轉子式壓縮機軸承載荷計算方法研究

胡余生，徐　嘉，任麗萍

（國家節能環保制冷設備工程技術研究中心，廣東珠海 519070）

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轉子式壓縮機軸承載荷計算方法研究

胡余生*，徐嘉，任麗萍

（國家節能環保制冷設備工程技術研究中心，廣東珠海 519070）

[摘 要]本文針對轉子式壓縮機中影響軸承性能和可靠性重要參數之一的載荷進行了理論計算和有限元計算方法的對比研究。在不同工況下，采用理論計算和有限元計算得到的載荷值趨勢具有很高的吻合度。本文用有限元方法和試驗分析了上軸承有柔性槽和無柔性槽方案對壓縮機磨損和性能的影響。分析結果顯示，在工況一定的情況下，無柔性槽軸承方案磨損更嚴重，且性能較有柔性槽方案差。

[關鍵詞]載荷；軸承；轉子式壓縮機；有限元；柔性槽

*胡余生（1978-），男，高級工程師，碩士。研究方向：空調壓縮機及制冷系統。聯系地址：廣東省珠海市香洲區前山金雞西路789號，郵編：519070。聯系電話：0756-8669369。E-mail：dewtutg@163.com。

0 引言

高效和高可靠性是目前轉子式壓縮機研究發展的重點，而軸承系統設計是轉子式壓縮機設計的核心和難點。在研究壓縮機結構可靠性問題時，越來越多的研究人員使用有限元方法來分析和解決問題。文獻[1]利用有限元方法對單齒轉子壓縮機工作過程中轉子的力、熱變形進行了計算。文獻[2]通過使用ANSYS有限元軟件對轉子壓縮機中的運動部件進行了強度分析載荷，并結合試驗對相應部件進行了有效改進措施，而文獻[3]結合workbench對空氣源熱泵熱水器的管路進行了優化設計。文獻[4]和[5]通過有限元的模態分析，為壓縮機運行過程的振動與噪聲的優化設計提供了可靠的理論依據。基于有限元分析方法，文獻[6]建立了變頻空調器壓縮機配管系統虛擬樣機分析模型，而文獻[7]建立了壓縮機腳墊可靠性分析系統。

軸承載荷P是軸承設計必須計算評估的參數，P的大小直接影響產品的性能和可靠性。本文研究的是轉子式壓縮機上下軸承壓強P的評估方法。據文獻[8]報道，在壓縮機運行工況和頻率一定，潤滑條件不變的情況下，上下軸承與載荷P的關系最密切。目前載荷P的公式計算法假定軸承為剛性，載荷力F作用在軸承寬度中間，且軸承寬度為整段，本文將結合有限元分析和試驗結果對軸承寬度的取值進行研究。

1 軸承載荷P理論公式計算方法

軸承載荷P理論公式計算對產品設計初期的評價簡便易行，可實現對軸承尺寸參數進行篩選，提高工作效率的同時控制產品設計質量，因此方法的準確性及實用性很重要。

據文獻[9]表明，壓縮機A為大系列雙缸壓縮機，上下缸排量和相關尺寸相同，相位差180°。表1為壓縮機A結構尺寸參數。

表1　壓縮機A結構參數表

圖1(a)為壓縮機A計算軸承載荷P采用的傳統簡化模型圖示。圖1(b)為壓縮機A計算軸承載荷P采用的新簡化模型圖示。

圖1　簡化模型圖示

計算模型包括曲軸、上法蘭和下法蘭。

傳統簡化模型計算軸承載荷力時，假定作用點在軸承寬度的中部，作用范圍為軸承寬度整段，即為Hs和Hx。

新簡化模型計算軸承載荷力時，假定作用點在軸承寬度根部，作用范圍為有限元計算網格高度方向的邊長，即為Hs′和Hx′，取2 mm。

軸承壓強計算方法[10]如下：

式中：

Fg——曲軸偏心部承受的氣體力，N；

τ——偏徑比e/R；

Pθ——壓縮腔壓力，MPa；

Ps0——吸氣腔壓力，MPa；

θ——曲軸轉角，°。

式中：

f——離心力，N；

m——偏心質量，Kg；

n——壓縮機運轉速度，r/min；

r——偏心距，mm。

式中：

Fs——傳統簡化法上軸承載荷力，N；

Fx——傳統簡化法下軸承載荷力，N。

式中：

Hs——傳統簡化法上軸承寬度，mm；

Hx——傳統簡化法下軸承寬度，mm。

式中：

Fs′——新簡化法上軸承載荷力，N；

Fx′——新簡化法下軸承載荷力，N。

式中：

P——軸承載荷，MPa；

F——軸承載荷力，N；

B——軸承寬度，mm；

D——軸徑，mm。

式(3)～(6)中的載荷力均為矢量。

由式(1)～式(4)，可以得到傳統簡化法上下軸承載荷力Fs和Fx，再由式(7)，可以得到上下軸承載荷Ps和Px。

由式(1)、式(2)、式(5)和式(6)，可以得到新簡化法上下軸承載荷力Fs′和Fx′，再由式(7)，可以得到上下軸承載荷Ps′和Px′。

表2列出了下偏心承受最大載荷力時，傳統簡化法和新簡化法上下軸承載荷力和載荷的大小。

從計算結果可知，采用新簡化法計算得到的上軸承載荷力變大，下軸承載荷力減小，但變化不大；軸承寬度采用有限元計算網格數值獲得的軸承載荷P變大，變化幅度大。

表2　兩種簡化方式載荷情況

2 軸承載荷P有限元計算方法

軸承載荷P有限元計算模型包括曲軸、上法蘭和下法蘭，載荷施加氣體力Fg1和Fg2由公式(1)獲得，離心力f1和f2由公式(2)獲得，與公式計算中載荷一致，模型不考慮曲軸與法蘭間油膜，且曲軸與法蘭無間隙，即曲軸與法蘭直接接觸，如圖2所示。

