖也可以清晰地看出,與二級(jí)氣缸連接的連桿對(duì)曲軸的作用力明顯大于與一級(jí)氣缸連接的連桿對(duì)曲軸的作用力。曲軸上通過(guò)連桿與二級(jí)氣缸相連接位置為相對(duì)危險(xiǎn)位置,并且該位置的形變會(huì)影響到連桿軸頸與曲軸臂的工作狀態(tài),在進(jìn)行曲軸設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)充分考慮因應(yīng)力和應(yīng)變對(duì)連桿軸頸設(shè)計(jì)參數(shù)的影響。在材料選型上,主軸頸處應(yīng)采用疲勞強(qiáng)度較好的軸承,同時(shí)增大曲軸與連桿的接觸面積。
圖7狀態(tài)3形變?cè)茍D
圖8 狀態(tài)3應(yīng)力云圖
參考文獻(xiàn):
[1] 徐中華,張莤,程偉.基于UG和ANSYS的四缸曲軸有限元模態(tài)分析[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2009(4):17-19.
[2] 何洪波.高壓壓縮機(jī)曲軸有限元分析及相關(guān)問(wèn)題研究[D].西安:西安交通大學(xué),2006.
[3] 唐傳茵,馬巖,朱博,等.V6發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸有限元分析[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2013(1):211-213.
[4] 于秋華,劉淑梅,劉雅輝,等.基于UG和ANSYS的曲軸設(shè)計(jì)及分析[J].上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2013,27(4):302-305.
[5] 李亞智,趙美英.有限元法基礎(chǔ)與程序設(shè)計(jì)[M].北京:科學(xué)出版社,2004:25-70.
[6] 李洪.基于有限元法的邊界條件處理對(duì)曲軸強(qiáng)度計(jì)算的影響[J]. 安慶師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006,10(2):35-37.
AnalysisandSimulationofStressStateforCrankshaftoftheAirCompressorBasedonUG
ZHENGChun-xiang1,DONGJia-dong2,CUIGuo-qing2
(1.CollegeofComputerandInformation,AnqingNormalUniversity,Anqing,Anhui246133,China;2.CollegeofPhysics&ElectricEngineering,AnqingNormalUniversity,Anqing,Anhui246133,China)
Abstract:Crankshaftisanimportantpartoftheaircompressor,wherethestressstateanalysisplaysanimportantroleinthedesignprocess.Weconstructcrankshaftthree-dimensionalmodelofacertaintypeoilfreeaircompressorbasedonUGnx8.BasedonadvancedsimulationmoduleofNXUG8,sixkindsofstresslimitstatesofcrankshaftaresimulated.Thestressanddeformationofeachstateareanalyzedintheworkingprocess.Furthermore,Weprovideexperimentaldataandscientificbasisforthedynamicanalysisandoptimizationdesignoftheproduct,andsimplifythedesignprocess,shortenthedesigncycleandimprovethereliabilityoftheoptimizationdesign.
Keywords:aircompressor;crankshaft;stressstate;analysisandsimulation
* 收稿日期:2015-09-15
基金項(xiàng)目:安徽省教育廳自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2011A199)。
作者簡(jiǎn)介:鄭春香,女,安徽安慶人,碩士, 安慶師范大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院副教授,研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用。 E-mail: dongjiadong@sina.com
中圖分類(lèi)號(hào):TP391
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):1007-4260(2016)02-0089-04
網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:2016-06-08 12:57網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20160608.1257.021.html