空氣壓縮機用冷卻裝置浮動頭結構有限元分析

王　坤，　陳　恩，　郭　建，　魏紀君，　崔　哲（合肥通用機械研究院，安徽合肥230088）

空氣壓縮機用冷卻裝置浮動頭結構有限元分析

王坤，陳恩，郭建，魏紀君，崔哲
（合肥通用機械研究院，安徽合肥230088）

空氣壓縮機工作產生高溫高壓空氣，壓縮空氣的熱量由級間冷卻裝置帶走。浮動頭是空氣壓縮機用冷卻裝置的關鍵零件，是承受載荷較為嚴酷的零件。本文借助ANSYS有限元仿真軟件，對最高壓力狀態下浮動頭的受力情況進行分析，為浮動頭安全可靠地工作提供保證，并為避免浮動頭強度失效從制造加工過程提出解決方案。

浮動頭； 設計厚度； 錐殼； 有限元分析； 加工制造

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.02.021

0　引言

空氣壓縮機在工作產生高壓空氣過程中，對空氣壓縮做功，增加了壓縮介質的內能，介質溫度上升，在級間要對介質進行冷卻。目前比較常用的級間冷卻采用殼管式水冷冷卻裝置，高壓氣體位于冷卻芯子內，流動冷卻水走冷卻器殼程［1］。浮動頭是冷卻芯子中承受載荷較為嚴酷的零件，因此對其有著較高結構強度要求，現對最高工作壓力狀態下的浮動頭進行結構有限元分析，驗證設計是否符合強度要求，并提出加工制造時的注意事項。

1　模型及結構簡介

現有某高壓空氣壓縮機，最高級排氣壓力達到40MPa，配套的冷卻裝置冷卻芯子部分結構如圖1所示。

如圖所示，左端帶錐形結構的零件即為該冷卻芯子中的浮動頭，為換熱管所排出的高壓氣體提供過渡空間并將空氣向后輸送，浮動頭焊接在換熱管的管板上，與管板，換熱管一起構成高壓空氣的流道。

圖1　冷卻芯子部分結構模型

2　結構參數計算

該零件的剖面結構如圖2所示，在工作狀態下為受到內壓的容器，參照標準［2］，計算得出最高壓力40MPa下該零件應滿足的相關厚度尺寸，分別計算如下（計算按較大數值圓整）：

圖2　浮動頭剖面結構

（1）右邊錐殼厚度

式中 Pc—計算內壓力，40MPa；

Di—圓筒內徑，80mm；

［σ］t—圓筒材料許用應力，取137MPa；

φ—焊接接頭系數，取1；

α—錐角（模型為45°。

（2）錐殼過渡段厚度

式中 K—系數；選取見表1（本模型為α取45°，為留有計算余量，K取1）。

（2）與過渡段相連接處的錐殼厚度

式中 f—系數；選取見表2（本模型為α取45°，為留有計算余量，f取0.67）。

表1　系數K值

表2　系數f值

以上計算所得厚度取其最大值，即20mm。

3　模型建立及有限元仿真

以計算所得數據為基礎建立三維浮動頭模型如圖3所示。

圖2　浮動頭三維模型

將該模型導入ANSYS WORKBENCH15.0中，定義零件材料屬性為不銹鋼材料，輸入密度7960kg/m3，楊氏彈性模量數值1.92e11，泊松比0.3，利用WORKBENCH推薦單元劃分網格，為了保證分析質量，將選項element sizing設置為0.005m，從而保證網格和節點的數量，劃分后模型如圖4所示。

進入analysis settings，首先定義約束，如圖1所示，該浮動頭左邊圓柱段添加frictionless support圓柱面無摩擦滑動，由于浮動頭大端端面與冷卻芯子管板焊接，所以在大端斷面添加displacement位移約束并定義三方向數值為0；進而添加載荷，在該零件內壁上施加40MPa的內壓力（pressure），然后準備進入solution求解器，準備就緒模型狀態如圖5所示。

