李霞， 周獎清

（英格索蘭亞太工程技術(shù)中心，上海200051）

0 引 言

螺桿式空壓機在運行時，壓縮機主機和主電動機本身會發(fā)生振動，傳至連接的底架、機組罩殼，引起整個系統(tǒng)的振動和噪聲。通過使用橡膠減震墊可有效阻隔振動的傳遞，這種減震方法通常稱之為主動減震法[1]。文中基于ANSYS的輔助分析，試算出螺桿式空壓機驅(qū)動機構(gòu)橡膠減震墊的壓縮量和支座反力，從而進行設(shè)計選型。

1 選型標(biāo)準(zhǔn)

1）通過ANSYS模擬計算得到的每個減震墊的支座反力小于減震墊的名義承載載荷；2）最大壓縮量與最小壓縮量之間的壓縮量差距通常不宜超過35%，否則容易造成整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擺動；3）壓縮裕量通?？刂圃?0%～70%（工程經(jīng)驗值）之間。

2 減震墊初始設(shè)計

螺桿式空壓機的驅(qū)動機構(gòu)是由主機頭和主電動機組成，驅(qū)動機構(gòu)是空壓機主要的振動源和機械噪聲源。它在運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的振動會通過其他地腳和管路傳遞到空壓機的各個部件，產(chǎn)生振動及噪聲。

如果在驅(qū)動機構(gòu)和底架之間增加橡膠減震墊，就能將驅(qū)動機構(gòu)作為振源所產(chǎn)生的振動與空壓機的底架和箱殼隔離開來，從而減少驅(qū)動結(jié)構(gòu)振動對底架和箱體的影響，同時也可以通過減振墊吸收一部分振動能量來減小驅(qū)動結(jié)構(gòu)的振動幅值[2]。

驅(qū)動機構(gòu)有4個支撐點，主機頭下方2個，主電動機下方兩個，如圖1所示。

圖1 整機結(jié)構(gòu)

3 利用ANSYS進行驅(qū)動機構(gòu)的支座應(yīng)力分析

3.1 主要零部件的材質(zhì)屬性信息收集

從整機結(jié)構(gòu)中選取減振系統(tǒng)的主要零部件的三維模型，該減振系統(tǒng)是主機頭、主機頭支架、齒輪箱、主電動機和橡膠減震墊的裝配模型。三維模型的建立是使用CRO/E 4.0的三維建模軟件的環(huán)境，對主機頭、主電動機等質(zhì)量較大部件進行重心的分析，計算得到整個剛性連接的重心位置。然后依次在CRO/E 中建立橡膠減震墊的模型，并完成各個減震墊的裝配[3]，如圖2所示。

圖2 驅(qū)動機構(gòu)

表1 零件屬性

收集主要零部件的材料屬性，如表1所示。

3.2 三維模型預(yù)處理

圖3 劃分網(wǎng)格后三維模型

3.2.1 前處理網(wǎng)格劃分

文中采用的是在Cro/E 4.0中建立三維模型，另存為IGES格式，然后在ANSYS軟件中運用import命令導(dǎo)入其中[3]。利用有限元分析法，定義邊界條件及劃分網(wǎng)格的大小，對螺桿式空壓機驅(qū)動結(jié)構(gòu)的三維模型進行預(yù)處理，如圖3所示。

3.2.2 設(shè)定邊界條件

在典型有限元模態(tài)分析中唯一有效的“載荷”是零位移約束，其他載荷可以在模態(tài)分析中指定，但在模態(tài)提取時將被忽略，因而只給有限元模型施加約束邊界條件[4]。本例在ANSYS軟件里約束X軸和Z軸方向的位移，用彈簧模擬減震墊，使整個驅(qū)動機構(gòu)在運行時只可能在Y軸方向振動來求得減震墊的最大壓縮量。

3.3 ANSYS分析

圖4 彈簧模擬減震墊

輸入各主要零部件的材質(zhì)、質(zhì)量、重心等屬性信息后，得到驅(qū)動機構(gòu)的重心位置。主機頭下方的兩個減震墊分別為F1、F2，主電動機下方的兩個減震墊分別為F3、F4，減震墊布置如圖5所示。

圖5 減震墊布置

ANSYS分析計算結(jié)果如表2所示。

表2 計算結(jié)果

計算結(jié)果分析：1）根據(jù)計算，4個減震墊的支座反力在最大撓度值以下。減震墊能滿足負載要求；2）電動機下方的減震墊F4的最大壓縮量與主機下方的減震墊F1的最小壓縮量比值為062，減震墊壓縮不均勻度達到了62%（目標(biāo)是不超過35%），否則會導(dǎo)致系統(tǒng)搖擺。需要對初始設(shè)計進行優(yōu)化。

