工业压缩机的曲轴特性分析与研究

马希云

（安庆职业技术学院，安徽安庆　246003）

工业压缩机的曲轴特性分析与研究

马希云

（安庆职业技术学院，安徽安庆246003）

通过对某型压缩机曲轴进行分析，其中模态分析是利用ANSYS软件有限单元法来进行的，从而得到该型压缩机曲轴的动态特性，为进一步改进和优化整机及曲轴打下基础。

压缩机；曲轴；有限元法

空气压缩机，简称空压机，其有三大作用：压缩气体、提高气体压力和输送气体［1］。本文对某型空压机的曲轴进行分析，是该型压缩机整机分析和优化中的一个重要环节，并参与到企业实际生产和优化改进中，因而具有理论和实际的应用价值。

1　曲轴的模型建立

本型号空压机曲轴的类型是整体式曲轴，模型建立包括几何实体模型和有限元模型。实体模型的建立是利用三维CAD软件（SolidWorks）来建立的，有限元模型的建立是利用ANSYS软件来建立的。实体模型通过有限元软件提供的接口导入ANSYS中经过网格划分，再建立有限元模型。模型的建立是按照实际尺寸来的，并对模型进行了简化，计算结束后还需要对结果进行分析及总结。

1.1压缩机技术参数

本次分析与研究的该型空压机的技术参数为：①连杆考虑使用钛合金；②空压机3级压缩，单列级差式，水冷，进气压力0.1MPa，排气压力15MPa，排量12m3/min，轴功率N=3.8kW，机械效率ηw=0.85；③1级活塞直径128mm，2级活塞直径110mm，3级活塞直径25mm，活塞行程S=40mm，连杆长度L=134.5mm，曲柄半径R=20mm，额定转速n=750rpm，进气温度20℃，排气温度≤180℃；④活塞连杆组件质量5.1kg，活塞组件质量3.415kg，连杆大头质量1.129kg，连杆小头质量0.556kg。

为了便于对曲轴进行有限元分析，根据曲柄连杆机构动力学的计算公式由已知参数可计算出该型空压机的各级名义压力、三级进排气压力和实际压力比、盖侧活塞工作面积、盖侧活塞力、三级往复惯性力、三级气体力、三级综合活塞力、各级切向力和总切向力、飞轮矩等。通过分析还可以参考査阅计算表，得到各种工况下的受力情况。

1.2曲轴的实体模型

如图1所示为简化后压缩机的曲轴，从图1可以看出，其是异长轴类零件，特点包括长径比大、轴线不连续等。为了满足实际工作的需要，曲轴不同截面的结合处都有倒角，这些倒角的半径都不相等，这是为了达到减小应力集中的目的。并且把许多润滑油孔都布置在了曲轴上，这是为了方便曲轴和轴承间的润滑。

图1　项目曲轴结构图

在对曲轴进行动态扭振分析之前，需对实际装配曲轴模型进行简化，简化的具体内容包括：①对复杂的形状不必要的地方进行简化，不仅可以方便模型导入ANSYS软件中，还可以利用前处理器进行各种必要的调整；②在简化的过程中还把花键轴上的螺纹部分去掉，这是考虑到计算机硬件配置和有限元网格数量与计算量的关系；③为了使有限元网格划分顺利进行，还对一些不必要倒角、小圆角、油孔进行简化。

1.3曲轴的有限元模型

本型号空压机的曲轴模型要用到ANSYS软件的前处理模块，利用该模块就可以进行有限元离散化，离散化的针对对象为简化后的曲轴模型，该操作是利用高精度的SOLID92单元（十节点四面体单元）对曲轴进行网格划分，采用Block Lanczos法特征向量实现迭代计算。生成的有限元网格模型如图2所示。

图2　曲轴有限元网格图

2　曲轴结构的动态特性研究

压缩机整机的振动、噪音及使用寿命等方面都受到曲轴动态特性的影响。在对曲轴进行设计时，为了不产生共振现象，并能对振动幅值的减小有所帮助，就要使固有频率避开外激励的频率［2］。这个固有振动频率是曲轴结构自带的，每个曲轴结构都有自己的固有振动频率。针对曲轴结构的固有振动频率，首先要对结构的固有振型做到计算准确，这样便对激振力与振动两者之间的关系可以明确掌握，从而对该激振力作用下引起的振动情况分析清楚。最后可以做到对相应的激振力的频率控制准确，避免由此引起的共振现象。

不同频率所对应的振型，它们产生的影响是不一样的，这个影响指的就是在振动过程中对结构的振动影响［3］。其中，较低阶固有频率所对应的振型所起的作用为主要作用，而较高频率对应的振型带来的影响较小。另外，还需考虑到有阻尼出现在结构中，那么迅速衰减的振型不是低频所对应的，而应是高频所对应的振型。因此，对该型空压机的曲轴在求解模态中选取16阶自由振动频率。前10阶自由振动频率如表1所示，曲轴的前10阶自由振型如图3所示。

表1　曲轴的自由振动频率

图3　曲轴前10阶自由振型图

由结果可知，曲轴的频率在不同状态下是不一样的，其频率较低时的状态是自由状态。比较第一阶模态和第二阶模态发现，它们的共同点都是主要表现为以弯曲振动为主，而不同的地方在于其弯曲程度不同；第三阶主要表现为扭转振动，并以大曲轴颈与曲柄销部位较为明显；第四阶到第七阶模态主要表现为弯曲扭转与扭转振动，其中曲轴颈与曲柄销处较为明显；第八阶模态、第九阶模态和第十阶模态的共同点都是表现为交替出现的振动，这包括弯曲振动和扭转振动两者的交替。不难发现，这三种模态的共同点是既有整体弯曲又有轴向偏振，因此它们的振动形式较其他的更复杂。压缩机的工作频率12.5Hz与曲轴计算分析的最低固有频率相差较大，因此出现共振的可能较小。

上述分析结果对于认识该型往复活塞式压缩机的关键部件的受力和运动状况非常有帮助，为指导今后进一步进行实物样机设计、制作和试验打下了良好的基础。

［1］钱家祥.压缩机行业发展综述［J］.通用机械，2012（2）：27-30.

［2］Harvey Nix.Compressor Analysis［R］.Davison：Ingersoll-Rand，2006.

［3］马迅，左远化.曲轴的疲劳和模态分析［J］.汽车研究与开发，2003（5）：15-17.

Analysis and Research on the Characteristics of the Crankshaft of Industrial Compressor

Ma Xiyun
（Anqing Vocational and Technical College，Anqing Anhui 246003）

This paper analysed the crankshaft of a certain type of piston reciprocation compressor.Modal analysis was performed by using the ANSYS software of finite element methods，to get the dynamic characteristics of the crank⁃shaft of this compressor，in order to lay a foundation for further improvement and optimization of the whole machine and the crank.

piston reciprocation compressor；crankshaft；finite element methods

TH457

A

1003-5168（2016）08-0076-02

2016-07-09

马希云（1981-），女，硕士，讲师，研究方向：机械电子工程。