池立軍， 姜 超

（唐山唐鋼氣體有限公司， 河北 唐山 063000）

0 引言

工業(yè)生產(chǎn)中壓縮空氣已經(jīng)得到廣泛應用，其作為環(huán)保、清潔的能源在各個領域得到應用[1-2]?？諝鈮嚎s機作為提供動力的核心裝置，運行過程中會產(chǎn)生巨大的能量損耗，尤其是冶金領域，其能耗占企業(yè)總能耗較大數(shù)額[3-4]?？諝鈮嚎s機在運行時所產(chǎn)生的振動會造成零部件使用壽命縮短，同時空氣壓縮機由于振動而產(chǎn)生的噪聲也會對設備造成機械損傷并對附近工作人員噪聲身體損傷[5-6]，因此對空氣壓縮機結(jié)構(gòu)振動特性進行分析具有十分重要的現(xiàn)實意義[7-8]。本文以某制氧廠使用的空氣壓縮機為研究對象，分析其結(jié)構(gòu)振動特性，應用多種激勵并結(jié)合邊界條件進行仿真，分析結(jié)果之間的差異性，最后闡明空氣壓縮機在冶煉廠的實際應用。

1 空氣壓縮機動力學模型建模

某制氧廠使用的空氣壓縮機為二級往復式空氣壓縮機，該空氣壓縮機額定壓力為3 MPa，額定排氣量為60 m3/h?；钊敳恳陨系目臻g為低壓氣缸，活塞過渡錐面以下的空間為高壓氣缸，如圖1 所示為空氣壓縮機機體結(jié)構(gòu)示意圖?？諝鈮嚎s機運行時，活塞往復運動使得外界的空氣可以由進氣口進入低壓氣缸，上行的活塞對低壓氣缸的空氣進行壓縮排入活塞過渡錐面以下的高壓氣缸，當活塞下行時對其他進行二次壓縮并將其排出，與此同時外界空氣繼續(xù)由進氣口進入低壓氣缸，重復后續(xù)的壓縮工作。

圖1 空氣壓縮機機體結(jié)構(gòu)

通過對空氣壓縮機模型進行簡化，得到的模型包含1 個活塞、1 個連桿、1 個電機、1 個轉(zhuǎn)子、1 個曲軸、2 個基座、2 個軸承。通過仿真軟件ADAMS 對模型進行仿真，建立各部件之間的約束關系，將剛性曲軸和連桿替換為柔性體，得到精確度更好的曲柄連桿機構(gòu)剛?cè)狁詈夏Ｐ蚚9-10]。

為了分析空氣壓縮機影響結(jié)構(gòu)振動的激勵，假設空氣壓縮機在工作過程中無氣體脈動和壓力損失，氣體熱力過程視為理想多變過程。如圖2 所示為空氣壓縮機自由端軸承激勵力曲線示意圖，可以看出，剛?cè)狁詈隙鄤恿W模型建立合理，計算出的曲線符合實際。

圖2 空氣壓縮機自由端軸承激勵力曲線

2 空氣壓縮機結(jié)構(gòu)振動響應分析

為了進一步分析空氣壓縮機結(jié)構(gòu)振動特性，基于空氣壓縮機動力學模型，對其機體有限元進行建模并施加邊界條件[11-12]。位移邊界條件為空氣壓縮機機體使用梁單元模擬螺栓并固定在基座，基座實施固定約束；力邊界條件主要考慮活塞側(cè)推力、軸承力和氣體力?；钊麄?cè)推力指的是高壓和低壓氣缸內(nèi)壁所受的力，活塞推測力的位置和作用面積隨著活塞的往復運動等而不斷變化，為了方便分析和計算，通常將活塞運動時低壓氣缸和高壓氣缸內(nèi)壁所承受的推測力忽略。軸承力分為徑向水平載荷和徑向垂直載荷，并加載到軸承的內(nèi)表面。氣體力的加載是以壓力的形式加載到氣缸工作面表面，其中空氣壓縮機的氣缸分為高壓氣缸和低壓氣缸，高壓氣缸工作面為氣缸套中部的過渡錐面，低壓氣缸工作面為氣缸的下表面。

如圖3 所示為空氣壓縮機振動加速度級頻譜分析，可以看出在頻域上通用、等時間和等行程三種仿真特征頻率都為空氣壓縮機工作的基頻和倍頻，其中等行程分段方式在500～600 Hz 之間會出現(xiàn)較大的振動，同時在800～900 Hz 之間會出現(xiàn)較大峰值，而其他兩種方式較為平緩。

