往復式壓縮機曲軸強度影響因素研究

干杰

摘要：在壓縮機的工作過程中，曲軸的工作狀態(tài)是周期性變化的，曲軸作為往復式壓縮機中最重要的零件之一，其結構形狀復雜，在承受載荷時，各斷面突變處、潤滑油道處等位置容易產(chǎn)生應力集中，應力集中會使曲軸產(chǎn)生裂紋，甚至導致曲軸破壞。并且曲軸的工作環(huán)境隨著壓縮機各項指標的逐漸上升變得越來越嚴苛，因此對曲軸的強度與剛度提出了更高的要求。基于此，文章就往復式壓縮機曲軸強度影響因素進行分析。

關鍵詞：往復式壓縮機；曲軸強度；影響因素

1往復式壓縮機的結構

大型往復式壓縮機主要由工作腔部分、機座部分及輔助系統(tǒng)等三大部分組成。其中工作腔和機座作為壓縮機工作的主系統(tǒng)，其主要構件有1-氣缸蓋；2-排氣閥；3-進氣閥；4-氣缸；5-活塞環(huán)；6-連桿；7-曲軸；8-活塞；9-冷卻套；10-曲軸箱。往復式壓縮機結構示意圖如圖1所示。壓縮機工作時氣體依次經(jīng)過吸氣管、進氣腔、進氣閥進入到壓縮機氣缸內(nèi)，待活塞完成一個周期運動后，在經(jīng)過排氣閥、排氣腔、排氣管排除，壓縮機的好壞直接影響到壓縮機的排氣量、功率消耗及運轉的可靠性。

圖1往復式壓縮機結構示意圖

圖2往復式壓縮機曲軸受力簡圖

壓縮機工作時是一種電能向機械能轉化的過程。曲軸與電動機通過剛性聯(lián)軸器連接在一起，當電動機工作時，曲軸跟隨電動機一起轉動，并將原動機的功率通過連桿傳遞給活塞，將曲軸的旋轉運動轉化為活塞的往復運動，完成電能向機械能的轉化，曲軸旋轉一周，活塞往復運動一次。

曲軸作為壓縮機最主要的部件，在工作時所受載荷復雜，具有軸線不連續(xù)的特點，其加工工藝復雜，是壓縮機內(nèi)造價最高的部件。曲軸除了具有將其自身的旋轉運動轉化為活塞的往復運動的功能以外，還要肩負向潤滑系統(tǒng)輸送動力的責任，因此曲軸在設計、制造時在其表面布置了油孔和油管道，以便潤滑油能夠源源不斷地輸送給各軸承。

曲軸主要有三種結構形式：整體式、組合式和半組合式。由于整體式曲軸具有制造方便、結構簡單等優(yōu)點，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中大多采用整體式曲軸。

2往復式壓縮機曲軸

2.1往復式壓縮機曲軸受力分析

往復式壓縮機曲軸受力簡圖如上圖2所示，其中FL為連桿力，F(xiàn)N為側向力，F(xiàn)為活塞所受合力（由作用在活塞上的氣體力和往復慣性力以及摩擦力組成），p為連桿擺角，a為曲軸轉角。

3.評估方法及試驗設計

3.1強度評估方法

在曲軸的分析過程中，由于曲軸的結構復雜，容易出現(xiàn)應力奇異的現(xiàn)象。由于任何物體都是有一定的強度的，不可能出現(xiàn)應力無窮大。所以在實際結構中是不會出現(xiàn)應力奇異的。針對應力奇異的情況，高嵩等人在船體拐角處出現(xiàn)的應力奇異現(xiàn)象提出了外插值的方法。

3.2正交試驗設計

根據(jù)經(jīng)驗可知，影響曲軸強度的因素主要有過渡圓角的半徑R、潤滑油道的直徑D、連桿軸頸的長度L有關，另外曲軸根據(jù)過渡圓角的方式可以分為外圓角和內(nèi)圓角。結合正交試驗設計，過渡圓角半徑選4個水平，分別為8、9、10、11mm；潤滑油道的直徑選取4個水平，分別為12、13、14、15mm；軸頸長度為86/141、87/142、88/143、89/144mm；過渡圓角方式可認為兩水平，即外圓角和內(nèi)圓角。

3.3仿真求解用

ANSYS軟件對每組實驗進行仿真，其中每組實驗仿真曲軸工作一個周期，一個周期內(nèi)選取4個載荷步，分別為4列連桿軸頸中的每一列所承受載荷為最大時候的工況，經(jīng)過求解得出各組的應力狀態(tài)。

4.避免壓縮機曲軸損傷的方法

4.1保證機組良好的潤滑條件

大型機組的潤滑油品管理對保證機組正常運行至關重要，據(jù)分析統(tǒng)計，國內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)造成動設備損壞的主要原因中，因為設備潤滑管理不到位造成設備損壞的占比在80%左右。針對這一情況，生產(chǎn)單位普遍通過制定油品“五定”標準來規(guī)范對設備潤滑的管理工作，即“定人、定質(zhì)、定量、定點、定時”。另外，要對油品指標定期進行化驗分析，分析項目主要包括水分、黏度、酸值、閃點、抗乳化性及機械雜質(zhì)等，運行機組的油品分析頻次一般要求每月1次，庫存油品要求在使用前對指標進行化驗分析，根據(jù)化驗分析指標的具體情況，對油品進行更換、過濾或部分補充調(diào)整，最終達到保證油品指標合格的目的。

4.2確保壓縮機運行工況正常

壓縮機在額定工況允許范圍內(nèi)運行時，其軸瓦工作溫度均控制在正常工作范圍以內(nèi)，在這個溫度下潤滑油的各項理化指標比較穩(wěn)定，既保證了流動性，又保證其黏度，在運動機構的摩擦副表面形成合格的潤滑油膜，確保良好的潤滑條件。如果壓縮機在超溫、超壓或其他異常情況下運行，會使運動部件溫度上升，潤滑油的溫度也隨之上升而黏度下降，導致潤滑油膜被破壞或達不到要求，造成曲軸、軸瓦磨損加劇。因此，壓縮機一旦出現(xiàn)超溫、超壓或工況異常的現(xiàn)象，應及時檢查處理，避免損壞設備或造成更大的安全事故。

綜上，曲軸是壓縮機中最主要的運動部件，它的形狀復雜，對加工質(zhì)量的要求極高，制造工藝難度和復雜程度非常大。因此，在曲軸設計時，必須要考慮曲軸強度的影響因素，從而保證壓縮機的穩(wěn)定運行。