基于FEA的壓縮機慣性飛輪修復技術(shù)研究的應用

李天云

(吐哈油田公司吐魯番采油廠，新疆 鄯善 838202）

FEA（Finite Element Analysis）有限元分析，是近似求解一般連續(xù)問題的數(shù)值方法，最先用于結(jié)構(gòu)應力分析，很快就廣泛應用于求解傳導、電磁場、流體力學等連續(xù)域問題。

根據(jù)結(jié)構(gòu)受力方式的不同，可以劃分成靜態(tài)、準靜態(tài)、動態(tài)三類問題。動態(tài)所受的外力等于其慣性力，即∑F=ma。主要分析碰撞問題（如碰撞、侵入、跌落）、模態(tài)分析、機械振動及其他動力學問題，用FEA技術(shù)完成壓縮機慣性飛輪修復中慣性轉(zhuǎn)動分析，確定修復技術(shù)的可行性。

1.壓縮機慣性飛輪修復方案

油田某一壓縮機慣性飛輪材質(zhì)為HT250，最大外徑φ1 005mm，重量1 000kg，飛輪通過中心的錐孔安裝在飛輪軸上。飛輪上設計有10個φ58mm銷孔，每個孔內(nèi)部安裝有彈性套、連接銷與壓縮機主軸連接見圖1。

在使用過程中，出現(xiàn)彈性套損壞，造成連接銷與飛輪上銷孔接觸，并磨損出偏心的圓弧孔，造成飛輪無法繼續(xù)使用。

由于該壓縮機為進口設備，慣性飛輪配件采購周期長、成本高，考慮采用相應措施給予修復。

技術(shù)人員討論制定的修復方案是：將原有損壞的彈性聯(lián)軸器銷孔由φ58mm擴孔至φ66mm，壓入內(nèi)徑φ58mm的鋼質(zhì)襯套。銷孔、襯套配合公差為φ66h8/n7，最大配合過盈量0.026mm。

銷孔磨損嚴重的需要對內(nèi)孔堆焊后再進行后繼擴孔和壓入襯套（見圖2）。

由于采用鏜孔方式將原有的聯(lián)接銷孔擴大，影響了慣性飛輪的強度和固有頻率。基于FEA技術(shù)進行了慣性飛輪修復前后的轉(zhuǎn)動慣性分析和模態(tài)對比分析，以驗證修復技術(shù)方案的可靠性。

2.壓縮機慣性飛輪轉(zhuǎn)動慣性分析

飛輪材料鑄件HT250，抗拉強度σb=220MPa，彈性模量125GPa，泊松比：0.3。飛輪工作轉(zhuǎn)速425r/min=7.083r/s。

（1）慣性力FEA分析。

取飛輪1/4部分進行分析，兩側(cè)邊設置對稱約束，軸壓緊面Y方向約束，施轉(zhuǎn)性載荷轉(zhuǎn)速7.083r/s。

①原飛輪轉(zhuǎn)動慣性分析。原彈性聯(lián)軸器孔尺寸為φ58mm，F(xiàn)EA慣性分析Mises應力和總變形結(jié)果如下圖3、圖4。最大慣性應力為聯(lián)軸器孔處1 700MPa，最大變形為飛輪輪輻處6.693mm，未考慮屈服。

②修復后飛輪轉(zhuǎn)動慣性分析。修復后彈性聯(lián)軸器孔尺寸為φ66mm，飛輪FEA慣性分析Mises應力和總變形結(jié)果如圖5、圖6。最大慣性應力為聯(lián)軸器孔處1 848MPa，最大變形為飛輪輪輻處6.788mm。

（2）分析結(jié)果對比

由慣性分析結(jié)構(gòu)對比可以確定。

①經(jīng)過對第四強度理論Mises等效應力進行對比，修復后飛輪在慣性力作用下最大應力增加不大，修復后飛輪可以繼續(xù)長期正常使用。

②要加大對修復帶輪定期檢查力度。

3.壓縮機慣性飛輪模態(tài)分析

Hz

在飛輪修復中改變了飛輪的結(jié)構(gòu)固有頻率，為防止固有頻率與轉(zhuǎn)動慣性載荷頻率相同或相近，造成共振現(xiàn)象，對修復帶輪進行模態(tài)分析。

（1）飛輪固有頻率計算

對飛輪修復后結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，計算前12階固有頻率見表1。第9階固有頻率應力及振型見圖7、圖8。

表1 修復飛輪固有頻率

（2）結(jié)果分析

飛輪工作轉(zhuǎn)速7.083r/s，其頻率是7.083Hz，與第1階、2階頻率相差較大，雖然與9階頻率比較接近，但階次較高。因此結(jié)構(gòu)改進后不會產(chǎn)生共振。

4.結(jié)論及現(xiàn)場應用效果

采用FEA技術(shù)對修復后慣性飛輪進行轉(zhuǎn)動慣性分析、模態(tài)分析，修復后飛輪在慣性力作用下最大應力增加不大，修復后飛輪可以繼續(xù)長期正常使用，且不會發(fā)生共振現(xiàn)象。

從2009年11月，修復后慣性飛輪使用至今未出現(xiàn)任何問題，進一步驗證了修復措施的可靠性。

[1]張朝暉.ANSYS11.0結(jié)構(gòu)分析工程應用實例解析[M].機械工業(yè)出版社，2009.

[2]趙經(jīng)文,王宏鈺.結(jié)構(gòu)有限元分析[M].科學出版社，2001.