往復壓縮機軸系斷軸燒瓦及結構優化方案的有限元分析

趙寧 祖文柱 張海霞

摘? ?要：往復壓縮機是提高氣體壓力的通用機械，廣泛應用于各行業，遍及工農業、國防等各領域。石化工藝流程中對高壓的需求，使往復壓縮機的應用顯示出極大的優越性。文章針對某6列往復壓縮機斷軸現象，對不同方案進行模態數值模擬，提出減小軸系頻率的優化方案，通過減小軸系軸段直徑，使壓縮機轉速與扭轉頻率比增加到1.056。優化方案有效降低了制造成本。

關鍵詞：往復壓縮機;扭轉共振;優化設計;模態分析

往復式壓縮機是提高氣體壓力的通用機械，廣泛應用于各行業，遍及工農業、國防等各領域。石油化工流程對高壓的需求使得壓縮機顯示出極大的優越性。壓縮機軸系扭轉計算是制約壓縮機高速發展的瓶頸。國內外研究集中于內燃機軸系扭轉振動，本研究涉及的燒連桿瓦與機械動力學有關。有學者從事往復式壓縮機軸系動力學研究，介紹了利用分析軟件進行扭振計算的方法，考慮了諸多因素對其動力特性的影響。某6列往復壓縮機出現斷軸，加大曲軸直徑機組出現振動。通過調整壓縮機轉速解決問題，利用軟件對軸系產品進行動力學分析，針對壓縮機轉速等參數，提出優化措施，減小零部件結構尺寸。

1? ? 壓縮機軸系有限元模型建立

壓縮機是石化行業的關鍵動力設備，曲軸承受周期性變化交變荷載，產生振動。曲軸旋轉振動是引發壓縮機共振的重要因素，軸系動力學特性對壓縮機零部件使用壽命產生影響，對零部件影響明顯。壓縮機向大型多列方向發展，軸系動力學問題成為壓縮機發展的技術瓶頸[1]。

世界先進國家的壓縮機設計水平處于成熟階段，各國采用現代設計技術對機組性能改進等進行研究，國外公司對壓縮機氣閥的研究占有主要地位，我國壓縮機設計局限于工藝氣體管路設計方面。隨著科技的發展，計算機輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）應用到各行業，往復式壓縮機將計算機技術應用于產品設計，但與CAE計算機輔助設計應用相差很遠。動力學分析在機組結構強度校核等方面起決定性作用，通過壓縮機軸系動力學分析，可應用有限元法解決軸系動力問題。

某6列壓縮機組為對動平衡型，氣缸按順序排在6列。壓縮機軸系由往復質量等部件組成，軸系荷載包括電動機驅動力矩等，壓縮機軸系振動系統運動微分方程為MX+CX+KX=F，F為壓縮機軸系節點載荷列向量，M為壓縮機軸系結構扭轉質量矩陣，X為壓縮機軸系節點角速度向量，K為壓縮機軸系結構扭轉剛度矩陣。有限元模型采用10節點四面體單元，能引起系統扭振的荷載為軸系承受扭矩，泊松比μ=0.3，彈性模量E=210 000 MPa，原軸系、改進軸系用序號1，2表示。

2? ? 壓縮機軸系動力分析

軸系扭轉共振是轉速整數倍等于軸系扭轉頻率的狀態，分析軸系動力得到軸系扭轉頻率，通過模態分析可獲得系統頻率，軸系模態分析中主要作用是1階扭轉頻率。根據表1—2的分析結果，可得軸系諧頻及頻率比r，r為軸系7倍轉速諧頻ω與扭轉固有頻率ω1的比。

通過軸系動態響應分析，得到扭轉振幅等參數，是判斷沖擊載荷產生的依據，正應力σ與剪應力τ是曲軸疲勞強度校核的依據。第1列曲軸柄銷振幅形成頻率相等，如軸系產生共振，導致潤滑油膜破壞出現燒瓦，揭示了加粗軸系燒連桿瓦的原因。原軸系扭轉振幅拍現象，主軸直徑增加到300 mm時，振幅拍現象嚴重。改進軸系行程減小，共振程度降低。行程減小降低曲柄銷振幅，解決燒連桿瓦問題。計算軸系節點靜強度，加粗后軸系靜強度安全系數最低，改進軸系行程減小提高扭轉頻率，疲勞強度設計安全系數滿足要求。

3? ? 軸系的綜合優化

分析軸系扭轉振幅，原曲軸出現超載，通過加粗曲軸提高承載力，說明增加曲軸直徑不可取。比較改進前后機組性能的參數，行程采用原軸系結構，曲軸列間軸段直徑降到300 mm。

優化后軸系減小曲軸列間軸徑，軸系脫離共振區，曲柄銷扭轉振幅拍振消失。通過減小氣缸直徑，對軸系進行靜強度校核和疲勞強度校核，安全系數為2.05。比較改進軸系分析結果，曲軸直徑、十字頭質量等減小，優化軸系成本降低，應力滿足曲軸材料的要求。

4? ? 結語

壓縮機是石化工業關鍵動力設備，軸系動力學特性關系到機組運行可靠性，文章對壓縮機軸系動力學進行研究，進行結構改進設計分析。對曲軸加粗前后模態進行分析，解釋了曲軸斷裂的原因。對曲軸幾何參數進行優化設計，結果減小系統幾何尺寸，解決了非正常斷軸燒瓦問題。

[參考文獻]

[1]許增金.大型往復式壓縮機軸系動力學特性研究[D].沈陽：沈陽工業大學，2011.