空气压缩机用冷却装置浮动头结构有限元分析

王　坤，　陈　恩，　郭　建，　魏纪君，　崔　哲（合肥通用机械研究院，安徽合肥230088）

空气压缩机用冷却装置浮动头结构有限元分析

王坤，陈恩，郭建，魏纪君，崔哲
（合肥通用机械研究院，安徽合肥230088）

空气压缩机工作产生高温高压空气，压缩空气的热量由级间冷却装置带走。浮动头是空气压缩机用冷却装置的关键零件，是承受载荷较为严酷的零件。本文借助ANSYS有限元仿真软件，对最高压力状态下浮动头的受力情况进行分析，为浮动头安全可靠地工作提供保证，并为避免浮动头强度失效从制造加工过程提出解决方案。

浮动头； 设计厚度； 锥壳； 有限元分析； 加工制造

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.02.021

0　引言

空气压缩机在工作产生高压空气过程中，对空气压缩做功，增加了压缩介质的内能，介质温度上升，在级间要对介质进行冷却。目前比较常用的级间冷却采用壳管式水冷冷却装置，高压气体位于冷却芯子内，流动冷却水走冷却器壳程［1］。浮动头是冷却芯子中承受载荷较为严酷的零件，因此对其有着较高结构强度要求，现对最高工作压力状态下的浮动头进行结构有限元分析，验证设计是否符合强度要求，并提出加工制造时的注意事项。

1　模型及结构简介

现有某高压空气压缩机，最高级排气压力达到40MPa，配套的冷却装置冷却芯子部分结构如图1所示。

如图所示，左端带锥形结构的零件即为该冷却芯子中的浮动头，为换热管所排出的高压气体提供过渡空间并将空气向后输送，浮动头焊接在换热管的管板上，与管板，换热管一起构成高压空气的流道。

图1　冷却芯子部分结构模型

2　结构参数计算

该零件的剖面结构如图2所示，在工作状态下为受到内压的容器，参照标准［2］，计算得出最高压力40MPa下该零件应满足的相关厚度尺寸，分别计算如下（计算按较大数值圆整）：

图2　浮动头剖面结构

（1）右边锥壳厚度

式中 Pc—计算内压力，40MPa；

Di—圆筒内径，80mm；

［σ］t—圆筒材料许用应力，取137MPa；

φ—焊接接头系数，取1；

α—锥角（模型为45°。

（2）锥壳过渡段厚度

式中 K—系数；选取见表1（本模型为α取45°，为留有计算余量，K取1）。

（2）与过渡段相连接处的锥壳厚度

式中 f—系数；选取见表2（本模型为α取45°，为留有计算余量，f取0.67）。

表1　系数K值

表2　系数f值

以上计算所得厚度取其最大值，即20mm。

3　模型建立及有限元仿真

以计算所得数据为基础建立三维浮动头模型如图3所示。

图2　浮动头三维模型

将该模型导入ANSYS WORKBENCH15.0中，定义零件材料属性为不锈钢材料，输入密度7960kg/m3，杨氏弹性模量数值1.92e11，泊松比0.3，利用WORKBENCH推荐单元划分网格，为了保证分析质量，将选项element sizing设置为0.005m，从而保证网格和节点的数量，划分后模型如图4所示。

进入analysis settings，首先定义约束，如图1所示，该浮动头左边圆柱段添加frictionless support圆柱面无摩擦滑动，由于浮动头大端端面与冷却芯子管板焊接，所以在大端断面添加displacement位移约束并定义三方向数值为0；进而添加载荷，在该零件内壁上施加40MPa的内压力（pressure），然后准备进入solution求解器，准备就绪模型状态如图5所示。

图4　浮动头有限元网格划分效果

图5　浮动头有限元模型添加约束效果

开始求解，并插入STRESS中的von-mises应力分布云图，显示分布结果及形变如图6所示。

图6　浮动头工作状态下应力分布云图

4　有限元仿真结果分析

（1）由分析结果可见，整个工件在工作状态即40Mpa内压力下的最大应力为133.2MPa，小于材料的许用安全应力，该工件设计阶段计算确定的各处厚度数值合理［3］。

（2）从冯米斯应力分布情况可见，整个锥面上形变效果及内应力较为突出，虽然不是最大应力所在位置，但是整个面上应力分布均匀，且较大。该浮动头在坯件铸造时，需要在铸造中避免气孔和砂眼等缺陷的存在［4］，在铸造工序，要从原材料准备、冶炼工艺、脱氧操作、变质处理等环节上切实做好，且铸造后要对铸件进行探伤处理，以防止钢中夹杂物的存在产生裂纹，防止应力出现集中点进而导致工件失效。此外，该零件在机加工工序中，要注意尽量缩短刀具长度及控制刀具几何参数，采用高速，小进给量，小切削深度的组合加工方式，实现较小的表面粗糙度［5］，以防止局部台阶的存在，产生局部应力。

（3）图示最大应力出现在大端的平口处，为一圈环形分布，此处应为高压气体内压力导致形变后产生的拉应力，此处距离上述与管板焊接处的焊缝位置相近。所以实际工作状态下焊缝承受较大应力，为了使应力能均匀出现，在焊接时需要保证浮动头与管板的同轴度；如果浮动头与管板的焊接采用银基钎焊焊接工艺，需要保证焊透，对钎焊工艺要求较高；如果采用氩弧焊工艺，则需注意满焊焊接，可考虑焊接时涂敷奥氏体不锈钢氩弧焊焊剂，可有效增大焊接熔深［6］，以保证焊接强度。

5　结语

浮动头为空气压缩机级间水冷冷却装置中的重要零件，并且其材料承受着较为严酷的载荷，所以应在设计阶段严格计算，留足余量，并提高后期铸造质量，提升薄弱部位的机加工及焊接工艺水平，以保证结构强度。

［1］林培森王世平.气体压缩机冷却器现状及研究进展［J］.压缩机技术，1998，（3）17～20.

［2］GB150-1998，钢制压力容器［S］.

［3］郭江建，罗阳，刘胜青，等.基于实例的焊接强度有限元分析方法的研究［J］.中国测试技术，2006，32（3）：36～38.

［4］刘兵，孟宪嘉，王永钦.铸钢件裂纹与钢中夹杂物关系及减少措施［J］.铸造技术，2005，26（10）：854～856.

［5］王素玉，赵军，艾兴，等.高速切削表面粗糙度理论研究综述［J］.机械工程师，2004，（10）：3～5.

［6］张京海，鲁晓声，余巍.304不锈钢氩弧焊焊剂的研究［J］.材料开发与应用，2000，15（6）：1～4.

Finite Element Analysis of the Floating Head Structure in Air Compressor Cooling Devices

WANG Kun， CHEN En， GUO Jian， WEI Ji-jun， CUI Zhe
（Hefei General Machinery Research Institute，Hefei 230088，China）

Air compressors produce air of high temperature and high pressure while working，so heat of the air should be taken away by cooling devices between stages.The floating head，which bears severe laod，is the key part of the cooling devices.This paper，based on the ANSYS environment，carries out the dynamic analysis of the float head force condition in the highest working pressure.This paper provides a guarantee for the safe and reliable operation of the floating head and suggests the solution during the design and manufacture process of the floating head in order to avoid its strength failure.

floating head； design thickness； conical shell； finite element analysis； manufacture

TH45

B

2095-3429（2015）01-0082-03

王坤（1987-），男，安徽滁州人，本科，学士，助理工程师，主要从事特种空调设计工作。

2015-02-03

2015-03-20