鄭春香，董甲東，崔國慶

(1. 安慶師范大學 計算機與信息學院， 安徽 安慶 246133； 2. 安慶師范大學 物理與電氣工程學院， 安徽 安慶 246133)

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空氣壓縮機曲軸受力狀態(tài)分析與UG仿真

鄭春香1，董甲東2，崔國慶2

(1. 安慶師范大學 計算機與信息學院， 安徽 安慶 246133； 2. 安慶師范大學 物理與電氣工程學院， 安徽 安慶 246133)

摘要：曲軸是空氣壓縮機的重要零部件，受力狀態(tài)分析是其設計過程中的重要環(huán)節(jié)。基于UGNX8.0構建了某型號全無油空氣壓縮機曲軸三維模型，采用UGNX8.0內置的高級仿真模塊對曲軸的6種受力極限狀態(tài)進行仿真，分析其在工作過程中的各個狀態(tài)受力及變形情況，為產品的動力學分析、優(yōu)化設計提供實驗數(shù)據(jù)和科學依據(jù)，簡化了設計過程，縮短了設計周期，提高了優(yōu)化設計的可靠性。

關鍵詞：空氣壓縮機；曲軸；受力狀態(tài)；分析與仿真

DOI：10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2016.02.021

無油空氣壓縮機是指壓縮、導向、曲軸等部件均采用特殊潤滑材料，在無油狀態(tài)下工作。往復活塞式無油壓縮機結構簡單、維護方便、生產成本低，在食品、醫(yī)療、工業(yè)生產等領域有廣泛應用。曲軸是往復式活塞式無油空氣壓縮機中最重要的、且受力狀態(tài)最復雜的零件之一。根據(jù)對壓縮機的動力學及熱力學分析，工作中的曲軸主要承受來自氣體的壓力、旋轉和往復慣性力、摩擦力和輸入扭矩的作用，曲軸內產生扭轉應力和交變彎曲應力[1]。曲軸工作過程中，既產生扭轉又產生彎曲，出現(xiàn)疲勞破壞，也因此會對其他零、部件產生一定的影響。傳統(tǒng)的曲軸設計方法主要采取類比法，即參照同類型號機器的曲軸結構以及相應的經驗公式進行初步設計，制造出樣品后進行試驗，根據(jù)實驗結果進行反復修正并優(yōu)化，設計過程中計算量大，成本高，需具有豐富的設計知識和經驗，且產品的設計周期長[2]。

危險截面的確定、應力和應變對連桿軸頸設計參數(shù)的影響是曲軸設計的重要環(huán)節(jié)。本文基于UG平臺，采用有限元分析方法，通過對曲軸的建模，分析和仿真空壓機的曲軸受力狀態(tài)，為產品的優(yōu)化設計提供實驗數(shù)據(jù)，簡化了設計過程，縮短了設計周期，提高了優(yōu)化設計的可靠性。

1曲軸模型的建立

1.1曲軸極限工作位置的確定

本文研究對象為某型號全無油二級空壓機，當氣缸中的氣體壓強最大和最小時，曲軸工作所處的位置稱為曲軸極限工作位置。在活塞運動到氣缸上止點時，氣缸內氣體被壓縮，體積最小，氣缸中的氣體壓強最大，此為一極限位置。同樣情況，在活塞運動到氣缸下止點時，氣缸內氣體體積最大，氣缸中的氣體壓強最小，為同一工作周期的另一極限位置。系統(tǒng)共有3個氣缸，6個極限位置，如圖1，1-6分別為6個極限工作位置。

圖1　曲軸的極限工作位置

1.2曲軸幾何模型的建立與簡化

根據(jù)熱力學計算與系統(tǒng)設計，該全無油空壓機曲軸建模的主要尺寸：總長為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高級仿真的材料庫中對應的材料為Iron_Cast_G60。選擇Iron_Cast_G60為曲軸的仿真材料參數(shù)。

表1　UG材料庫對應國內材料牌號

綜合考慮計算機求解時間效率、計算精度等因素，在仿真結果對曲軸力學分析影響可忽略情況下，需對通過UG構建的模型進行簡化[3]。建模中的曲軸局部存在倒角，兩端面螺紋、定位孔等，這些因素的存在會增加有限元分析工作量：節(jié)點、單元數(shù)量、劃分的有限元網(wǎng)絡密集度、節(jié)點方程會急劇增加，從增加仿真數(shù)據(jù)的準備、計算機仿真運行的時間；還有可能因此對劃分的單元形狀產生影響。參考相關研究成果[4-5]，本文對曲軸模型進行簡化時，不考慮倒角、曲軸兩端面的螺紋孔、定位孔等局部特性，其簡化結果如圖3所示。

