壓縮機曲軸振動性能分析

李昊越

摘 要：曲軸是壓縮機的重要部件。本文建立了曲軸的三維有限元模型，將活塞桿作用力轉換成面力施加到曲軸上，對曲軸進行了靜力和動力分析，得到了曲軸的應力和變形以及固有頻率和振型，對其強度、剛度和振動性能分析校核，在此基礎上，對曲軸結構進行改進，在保證性能不變的情況下，可以減少曲軸質量問題，降低工作過程的激振力及振動響應。

關鍵詞：曲軸;振動;壓縮機;有限元

0 引言

壓縮機是增加氣體壓力或輸送氣體的設備，曲軸形狀復雜，在工作中要承受周期性的扭轉和交變彎曲應力，設計不當嚴重時在工作中可能斷裂，進而連帶造成其它零件破壞，最終導致整個壓縮機損壞。另外曲軸運動過程中在動態載荷作用下會形成各種類型的振動，振動將以主軸為載體鏈傳遞到壓縮機其他部分，造成壓縮機的其余部分振動，使其噪聲大，直接造成其工作周期縮短，所以對曲軸進行必要的靜力和動力學分析是提高壓縮機性能的關鍵步驟。

目前，有限元分析已成為研究曲軸動靜態性能主要手段，王瓊[1]運用ANSYS分析軟件對軸系進行了有限元分析，校驗了曲軸的安全可靠性，研究發現曲軸中較大的應力主要集中在軸頸和曲柄連接處，以及曲柄和曲柄銷連接處。徐增金[2]等學者以某6列往復壓縮機為研究對象，使用ANSYS有限元軟件對一臺燒瓦且斷軸的原軸系和調整后的軸系依次進行扭振的分析，對斷軸和燒瓦現象產生的原因進行了研究。趙斌[3]對曲軸模態進行了分析，得出曲軸前六個固有頻率和振型，對曲軸的結構進行了優化設計以避免共振，從而達到達延緩曲軸的疲勞破壞、延長使用的目的。本文以氦氫壓縮機曲軸為研究對象，利用計算機有限元模擬ANSYS軟件對曲軸進行靜力和振動分析，在此基礎上對曲軸進行優化設計，以提高題其整體性能和使用壽命。

1 有限元模型

本文采用ANSYS軟件研究氮氫往復式壓縮機曲軸，曲軸基本參數如下：長度為5460mm，主軸頸直徑為280mm，曲柄銷直徑為290mm，材料為45號鋼，屈服極限大于355MPa，強度極限600MPa。

在建立曲軸三維模型時，在不影響分析結果的基礎上對模型做了簡化處理，主要體現在兩個方面：（1）簡化曲軸結構中圓角和油孔。如果在曲軸三維建模時考慮圓角和油孔，會增加網格的密集程度，增加了時間成本，另一方面過多的細節反而讓結構受力情況更復雜，影響計算的精準度。（2）簡化所有螺栓孔，這主要是考慮到螺栓孔剛度在后期加裝螺栓后強度和剛度都會增大，而且簡化也規避了畸形網格的出現從而保證計算精度。上述簡化對有限元模態分析結果沒有影響，但可能會造成應力計算結果的降低，但影響的僅僅是孔周圍的局部位置。另外在曲拐與主軸和軸頸鏈接等應力集中的部位對網格進行了細化。ANSYS軟件提供的網格劃分主要有自由網格劃分，映射網格劃分，拖拉、掃略網格劃分，由于曲軸形狀不規則，本文選用的是自由網格的方式。自由網格指的就是對單元的形狀無明確規定，最后得到的單元也不規則，這種方法自動化程度最高，它在面上（平面、曲面）可以自動生成三角形或四邊形網格。為提高計算精度，計算采用三維20節點等參實體單元，共劃分142653單元，231456個節點。

曲軸主機轉速n=333r/min，壓縮機曲軸功率3143kw，曲軸扭矩T=90137（N·m），將扭矩平均分配到六個曲拐，從而得出作用在曲軸一個曲拐上的力大小為8.33×104N，進而可以得到作用在曲拐單位面積上的壓力大小為1.566MPa。曲軸底座與電機連接的平面上施加固定約束，軸承處施加鉸支撐，僅僅約束三個平移自由度，彎曲和旋轉的自由度不進行約束。

2 數值模擬結果

首先對曲軸進行了靜力分析，結果顯示最大Miss應力為44.20，位于主軸頸的最外層，當量應力小于材料的許用應力，強度滿足要求，曲軸最大位移為1.41mm，位于曲柄最外層，剛度也滿足要求。曲軸前5階固有頻率和振動形式在表1中給出?？闯銮S的第1階振型表現為第3 個曲拐的扭轉振動，振動頻率為72.264Hz，曲軸工作轉速為333r/min，小于臨界轉速，不會發生共振。

從前面的強度分析結果可以看出，曲軸最大當量應力遠小于材料的許用應力，所以可以在保證強度的條件下，對曲軸結構進行改進，減少曲軸質量，提高固有頻率，改進其針對性能。

通過分析發現，曲拐背部的圓角對提高曲軸的振動性能非常重要，如果沒有上述的圓角過度，固有頻率將下降很多，接近工作轉速。但頂部圓角也不能過大，否則曲拐頂部的厚度太薄，傳遞扭矩的過程中會產生過大的應力。所以曲拐結構尺寸減小的空間已經很小，通過減少曲拐質量優化曲軸振動性能不可行。唯一可調整的是曲柄銷，如果將曲柄銷改為空心，將會減輕曲軸的質量，提高固有頻率，曲柄銷直徑為280mm，所以改進方案將其改為空心，內孔直徑200mm，對結構修改后的曲軸重新進行了網格劃分和分析，結果顯示最大Miss應力為51.12MPa，前 5階固有頻率在表1中給出，第一階固有頻率71.411Hz，可以看出應力和固有頻率都變化不大，除第1階略有下降外，其余階都有所增加，這主要是由于采用空心連桿軸頸，雖然剛度降低，但質量減小，所以總體固有頻率基本不變。但連桿軸頸的質量的降低，可以減小偏向質量，使得曲軸在旋轉過程中激振力減小，從而降低振動的響應，大大提高曲折的疲勞壽命。所以采用空心曲軸頸是改進曲軸設計的有效手段。

3 結論

本文應用有限元分析軟件ANSYS建立了曲軸的三維有限元模型，并進行了曲軸的靜態強度分析和模態分析，研究了曲軸的靜態和動態特性，得到了應力、變形、固有頻率和振型等結果，研究表明滿足強度和剛度要求。曲軸最低階固有頻率為72.264Hz，曲軸工作時不會發生共振。在此基礎上對曲軸進行優化、將曲柄銷由實心改為空心，改進后的曲軸第一階固有頻率變化不大，但激振力大大降低，其動態性能得到很大提高，減少了工作時應力的響應，可以很大程度提高曲軸的疲勞壽命。同時曲軸的模態結果能夠用來預測壓縮機各部件之間的動態干擾的可能性，為改善壓縮機整體性能，提供了有效的依據。

參考文獻：

[1]王瓊.往復壓縮機曲軸強度分析[J].壓縮機技術，2014，（4）：10-14.

[2]徐增金，王世杰，李媛，往復壓縮機軸系扭振有限元分析[J].機械強度，2011，（33）：137-142.

[3]趙斌.壓縮機曲軸的有限元分析[J].壓縮機技術，2010，（3）：20-21.