趙寧 祖文柱 張海霞

摘? ?要：往復壓縮機是提高氣體壓力的通用機械，廣泛應用于各行業(yè)，遍及工農(nóng)業(yè)、國防等各領域。石化工藝流程中對高壓的需求，使往復壓縮機的應用顯示出極大的優(yōu)越性。文章針對某6列往復壓縮機斷軸現(xiàn)象，對不同方案進行模態(tài)數(shù)值模擬，提出減小軸系頻率的優(yōu)化方案，通過減小軸系軸段直徑，使壓縮機轉速與扭轉頻率比增加到1.056。優(yōu)化方案有效降低了制造成本。

關鍵詞：往復壓縮機;扭轉共振;優(yōu)化設計;模態(tài)分析

往復式壓縮機是提高氣體壓力的通用機械，廣泛應用于各行業(yè)，遍及工農(nóng)業(yè)、國防等各領域。石油化工流程對高壓的需求使得壓縮機顯示出極大的優(yōu)越性。壓縮機軸系扭轉計算是制約壓縮機高速發(fā)展的瓶頸。國內外研究集中于內燃機軸系扭轉振動，本研究涉及的燒連桿瓦與機械動力學有關。有學者從事往復式壓縮機軸系動力學研究，介紹了利用分析軟件進行扭振計算的方法，考慮了諸多因素對其動力特性的影響。某6列往復壓縮機出現(xiàn)斷軸，加大曲軸直徑機組出現(xiàn)振動。通過調整壓縮機轉速解決問題，利用軟件對軸系產(chǎn)品進行動力學分析，針對壓縮機轉速等參數(shù)，提出優(yōu)化措施，減小零部件結構尺寸。

1? ? 壓縮機軸系有限元模型建立

壓縮機是石化行業(yè)的關鍵動力設備，曲軸承受周期性變化交變荷載，產(chǎn)生振動。曲軸旋轉振動是引發(fā)壓縮機共振的重要因素，軸系動力學特性對壓縮機零部件使用壽命產(chǎn)生影響，對零部件影響明顯。壓縮機向大型多列方向發(fā)展，軸系動力學問題成為壓縮機發(fā)展的技術瓶頸[1]。

世界先進國家的壓縮機設計水平處于成熟階段，各國采用現(xiàn)代設計技術對機組性能改進等進行研究，國外公司對壓縮機氣閥的研究占有主要地位，我國壓縮機設計局限于工藝氣體管路設計方面。隨著科技的發(fā)展，計算機輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）應用到各行業(yè)，往復式壓縮機將計算機技術應用于產(chǎn)品設計，但與CAE計算機輔助設計應用相差很遠。動力學分析在機組結構強度校核等方面起決定性作用，通過壓縮機軸系動力學分析，可應用有限元法解決軸系動力問題。

某6列壓縮機組為對動平衡型，氣缸按順序排在6列。壓縮機軸系由往復質量等部件組成，軸系荷載包括電動機驅動力矩等，壓縮機軸系振動系統(tǒng)運動微分方程為MX+CX+KX=F，F(xiàn)為壓縮機軸系節(jié)點載荷列向量，M為壓縮機軸系結構扭轉質量矩陣，X為壓縮機軸系節(jié)點角速度向量，K為壓縮機軸系結構扭轉剛度矩陣。有限元模型采用10節(jié)點四面體單元，能引起系統(tǒng)扭振的荷載為軸系承受扭矩，泊松比μ=0.3，彈性模量E=210 000 MPa，原軸系、改進軸系用序號1，2表示。

2? ? 壓縮機軸系動力分析

軸系扭轉共振是轉速整數(shù)倍等于軸系扭轉頻率的狀態(tài)，分析軸系動力得到軸系扭轉頻率，通過模態(tài)分析可獲得系統(tǒng)頻率，軸系模態(tài)分析中主要作用是1階扭轉頻率。根據(jù)表1—2的分析結果，可得軸系諧頻及頻率比r，r為軸系7倍轉速諧頻ω與扭轉固有頻率ω1的比。

通過軸系動態(tài)響應分析，得到扭轉振幅等參數(shù)，是判斷沖擊載荷產(chǎn)生的依據(jù)，正應力σ與剪應力τ是曲軸疲勞強度校核的依據(jù)。第1列曲軸柄銷振幅形成頻率相等，如軸系產(chǎn)生共振，導致潤滑油膜破壞出現(xiàn)燒瓦，揭示了加粗軸系燒連桿瓦的原因。原軸系扭轉振幅拍現(xiàn)象，主軸直徑增加到300 mm時，振幅拍現(xiàn)象嚴重。改進軸系行程減小，共振程度降低。行程減小降低曲柄銷振幅，解決燒連桿瓦問題。計算軸系節(jié)點靜強度，加粗后軸系靜強度安全系數(shù)最低，改進軸系行程減小提高扭轉頻率，疲勞強度設計安全系數(shù)滿足要求。

3? ? 軸系的綜合優(yōu)化

分析軸系扭轉振幅，原曲軸出現(xiàn)超載，通過加粗曲軸提高承載力，說明增加曲軸直徑不可取。比較改進前后機組性能的參數(shù)，行程采用原軸系結構，曲軸列間軸段直徑降到300 mm。

優(yōu)化后軸系減小曲軸列間軸徑，軸系脫離共振區(qū)，曲柄銷扭轉振幅拍振消失。通過減小氣缸直徑，對軸系進行靜強度校核和疲勞強度校核，安全系數(shù)為2.05。比較改進軸系分析結果，曲軸直徑、十字頭質量等減小，優(yōu)化軸系成本降低，應力滿足曲軸材料的要求。

4? ? 結語

壓縮機是石化工業(yè)關鍵動力設備，軸系動力學特性關系到機組運行可靠性，文章對壓縮機軸系動力學進行研究，進行結構改進設計分析。對曲軸加粗前后模態(tài)進行分析，解釋了曲軸斷裂的原因。對曲軸幾何參數(shù)進行優(yōu)化設計，結果減小系統(tǒng)幾何尺寸，解決了非正常斷軸燒瓦問題。

[參考文獻]

[1]許增金.大型往復式壓縮機軸系動力學特性研究[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學，2011.