圖2　有限元模型

壓縮機A在進行可靠性試驗評估后發現下軸承曲軸根部出現異常磨損如圖3(a)，經有限元分析發現下軸承曲軸根部軸承載荷P非常大，達到99.4 MPa，如圖4(a)所示。造成軸承壓強P大的主要原因是壓縮機A屬于大系列產品，排量放大，載荷增大，造成軸承單位面積承載能力不足。根據以往經驗，通過增設柔性槽，對增強軸承單位面積承載能力有明顯效果，如圖5所示，(a)為原方案未設置柔性槽，(b)為改進方案，在上下法蘭上分別設置有柔性槽。通過有限元分析發現下軸承曲軸根部軸承壓強P大大下降，降低至34.8 MPa，上軸承曲軸根部軸承壓強變化不大如圖4(b)，可靠性試驗后壓縮機A上下軸承曲軸均有磨損，且磨損明顯的位置還是處于曲軸根部，但并未出現異常類磨損如圖3(b)。

上述提及壓縮機A軸承通過增設柔性槽對磨損改善效果明顯，后進行了性能評估，結果如表3所示，增加柔性槽壓縮機功耗降低了1.1％，說明柔性槽對降低軸承載荷效果明顯，提高可靠性的同時可以降低軸承摩擦功耗。

圖3　有無柔性槽可靠性后軸磨損狀態圖

圖4　有無柔性方案曲軸壓強P云圖

圖5　有無柔性槽方案軸承示意圖

表3　有無柔性槽性能測試結果

有限元計算結果顯示軸承載荷最大位置一般出現在上下軸承曲軸根部，這點與試驗結果非常吻合，因此可以證實有限元計算方法具有一定的準確性，且軸承載荷的下降對壓縮機性能有所提升。

3 對比分析

文中第2和3部分介紹了壓縮機A采用公式法和有限元法計算上下軸承載荷P的方法，獲得了不同方法下載荷P，如表4。

表4　公式法與有限元法對比

公式法采用與有限元類似的簡化方式進行了計算，結果顯示新簡化公式法得到的上軸承壓強較有限元法軸承載荷的大22％，下軸承載荷小23.2％，但傳統簡化公式法與有限元法差距更大，且有限元法可以評估有柔性槽軸承方案，而公式計算法則不能評估。

公式計算法具有一定的局限性，只能作為研發人員在產品開發初期進行大量方案篩選時使用；要進行更為準確的評估，還需采用有限元法進行評估。

4 結論

通過公式法、有限元法及試驗研究對壓縮機軸承載荷進行分析，得出如下結論：

1） 壓縮機軸承載荷公式法采用新簡化法，簡化形式類似于有限元法，更具有可評估性；

2） 新簡化公式法只能計算無柔性槽方案，但可以作為評估是否需要增設柔性槽的快速方法；

3） 有限元法計算結果與可靠性試驗結果較吻合；

4） 軸承設置柔性槽對減小軸承壓強，提高軸承承載能力具有顯著效果。

參考文獻：

[1]彭學院,何志龍,邢子文,等.單齒轉子壓縮機轉子變形的有限元分析[J].流體機械,2000,28(8):23-26.

[2]盧朝霞,梁景,潘樹林.葉片鉸接滾動轉子壓縮機主要零部件的強度分析[J].流體機械,2009,37(11):24-27.

[3]楊天剛,肖劍,程德威,等.有限元分析在空氣源熱泵熱水器結構設計中的應用[J].制冷技術,2012,32(3):69-73.

[4]徐瑩.螺桿壓縮機結構模態分析[J].科教導刊（上旬刊）,2013(6):199-200.

[5]蔡建程,儲呈國,李艷,等.往復式制冷壓縮機殼體振動聲輻射特性的初步研究[J].制冷技術,2011,31(4):5-9.

[6]王冠新,楊磊,胡辰,等.基于虛擬樣機技術的變頻空調器配管系統動力學優化設計[J].制冷技術,2011,31(4):45-48.

[7]王繼承.壓縮機腳墊系統有限元模型可靠性研究[J].日用電器,2012(5):28-31.

[8]龐新宇.多支撐轉系系統軸承載荷與振動耦合特性研究[D].太原:太原理工大學,2011.

[9]馬國遠,李紅旗.轉子壓縮機[M].北京:中國機械工業出版社,2001.

[10]王鐸.理論力學[M].北京:中國高等教育出版社,1997.

Research on Bearing Load Calculation Method for Rotary Compressor

HU Yu-sheng*,XU Jia,REN Li-ping
(National Engineering Research Center of Green Refrigeration Equipment,Zhuhai,Guangdong 519070,China)

[Abstract]The load is one of the important parameters influencing the bearing performance and reliability of rotary compressor,and the comparative study of theoretical calculation and finite element calculation method for load is presented.The load value trend calculated by theoretical calculation and finite element method has a high goodness of fit under different working conditions.The effect of the upper bearings with or without flexible slot on the wear and performance of the compressor is analyzed by the finite element method and experiment.The analysis result shows that,the abrasion of the bearing without flexible slot is more serious and the performance is worse than that with flexible slot under a certain working condition.

[Keywords]Load; Bearing; Rotary compressor; Finite element; Flexible slot

doi：10.3969/j.issn.2095-4468.2016.01.110