圖4　浮動頭有限元網格劃分效果

圖5　浮動頭有限元模型添加約束效果

開始求解，并插入STRESS中的von-mises應力分布云圖，顯示分布結果及形變如圖6所示。

圖6　浮動頭工作狀態下應力分布云圖

4　有限元仿真結果分析

（1）由分析結果可見，整個工件在工作狀態即40Mpa內壓力下的最大應力為133.2MPa，小于材料的許用安全應力，該工件設計階段計算確定的各處厚度數值合理［3］。

（2）從馮米斯應力分布情況可見，整個錐面上形變效果及內應力較為突出，雖然不是最大應力所在位置，但是整個面上應力分布均勻，且較大。該浮動頭在坯件鑄造時，需要在鑄造中避免氣孔和砂眼等缺陷的存在［4］，在鑄造工序，要從原材料準備、冶煉工藝、脫氧操作、變質處理等環節上切實做好，且鑄造后要對鑄件進行探傷處理，以防止鋼中夾雜物的存在產生裂紋，防止應力出現集中點進而導致工件失效。此外，該零件在機加工工序中，要注意盡量縮短刀具長度及控制刀具幾何參數，采用高速，小進給量，小切削深度的組合加工方式，實現較小的表面粗糙度［5］，以防止局部臺階的存在，產生局部應力。

（3）圖示最大應力出現在大端的平口處，為一圈環形分布，此處應為高壓氣體內壓力導致形變后產生的拉應力，此處距離上述與管板焊接處的焊縫位置相近。所以實際工作狀態下焊縫承受較大應力，為了使應力能均勻出現，在焊接時需要保證浮動頭與管板的同軸度；如果浮動頭與管板的焊接采用銀基釬焊焊接工藝，需要保證焊透，對釬焊工藝要求較高；如果采用氬弧焊工藝，則需注意滿焊焊接，可考慮焊接時涂敷奧氏體不銹鋼氬弧焊焊劑，可有效增大焊接熔深［6］，以保證焊接強度。

5　結語

浮動頭為空氣壓縮機級間水冷冷卻裝置中的重要零件，并且其材料承受著較為嚴酷的載荷，所以應在設計階段嚴格計算，留足余量，并提高后期鑄造質量，提升薄弱部位的機加工及焊接工藝水平，以保證結構強度。

［1］林培森王世平.氣體壓縮機冷卻器現狀及研究進展［J］.壓縮機技術，1998，（3）17～20.

［2］GB150-1998，鋼制壓力容器［S］.

［3］郭江建，羅陽，劉勝青，等.基于實例的焊接強度有限元分析方法的研究［J］.中國測試技術，2006，32（3）：36～38.

［4］劉兵，孟憲嘉，王永欽.鑄鋼件裂紋與鋼中夾雜物關系及減少措施［J］.鑄造技術，2005，26（10）：854～856.

［5］王素玉，趙軍，艾興，等.高速切削表面粗糙度理論研究綜述［J］.機械工程師，2004，（10）：3～5.

［6］張京海，魯曉聲，余巍.304不銹鋼氬弧焊焊劑的研究［J］.材料開發與應用，2000，15（6）：1～4.

Finite Element Analysis of the Floating Head Structure in Air Compressor Cooling Devices

WANG Kun， CHEN En， GUO Jian， WEI Ji-jun， CUI Zhe
（Hefei General Machinery Research Institute，Hefei 230088，China）

Air compressors produce air of high temperature and high pressure while working，so heat of the air should be taken away by cooling devices between stages.The floating head，which bears severe laod，is the key part of the cooling devices.This paper，based on the ANSYS environment，carries out the dynamic analysis of the float head force condition in the highest working pressure.This paper provides a guarantee for the safe and reliable operation of the floating head and suggests the solution during the design and manufacture process of the floating head in order to avoid its strength failure.

floating head； design thickness； conical shell； finite element analysis； manufacture

TH45

B

2095-3429（2015）01-0082-03

王坤（1987-），男，安徽滁州人，本科，學士，助理工程師，主要從事特種空調設計工作。

2015-02-03

2015-03-20