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)

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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

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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