工業壓縮機的曲軸特性分析與研究

馬希云

（安慶職業技術學院，安徽安慶　246003）

工業壓縮機的曲軸特性分析與研究

馬希云

（安慶職業技術學院，安徽安慶246003）

通過對某型壓縮機曲軸進行分析，其中模態分析是利用ANSYS軟件有限單元法來進行的，從而得到該型壓縮機曲軸的動態特性，為進一步改進和優化整機及曲軸打下基礎。

壓縮機；曲軸；有限元法

空氣壓縮機，簡稱空壓機，其有三大作用：壓縮氣體、提高氣體壓力和輸送氣體［1］。本文對某型空壓機的曲軸進行分析，是該型壓縮機整機分析和優化中的一個重要環節，并參與到企業實際生產和優化改進中，因而具有理論和實際的應用價值。

1　曲軸的模型建立

本型號空壓機曲軸的類型是整體式曲軸，模型建立包括幾何實體模型和有限元模型。實體模型的建立是利用三維CAD軟件（SolidWorks）來建立的，有限元模型的建立是利用ANSYS軟件來建立的。實體模型通過有限元軟件提供的接口導入ANSYS中經過網格劃分，再建立有限元模型。模型的建立是按照實際尺寸來的，并對模型進行了簡化，計算結束后還需要對結果進行分析及總結。

1.1壓縮機技術參數

本次分析與研究的該型空壓機的技術參數為：①連桿考慮使用鈦合金；②空壓機3級壓縮，單列級差式，水冷，進氣壓力0.1MPa，排氣壓力15MPa，排量12m3/min，軸功率N=3.8kW，機械效率ηw=0.85；③1級活塞直徑128mm，2級活塞直徑110mm，3級活塞直徑25mm，活塞行程S=40mm，連桿長度L=134.5mm，曲柄半徑R=20mm，額定轉速n=750rpm，進氣溫度20℃，排氣溫度≤180℃；④活塞連桿組件質量5.1kg，活塞組件質量3.415kg，連桿大頭質量1.129kg，連桿小頭質量0.556kg。

為了便于對曲軸進行有限元分析，根據曲柄連桿機構動力學的計算公式由已知參數可計算出該型空壓機的各級名義壓力、三級進排氣壓力和實際壓力比、蓋側活塞工作面積、蓋側活塞力、三級往復慣性力、三級氣體力、三級綜合活塞力、各級切向力和總切向力、飛輪矩等。通過分析還可以參考査閱計算表，得到各種工況下的受力情況。

1.2曲軸的實體模型

如圖1所示為簡化后壓縮機的曲軸，從圖1可以看出，其是異長軸類零件，特點包括長徑比大、軸線不連續等。為了滿足實際工作的需要，曲軸不同截面的結合處都有倒角，這些倒角的半徑都不相等，這是為了達到減小應力集中的目的。并且把許多潤滑油孔都布置在了曲軸上，這是為了方便曲軸和軸承間的潤滑。

圖1　項目曲軸結構圖

在對曲軸進行動態扭振分析之前，需對實際裝配曲軸模型進行簡化，簡化的具體內容包括：①對復雜的形狀不必要的地方進行簡化，不僅可以方便模型導入ANSYS軟件中，還可以利用前處理器進行各種必要的調整；②在簡化的過程中還把花鍵軸上的螺紋部分去掉，這是考慮到計算機硬件配置和有限元網格數量與計算量的關系；③為了使有限元網格劃分順利進行，還對一些不必要倒角、小圓角、油孔進行簡化。

1.3曲軸的有限元模型

本型號空壓機的曲軸模型要用到ANSYS軟件的前處理模塊，利用該模塊就可以進行有限元離散化，離散化的針對對象為簡化后的曲軸模型，該操作是利用高精度的SOLID92單元（十節點四面體單元）對曲軸進行網格劃分，采用Block Lanczos法特征向量實現迭代計算。生成的有限元網格模型如圖2所示。

圖2　曲軸有限元網格圖

2　曲軸結構的動態特性研究

壓縮機整機的振動、噪音及使用壽命等方面都受到曲軸動態特性的影響。在對曲軸進行設計時，為了不產生共振現象，并能對振動幅值的減小有所幫助，就要使固有頻率避開外激勵的頻率［2］。這個固有振動頻率是曲軸結構自帶的，每個曲軸結構都有自己的固有振動頻率。針對曲軸結構的固有振動頻率，首先要對結構的固有振型做到計算準確，這樣便對激振力與振動兩者之間的關系可以明確掌握，從而對該激振力作用下引起的振動情況分析清楚。最后可以做到對相應的激振力的頻率控制準確，避免由此引起的共振現象。

不同頻率所對應的振型，它們產生的影響是不一樣的，這個影響指的就是在振動過程中對結構的振動影響［3］。其中，較低階固有頻率所對應的振型所起的作用為主要作用，而較高頻率對應的振型帶來的影響較小。另外，還需考慮到有阻尼出現在結構中，那么迅速衰減的振型不是低頻所對應的，而應是高頻所對應的振型。因此，對該型空壓機的曲軸在求解模態中選取16階自由振動頻率。前10階自由振動頻率如表1所示，曲軸的前10階自由振型如圖3所示。

表1　曲軸的自由振動頻率

圖3　曲軸前10階自由振型圖

由結果可知，曲軸的頻率在不同狀態下是不一樣的，其頻率較低時的狀態是自由狀態。比較第一階模態和第二階模態發現，它們的共同點都是主要表現為以彎曲振動為主，而不同的地方在于其彎曲程度不同；第三階主要表現為扭轉振動，并以大曲軸頸與曲柄銷部位較為明顯；第四階到第七階模態主要表現為彎曲扭轉與扭轉振動，其中曲軸頸與曲柄銷處較為明顯；第八階模態、第九階模態和第十階模態的共同點都是表現為交替出現的振動，這包括彎曲振動和扭轉振動兩者的交替。不難發現，這三種模態的共同點是既有整體彎曲又有軸向偏振，因此它們的振動形式較其他的更復雜。壓縮機的工作頻率12.5Hz與曲軸計算分析的最低固有頻率相差較大，因此出現共振的可能較小。

上述分析結果對于認識該型往復活塞式壓縮機的關鍵部件的受力和運動狀況非常有幫助，為指導今后進一步進行實物樣機設計、制作和試驗打下了良好的基礎。

［1］錢家祥.壓縮機行業發展綜述［J］.通用機械，2012（2）：27-30.

［2］Harvey Nix.Compressor Analysis［R］.Davison：Ingersoll-Rand，2006.

［3］馬迅，左遠化.曲軸的疲勞和模態分析［J］.汽車研究與開發，2003（5）：15-17.

Analysis and Research on the Characteristics of the Crankshaft of Industrial Compressor

Ma Xiyun
（Anqing Vocational and Technical College，Anqing Anhui 246003）

This paper analysed the crankshaft of a certain type of piston reciprocation compressor.Modal analysis was performed by using the ANSYS software of finite element methods，to get the dynamic characteristics of the crank?shaft of this compressor，in order to lay a foundation for further improvement and optimization of the whole machine and the crank.

piston reciprocation compressor；crankshaft；finite element methods

TH457

A

1003-5168（2016）08-0076-02

2016-07-09

馬希云（1981-），女，碩士，講師，研究方向：機械電子工程。