基于FEA的压缩机惯性飞轮修复技术研究的应用

李天云

(吐哈油田公司吐鲁番采油厂，新疆 鄯善 838202）

FEA（Finite Element Analysis）有限元分析，是近似求解一般连续问题的数值方法，最先用于结构应力分析，很快就广泛应用于求解传导、电磁场、流体力学等连续域问题。

根据结构受力方式的不同，可以划分成静态、准静态、动态三类问题。动态所受的外力等于其惯性力，即∑F=ma。主要分析碰撞问题（如碰撞、侵入、跌落）、模态分析、机械振动及其他动力学问题，用FEA技术完成压缩机惯性飞轮修复中惯性转动分析，确定修复技术的可行性。

1.压缩机惯性飞轮修复方案

油田某一压缩机惯性飞轮材质为HT250，最大外径φ1 005mm，重量1 000kg，飞轮通过中心的锥孔安装在飞轮轴上。飞轮上设计有10个φ58mm销孔，每个孔内部安装有弹性套、连接销与压缩机主轴连接见图1。

在使用过程中，出现弹性套损坏，造成连接销与飞轮上销孔接触，并磨损出偏心的圆弧孔，造成飞轮无法继续使用。

由于该压缩机为进口设备，惯性飞轮配件采购周期长、成本高，考虑采用相应措施给予修复。

技术人员讨论制定的修复方案是：将原有损坏的弹性联轴器销孔由φ58mm扩孔至φ66mm，压入内径φ58mm的钢质衬套。销孔、衬套配合公差为φ66h8/n7，最大配合过盈量0.026mm。

销孔磨损严重的需要对内孔堆焊后再进行后继扩孔和压入衬套（见图2）。

由于采用镗孔方式将原有的联接销孔扩大，影响了惯性飞轮的强度和固有频率。基于FEA技术进行了惯性飞轮修复前后的转动惯性分析和模态对比分析，以验证修复技术方案的可靠性。

2.压缩机惯性飞轮转动惯性分析

飞轮材料铸件HT250，抗拉强度σb=220MPa，弹性模量125GPa，泊松比：0.3。飞轮工作转速425r/min=7.083r/s。

（1）惯性力FEA分析。

取飞轮1/4部分进行分析，两侧边设置对称约束，轴压紧面Y方向约束，施转性载荷转速7.083r/s。

①原飞轮转动惯性分析。原弹性联轴器孔尺寸为φ58mm，FEA惯性分析Mises应力和总变形结果如下图3、图4。最大惯性应力为联轴器孔处1 700MPa，最大变形为飞轮轮辐处6.693mm，未考虑屈服。

②修复后飞轮转动惯性分析。修复后弹性联轴器孔尺寸为φ66mm，飞轮FEA惯性分析Mises应力和总变形结果如图5、图6。最大惯性应力为联轴器孔处1 848MPa，最大变形为飞轮轮辐处6.788mm。

（2）分析结果对比

由惯性分析结构对比可以确定。

①经过对第四强度理论Mises等效应力进行对比，修复后飞轮在惯性力作用下最大应力增加不大，修复后飞轮可以继续长期正常使用。

②要加大对修复带轮定期检查力度。

3.压缩机惯性飞轮模态分析

Hz

在飞轮修复中改变了飞轮的结构固有频率，为防止固有频率与转动惯性载荷频率相同或相近，造成共振现象，对修复带轮进行模态分析。

（1）飞轮固有频率计算

对飞轮修复后结构进行模态分析，计算前12阶固有频率见表1。第9阶固有频率应力及振型见图7、图8。

表1 修复飞轮固有频率

（2）结果分析

飞轮工作转速7.083r/s，其频率是7.083Hz，与第1阶、2阶频率相差较大，虽然与9阶频率比较接近，但阶次较高。因此结构改进后不会产生共振。

4.结论及现场应用效果

采用FEA技术对修复后惯性飞轮进行转动惯性分析、模态分析，修复后飞轮在惯性力作用下最大应力增加不大，修复后飞轮可以继续长期正常使用，且不会发生共振现象。

从2009年11月，修复后惯性飞轮使用至今未出现任何问题，进一步验证了修复措施的可靠性。

[1]张朝晖.ANSYS11.0结构分析工程应用实例解析[M].机械工业出版社，2009.

[2]赵经文,王宏钰.结构有限元分析[M].科学出版社，2001.