巴和平

【摘 要】作為往復(fù)式壓縮機(jī)關(guān)鍵部件的曲軸，機(jī)體中承受著隨時間變化的交變載荷，產(chǎn)生彎曲、扭轉(zhuǎn)以及彎扭組合等各種振動-尤其是扭轉(zhuǎn)振動不僅影響使用壽命，而且直接關(guān)系到機(jī)組的安全性和穩(wěn)定性，為此本文通過曲軸扭振特性分析研究，總結(jié)出曲軸產(chǎn)生扭振的主要因素，實現(xiàn)了降低振動烈度25%.優(yōu)化結(jié)構(gòu)的曲軸應(yīng)用，為降低壓縮機(jī)整體振動提供改進(jìn)依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】往復(fù)壓縮機(jī) 扭振分析 模態(tài)分析 曲軸失效

1 曲軸扭振概述

壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，曲軸系統(tǒng)受到大小和方向呈周期性變化的氣體壓力和運(yùn)動零件慣性力作用，這些力會使曲軸相對于飛輪發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形而引起扭振，即強(qiáng)制振動。這種振動易在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈共振，產(chǎn)生較大噪聲，加劇與曲軸相連齒輪系的磨損，嚴(yán)重時會導(dǎo)致曲軸扭斷。軸系扭轉(zhuǎn)振動計算結(jié)果表明：六列以上活塞式壓縮機(jī)，由于列數(shù)增多和曲軸增長，曲軸的自由扭轉(zhuǎn)振動頻率降低，有可能處于壓縮機(jī)名義轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，導(dǎo)致曲軸因扭轉(zhuǎn)振動而破壞。六列以上的壓縮機(jī)扭轉(zhuǎn)振動應(yīng)力對軸的總安全系數(shù)影響比四列以下曲軸的要大得多，所以，設(shè)計六列以上壓縮機(jī)曲軸時，要考慮軸系扭轉(zhuǎn)振動產(chǎn)生的應(yīng)力。

模態(tài)分析和有限元分析技術(shù)是研究曲軸扭振一種行之有效的工具方法，作為一種“逆問題”分析方法，它是建立在實驗基礎(chǔ)上的，采用實驗與理論相結(jié)合的方法來處理工程中的振動問題。用模態(tài)分析理論通過對試驗導(dǎo)納函數(shù)的曲線擬合，識別出結(jié)構(gòu)物的模態(tài)參數(shù)，從而建立起結(jié)構(gòu)物的模態(tài)模型。根據(jù)模態(tài)疊加原理，在己知各種載荷時間歷程的情況下，就可以預(yù)言結(jié)構(gòu)物的實際振動的響應(yīng)歷程或響應(yīng)譜。目前的發(fā)展趨勢是把有限元方法和試驗?zāi)B(tài)分析技術(shù)有機(jī)的結(jié)合起來，取長補(bǔ)短，相得益彰。利用實驗?zāi)B(tài)分析結(jié)果檢驗、補(bǔ)充和修正原始有限元動力模型；利用修正后的有限元模型計算結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。

2 曲軸扭轉(zhuǎn)振動分析研究過程

2.1曲軸扭轉(zhuǎn)振動分析步驟

①借助PRO/E參數(shù)化建模功能，按實際尺寸對壓縮機(jī)軸系建立物理分析系統(tǒng)模型。

②運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件，計算軸系模型系統(tǒng)的自振特性，即求出系統(tǒng)的固有頻率及相應(yīng)頻率下的振型和相對振幅。

③對承受重力、旋轉(zhuǎn)離心力、驅(qū)動力矩以及綜合活塞力的壓縮機(jī)軸系進(jìn)行靜力分析，獲得應(yīng)力和變形等數(shù)據(jù)。

④對作用在各曲拐上的激勵載荷—氣體力和慣性力產(chǎn)生的干擾力矩進(jìn)行簡諧分析，亦即進(jìn)行軸系的強(qiáng)迫振動計算，求出共振時的實際振幅和各軸段的扭轉(zhuǎn)振動附加應(yīng)力。

⑤根據(jù)得出的計算結(jié)果，并結(jié)合材料強(qiáng)度全面評定整個軸系工作的可靠性，是否應(yīng)采取避振、減振措施，以及應(yīng)采取何種形式的扭轉(zhuǎn)減振裝置。

2.2曲軸扭轉(zhuǎn)振動分析計算

曲軸軸系扭振系統(tǒng)是由彈性元件、慣性元件、阻尼元件及激振力組成，其振動系統(tǒng)的運(yùn)動微分方程的表達(dá)形式如下：

（2.1）

式中：{Fi}一慣性力向量；{Fd}一阻尼力向量；{Fs}一彈性力向量；{P（t）}一動力載荷向量

由上式并將模型簡化為自由的諧振動方程，得到結(jié)構(gòu)的頻率方程為：

（2.6）

采用數(shù)值積分法直接求解出各時刻的位移和應(yīng)力，通過模態(tài)分析（求特征值和特征向量），再利用振型疊加法，求解結(jié)構(gòu)在動載荷作用下的瞬態(tài)位移或應(yīng)力，并形成軸系的扭轉(zhuǎn)振動10階模態(tài)分析圖。

3 結(jié)語

通過10階模態(tài)圖分析得出：曲軸軸系的模態(tài)分析可以知道該曲軸軸系的固有頻率和模態(tài)振型，確定出曲軸軸系的共振情況，通過重新規(guī)劃設(shè)計軸系組件結(jié)構(gòu)，確定組件之間的關(guān)聯(lián)措施、研究設(shè)計出有效的避振阻尼結(jié)構(gòu)。最總設(shè)計出優(yōu)化的曲軸結(jié)構(gòu)，通過該優(yōu)化曲軸應(yīng)用，實現(xiàn)了降低振動烈度25%。

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