往復式壓縮機曲軸強度影響因素研究

摘 要：在壓縮機的工作過程中，關鍵的運行部位便是曲軸和相關的結構部分，通常該部件的運轉情況是呈定量且定期的，而且該部件在壓縮機工作時，一直都在承擔較大負荷，各斷面突變處、潤滑油通道、曲軸接觸面等位置，這些持續承擔工作壓力的部位都十分容易出現問題，影響壓縮機整體的工作運轉，嚴重還會造成曲軸的損壞。而且由于壓縮機在持續工作的過程中，內部的溫度等指標不斷升高，對于曲軸的影響也越來越明顯，所以曲軸的關鍵就在于能否在這種環境依然能保持穩定的工作。基于此，文章通過對壓縮機工作過程中，造成曲軸損壞的各方面原因進行了論述。

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

如下圖所示，該圖便是往復式壓縮機的切面圖，從內部來看，占體積最大的為工作腔，還有壓縮機底部的機座以及周圍的各種輔助系統，在實際工作中，主要由下面兩個系統進行持續運轉，其主要構件有活塞、十字銷、連桿、軸瓦、曲軸、曲軸箱、進排氣閥門及管道等。該壓縮機的工作流程為：吸氣管先將氣體吸入壓縮機，通過簡單的處理最后進入內部的氣缸中，這些氣體會壓縮活塞進行運動，完成一個周期的往復運動后，氣體再由排氣系統進行排氣。從壓縮機的整體構造來看，整體質量對于工作效率、排氣等都有較大影響。

從工作原理來看，該壓縮機的內部工作原理和能量轉換過程其實非常簡單，壓縮機接通電源后，電動機先開始運轉，由電動機帶動內部曲軸運轉，然后通過往復運動，將能量傳遞給活塞部位，這就可以曲軸上的能量轉移到活塞上，使得活塞開始工作，完成電能向機械能的轉化，在這個過程中，能量損耗較少，曲軸每旋轉一周對應就可以推動活塞工作一次。

在壓縮機內部的結構中，曲軸是最為關鍵的結構，也是成本較為昂貴的部位，主要由兩方面原因，其一是因為曲軸本身的結構就十分復雜，而且也較為精密，持續工作是所承擔的負荷也較大，這一特點導致了曲軸制作較為繁瑣；其二是因為曲軸在壓縮機內部的多元化功能，是一個承上啟下的部件，構造復雜，還要滿足轉化能量、輸送動力等需求，所以曲軸是往復式壓縮機中最為重要的部件。

我們從曲軸的構成來看，主要分為三種，分別是整體式、組合式以及半組合式，從工業的實際應用來看，整體式的應用最為廣泛，因為該結構構造較為簡單、制作成本也相對較低、維修也最為簡單等。

2 往復式壓縮機曲軸

2.1 往復式壓縮機曲軸尺寸

曲軸的各個主要參數為：總長度為2410mm，其中，第1列連桿軸頸長度L2為88mm，第2列連桿軸頸長度L3為143mm，主軸頸直徑D1為210mm，連桿軸頸直徑D2 為210mm，潤滑油道D3為12mm，過渡圓角半徑R為10mm。

2.2 往復式壓縮機曲軸受力分析

在壓縮機工作過程中，內部曲軸各個位置的受力分析如圖所示，其中連桿力用FL 代表，側向力用FN 代表，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）用F 代表，連桿擺角用β 代表，曲軸轉角用α代表。

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，我們需要考慮的情況較多，從曲軸本身的構造來看，因為曲軸構造相對較為復雜，工作時承載負荷較大，實際中出現的故障或者問題也具有多樣性，比較難進行針對性的預防和處理。從應力奇異這一方面來看，可以在曲軸船體主要受力的通道接觸部分以及拐角部位，進行外插。

3.2正交試驗設計

根據經驗可知，與曲軸結構強度直接有關的方面主要由三個，比如曲軸內部的主干軸頸的長度、起潤滑作用的通道直徑，還有最為關鍵的過渡圓角的半徑長短。通過大量實驗結果印證，我們主要選取8、9、10、11mm作為過渡圓角的半徑；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；對于過渡圓角來說，具體還可以分為外部圓角和內部圓角。

3.3仿真求解用

ANSYS在實驗數據的統計和使用上具有較大優勢，可以將實驗過程中的數據填入，進行實際情況的模擬，通過一定量的數據模擬，可以得出較為準確的工作參數以及應力值等。

4結果分析

我們從曲軸的結構對其進行分析，因為每個內部結構在壓縮機工作過程中的損耗程度不同，所以每個結構對于曲軸的影響效果也有較大差別，而且在實際工作過程中，這些影響效果并不是相互平行作用的，而是互相交錯，所以一個較小的問題可能就會造成曲軸整體的故障甚至損壞。對于曲軸的過渡圓角來說，該部分對于曲軸的影響最大，尤其是當半徑出現變化時，對于曲軸的影響效果變化也十分明顯，但有個別例外，可能原因為：該壓縮機內部結構復雜，每個關鍵部件的影響都是相互交錯的。

5.避免壓縮機曲軸損傷的方法

5.1 保證機組良好的潤滑條件

由于工業生產通常都具有產量大、持續工作時間長等特點，所以相關的機械設備對于潤滑產品的需求較大，而且十分需要高質量的潤滑產品，根據我國機械設備的損壞情況統計來看，每年損壞的機械設備有將近8成都是由于潤滑問題導致的。所以我們一定要嚴格制定對于潤滑產品的需求標準，就比如 “定人、定質、定量、定點、定時”。此外，潤滑產品的質量也要重點檢測，主要的檢測項目為水分、黏度、酸值、閃點、抗乳化性及機械雜質等，此外，還要定期對于潤滑油進行抽樣化驗檢查，再根據化驗結果，對潤滑油進行針對性的處理?？傊?，要保證機組良好的潤滑條件。

5.2 確保壓縮機運行工況正常

壓縮機雖然時機械設備，但是其內部曲軸、軸瓦等部件，都對于外部環境的要求較穩定，如果壓縮機長時間在溫度較高的環境持續工作，高溫會導致潤滑油的物理性質出現變化，潤滑油的黏性、潤滑度、正常的流動都會受到影響，從而導致壓縮機內部各個部件工作時的摩擦增大，問題嚴重可能會導致壓縮機內部損壞，此外，對于外部壓強、濕度等環境因素，也需要控制，盡量避免壓縮機在特殊的環境中持續工作，而且一旦壓縮機出現異常，要立即進行斷電，檢查，防止進一步損壞，造成不可挽回的損失，甚至可能導致生產責任事故。

綜上，我們可以了解到，曲軸是壓縮機工作中的核心位置，它對于外界環境要求較高，曲軸不僅要滿足壓縮機內部持續工作的工作負荷，還要承擔一部分能量轉化功能，所以必須要保證曲軸在制作過程中，嚴格的符合各項標準，從而保證壓縮機的穩定運行。

參考文獻：

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[3] 鮑軍，張成彥，姜慧君，邢志勝. 往復式壓縮機曲軸動態特性分析[J]. 機械設計與制造，2015（3）：233-236

作者簡介：姓名：干杰（1988—），性別：男，民族：漢，職稱：助理工程師，籍貫：陜西省延安市延川縣。