圖6 優(yōu)化設(shè)計方案A

圖7 優(yōu)化設(shè)計方案B

圖8 優(yōu)化設(shè)計方案C

3.4 優(yōu)化設(shè)計

1）方法一：調(diào)整減震墊的位置，以改變減震墊到重心的距離；2）方法二：較大負載側(cè)（主電動機側(cè)）采用較大K值的減震墊，減小壓縮差。

3.4.1. 根據(jù)方法一可得出的兩種方案

1）方案A：基于初始設(shè)計，保持主機頭下方的減震墊的位置不變，將主電動機下方的減震墊向+Z的方向移動38 mm，遠離重心，如圖6所示。

2）方案B：在方案A的基礎(chǔ)上，減震墊F1和F2分別沿著+Z方向移動5 mm, 然后F1沿+X方向移動10 mm，F(xiàn)2沿-X方向移動10 mm，如圖7所示。

3.4.2 根據(jù)方法二可得方案

方案C：基于初始設(shè)計，保持主機頭和主電動機下方的減震墊位置不變，只把主機頭下方的減震墊A替換成剛度K值更大的減震墊B，如圖8所示。

3.4.3 結(jié)果分析

ANSYS分析方案A得到結(jié)果如表3所示。

表3 方案A計算結(jié)果

計算結(jié)果：1）4個減震墊的支座反力都小于減震墊本身的最大撓度值；2）減震墊之間的壓縮比差值太大，仍有47%。壓縮差改善效果不明顯。

ANSYS分析方案B得到結(jié)果如表4所示。

表4 方案B計算結(jié)果

計算結(jié)果：1）4個減震墊的支座反力都小于減震墊本身的最大撓度值；2）減震墊之間的壓縮比差值有進一步縮小，仍有46%。壓縮差改善效果同樣不明顯。

ANSYS分析方案C得到結(jié)果如表5所示。

表5 方案C計算結(jié)果

計算結(jié)果：1）4個減震墊的支座反力都小于減震墊本身的最大撓度值；2）減震墊的最大壓縮量和最小壓縮量的差值只有20%，而且4個減震墊的壓縮裕量全都接近50%，因此方案C為最佳優(yōu)化方案。

3.5 振動測試試驗結(jié)果

根據(jù)ANSYS軟件得出的最優(yōu)方案，在螺桿式空壓機上進行振動試驗驗證。振動試驗依據(jù)《GB/T 7777-2003容積式壓縮機機械振動測量與評價》5.2進行測點布置。測試點排布至少3處：主軸上一處，主軸軸承座上2處。另外，在電動機的驅(qū)動端和非驅(qū)動端各布置一處，將測得值作為補充參考值。

振動測試結(jié)果根據(jù)《GB/T 7777-2003 容積式壓縮機機械振動測量與評價》6.4 回轉(zhuǎn)壓縮機振動烈度因不大于表6的規(guī)定。

表6 回轉(zhuǎn)壓縮機振動烈度要求

本次振動試驗選取的是75 kW的螺桿式空壓機，即振動烈度不超過7.1 mm/s。實際試驗結(jié)果見表7。

各測點的測試結(jié)果均小于7.1 mm/s，即滿足GB/T 7777-2003的機械振動測量的要求。

表7 振動試驗測試結(jié)果

4 結(jié) 語

本例中，基于ANSYS的計算結(jié)果，優(yōu)化設(shè)計方案C為最佳方案。方案C中4個減震墊之間的壓縮量是最相近的，且每個減震墊的壓縮裕量全都接近50%。方案C對應(yīng)整機設(shè)計需要變動的影響最小，只需要將主電動機下方的減震墊A替換成減震墊B。由于減震墊A和減震墊B的外形尺寸、安裝方式完全一樣，僅軸向K值和最大負載不同。對于減震墊的關(guān)聯(lián)零部件不產(chǎn)生其他影響。另外，提醒一點，也因為減震墊A和減震墊B外觀一模一樣，為了避免生產(chǎn)線上誤裝，必須在減震墊另增區(qū)別設(shè)計，比如在減震墊上追加不同顏色的色標(biāo)以示區(qū)別。

經(jīng)過驅(qū)動結(jié)構(gòu)振動測試驗證，采用C方案后的振動水平都遠低于要求(振動烈度不大于7.1 mm/s), 完全符合預(yù)期，再次驗證前面計算的合理和有效性。

本次論文對螺桿式空壓機的驅(qū)動機構(gòu)模塊和減震墊支反力進行研究，側(cè)重于研究減震墊的設(shè)計選型，在項目設(shè)計前期即給出了很好的風(fēng)險評估及控制。此研究借助ANSYS 軟件，建立模型，實際上收集了大量的零件信息，包括電動機的軸系參數(shù)、質(zhì)量、尺寸等等。從結(jié)果來看，實際的減震墊選型是完全正確的。