圖3 空氣壓縮機振動加速度級頻譜分析

如圖4 所示為空氣壓縮機振動加速度級低頻部分的頻譜對比，可以看出通用方式和等時間方式運行時低頻相應較差，而等行程方式在低頻部分的特征頻率與實測結(jié)果具有較高的吻合度，這說明分段仿真可以更好地反映空氣壓縮機低頻振動特性。但在130 Hz 附近振動加速度級誤差明顯，這是由于等活塞行程分段仿真方式導致空氣壓縮機產(chǎn)生共振，進而造成了誤差。

圖4 空氣壓縮機振動加速度級低頻部分的頻譜對比

以上分析可以看出，等活塞行程分段仿真在一些特定頻率處存在誤差，這是由于空氣壓縮機在簡化模型時僅保留了機體部分，與實際稍有差異；空氣壓縮機承受的活塞側(cè)推力和氣體力處理過程后分段數(shù)較少也會導致仿真結(jié)果存在誤差。此外，由于空氣壓縮機機械老化等原因，在實測時也會存在誤差?？梢钥闯觯抡婧蛯崪y都會存在偏差，但仿真和實測的結(jié)果幅值以及變化規(guī)律曲線趨勢基本保持一致，這說明模型建立正確，可以有效反映空氣壓縮機的工作特性。為了更清晰地表明空氣壓縮機機體振動特性，選擇等活塞行程分段的仿真數(shù)據(jù)結(jié)果，如圖5 所示為空氣壓縮機機體振動加速度云圖。當活塞位于上止點時，低壓氣缸為壓縮狀態(tài)，這就使得氣缸蓋承受氣體力而振動明顯。隨著活塞往下止點運動，高壓氣缸逐漸變?yōu)閴嚎s狀態(tài)，同時高壓氣缸工作面在氣缸套的中間位置，因此氣缸套會受到氣體力的沖擊而產(chǎn)生強烈振動，這與空氣壓縮機的受力規(guī)律相吻合。

圖5 空氣壓縮機機體振動加速度（mm/s2）云圖

低壓氣缸和高壓氣缸內(nèi)運動的活塞會受到較大的氣體力并對空氣壓縮機造成較大沖擊并造成振動。

3 空氣壓縮機在制氧廠的實際應用

3.1 應用效果分析

空氣壓縮機發(fā)生振動會導致噪聲并影響其壽命和運行，基于以上空氣壓縮機結(jié)構(gòu)振動特性分析，以某制氧廠使用的空氣壓縮機為對象進行優(yōu)化。將空氣壓縮機的活塞運行速度降低并將其進行微小位移，使得往復慣性力在活塞往復運動過程中得到優(yōu)化，降低工作過程中的慣性力矩。優(yōu)化后空氣壓縮機在垂直方向上的加速度由最初1.75 m/s2下降為0.85 m/s2，振動噪聲可以下降51.43%，空氣壓縮機振動得到了極大改善，提高空氣壓縮機工作穩(wěn)定性。

3.2 經(jīng)濟性分析

對某制氧廠使用的空氣壓縮機能耗測量以綜合分析空氣壓縮機經(jīng)振動優(yōu)化后的能耗和運行費用。通過測試可以得到單臺空氣壓縮機的產(chǎn)氣量提高了39.6 m3/min，同時功率下降了50 kW 左右。按照該制氧廠空氣壓縮機運行一個月進行計算，單臺空氣壓縮機每月可以節(jié)約電量約1.530 萬kW·h，若該制氧廠所屬地工業(yè)電價平均為0.72 元/kW·h 計算，每月可以節(jié)約電量費用約為1.1 萬元的成本。

4 結(jié)論

1）對空氣壓縮機動力學模型進行建模，對空氣壓縮機施加激勵并分析激勵下空氣壓縮機激勵特征，驗證動力學模型建立合理，計算出的曲線符合實際。

2）基于空氣壓縮機動力學模型，對其機體有限元進行建模并施加邊界條件，對空氣壓縮機結(jié)構(gòu)振動響應進行分析。

3）通過應用效果分析和經(jīng)濟性分析，通過空氣壓縮機振動優(yōu)化后單臺產(chǎn)氣量提高了39.6 m3/min，功率下降了50 kW，每月可以節(jié)約1.1 萬元的成本。