曲軸扭振對壓縮機的影響分析

巴和平

【摘 要】作為往復式壓縮機關鍵部件的曲軸，機體中承受著隨時間變化的交變載荷，產生彎曲、扭轉以及彎扭組合等各種振動-尤其是扭轉振動不僅影響使用壽命，而且直接關系到機組的安全性和穩定性，為此本文通過曲軸扭振特性分析研究，總結出曲軸產生扭振的主要因素，實現了降低振動烈度25%.優化結構的曲軸應用，為降低壓縮機整體振動提供改進依據。

【關鍵詞】往復壓縮機 扭振分析 模態分析 曲軸失效

1 曲軸扭振概述

壓縮機運轉時，曲軸系統受到大小和方向呈周期性變化的氣體壓力和運動零件慣性力作用，這些力會使曲軸相對于飛輪發生扭轉變形而引起扭振，即強制振動。這種振動易在工作轉速范圍內產生強烈共振，產生較大噪聲，加劇與曲軸相連齒輪系的磨損，嚴重時會導致曲軸扭斷。軸系扭轉振動計算結果表明：六列以上活塞式壓縮機，由于列數增多和曲軸增長，曲軸的自由扭轉振動頻率降低，有可能處于壓縮機名義轉速范圍內，導致曲軸因扭轉振動而破壞。六列以上的壓縮機扭轉振動應力對軸的總安全系數影響比四列以下曲軸的要大得多，所以，設計六列以上壓縮機曲軸時，要考慮軸系扭轉振動產生的應力。

模態分析和有限元分析技術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上的，采用實驗與理論相結合的方法來處理工程中的振動問題。用模態分析理論通過對試驗導納函數的曲線擬合，識別出結構物的模態參數，從而建立起結構物的模態模型。根據模態疊加原理，在己知各種載荷時間歷程的情況下，就可以預言結構物的實際振動的響應歷程或響應譜。目前的發展趨勢是把有限元方法和試驗模態分析技術有機的結合起來，取長補短，相得益彰。利用實驗模態分析結果檢驗、補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構的動力響應，進行結構的優化設計。

2 曲軸扭轉振動分析研究過程

2.1曲軸扭轉振動分析步驟

①借助PRO/E參數化建模功能，按實際尺寸對壓縮機軸系建立物理分析系統模型。

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

③對承受重力、旋轉離心力、驅動力矩以及綜合活塞力的壓縮機軸系進行靜力分析，獲得應力和變形等數據。

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

⑤根據得出的計算結果，并結合材料強度全面評定整個軸系工作的可靠性，是否應采取避振、減振措施，以及應采取何種形式的扭轉減振裝置。

2.2曲軸扭轉振動分析計算

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

（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，得到結構的頻率方程為：

（2.6）

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

3 結語

通過10階模態圖分析得出：曲軸軸系的模態分析可以知道該曲軸軸系的固有頻率和模態振型，確定出曲軸軸系的共振情況，通過重新規劃設計軸系組件結構，確定組件之間的關聯措施、研究設計出有效的避振阻尼結構。最總設計出優化的曲軸結構，通過該優化曲軸應用，實現了降低振動烈度25%。

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