圖3　曲軸模型的簡化

1.3曲軸有限元模型構建

由于曲軸形狀、結構較為復雜，是長徑比大且形狀不規(guī)則的軸系零件，進行有限元分析時，須將整體曲軸作為研究對象[6]。在UG中打開已構建的曲軸三維實體模型，然后打開高級仿真模塊，進行3D四面體網(wǎng)格參數(shù)設置，劃分網(wǎng)格。具體參數(shù)設置及網(wǎng)格劃分結果分別如圖4、圖5所示。

圖4　3D四面體網(wǎng)格劃分成參數(shù)設置

圖5　3D四面體網(wǎng)格劃分結果

對曲軸網(wǎng)格的劃分，采用UG自帶的自動劃分網(wǎng)格功能模塊實現(xiàn)，網(wǎng)格類型為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140 417個，單元91 368個。

2曲軸靜力學分析

根據(jù)產品的性能參數(shù)和玻意耳定律計算出各氣缸極限位置時的壓強，結合面積可以間接算出曲軸的載荷。由于氣缸在吸氣過程中產生的負壓很小，當作0處理，如表2數(shù)據(jù)所示，表3為對應氣缸產生的壓力。

表2　極限位置時各個氣缸的壓強(單位：MPa)

表3　各個氣缸的壓力(單位：N)

3仿真與結果分析

約束與載荷：前后主軸頸為銷釘約束；A、B、C等3個氣缸對曲軸的壓力是作用在一個曲面上，所以載荷為軸承載荷。在連接帶輪處為電機的轉矩，根據(jù)設備參數(shù)提供的數(shù)據(jù)，可計算：

T=9 550×W/n=71 600/800=89.5 N·m

T：轉矩，單位為N·m；W:功率，單位為kW；n:轉速，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)進行運算求解。完成模型求解后，進入后處理階段，生成云圖。 分析曲軸受力的變化，所以知道位移形變和應力大小即可，如表4所示。

表4　各狀態(tài)最大形變和最大應力

綜合對比6種狀態(tài)仿真云圖數(shù)據(jù)，狀態(tài)3形變和應力都為最大，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結論

通過對氣缸具有代表性的6個極限狀態(tài)位分析，結合仿真結果可知：氣缸處于3狀態(tài)位時的形變和位移均為最大。從位移云圖和應力云圖也可以清晰地看出，與二級氣缸連接的連桿對曲軸的作用力明顯大于與一級氣缸連接的連桿對曲軸的作用力。曲軸上通過連桿與二級氣缸相連接位置為相對危險位置，并且該位置的形變會影響到連桿軸頸與曲軸臂的工作狀態(tài)，在進行曲軸設計時，應充分考慮因應力和應變對連桿軸頸設計參數(shù)的影響。在材料選型上，主軸頸處應采用疲勞強度較好的軸承，同時增大曲軸與連桿的接觸面積。

圖7狀態(tài)3形變云圖

圖8　狀態(tài)3應力云圖

參考文獻:

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[3] 唐傳茵，馬巖，朱博，等.V6發(fā)動機曲軸有限元分析[J]. 機械設計與制造，2013(1)：211-213.

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[5] 李亞智，趙美英.有限元法基礎與程序設計[M].北京：科學出版社，2004:25-70.

[6] 李洪.基于有限元法的邊界條件處理對曲軸強度計算的影響[J]. 安慶師范學院學報(自然科學版),2006,10(2):35-37.

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

基金項目：安徽省教育廳自然科學研究重點項目(KJ2011A199)。

作者簡介：鄭春香，女，安徽安慶人，碩士， 安慶師范大學計算機與信息學院副教授，研究方向為計算機應用。 E-mail: dongjiadong@sina.com

中圖分類號：TP391

文獻標識碼：A

文章編號：1007-4260(2016)02-0089-04

網(wǎng)絡出版時間：2016-06-08 12:57網(wǎng)絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20160608.1257.021.html