194 kW压缩机底架的模态分析对比

陈玉雯，林家祥，宋虎灵

（广西科技大学机械工程学院，广西柳州545006）

194 kW压缩机底架的模态分析对比

陈玉雯，林家祥，宋虎灵

（广西科技大学机械工程学院，广西柳州545006）

针对压缩机底架振动问题，运用Solidwoks建立压缩机底架的三维模型，运用Hypermesh软件进行有限元模型的建立并求解计算。分别对底架和装配条件下的底架进行模态分析，得到压缩机底架的固有频率和阵型。最后对底架进行实验测试，将两种底架的固有频率与测试结果进行对比。研究结果表明装配条件下的底架模态分析更符合实际。底架系统的固有频率与发动机工作频率不重叠，不会出现共振，为企业减震降噪分析提供理论依据。

底架；振动；模态分析；有限元方法

空压机在工业方面的应用越来越多，近几年空压机的振动噪声问题也受到越来越多的关注。空压机上的柴油机、螺杆机、油箱、冷却系统、油气分离器等各部件都安装在底架上。底架作为承载部件，在空压机安全性和功能性方面发挥着重要作用。一旦底架的固有频率与柴油机工作频率相近，则可能发生共振。这就会引起底架的局部变形，严重的还会发生断裂[1]。本文分别对194 kW压缩机底架和装配下底架进行模态分析，与试验分析结果对比，发现装配下底架的分析结果更加符合实际，为该型号底架的分析提供依据。

1194 kW压缩机底架有限元模型的建立

在Solidworks中建立194 kW空压机底架的几何模型，为使有限元模型的计算更加快捷，需要对几何模型进行局部特征消隐，这些特征对有限元的计算分析结果影响很小，却能够大大降低计算时间。将底架中的没有安装要求的螺纹孔忽略，不进行计算，并将钣金折弯处的圆角改为直角[2]。对几何模型处理好之后导入到hypermesh软件中进行前处理。首先抽取中面、采用壳单元划分网格，为使模态分析更符合实际情况，对底架施加约束条件[3]。然后设置底架的材料属性，底架所用材料为Q235钢，弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.27，材料密度为7 850 kg/m3.底架和装配条件下底架的有限元模型分别如图1和图2所示。

图1 底架有限元模型

图2 装配下底架有限元模型

2 194 kW压缩机底架的模态计算结果与分析

将有限元模型在Hypermesh中求解，考虑到高阶模态对结构振动影响很小，现只计算前六阶固有频率[4]，结果如表1所示。装配下底架阵型和底架阵型分别如图3和图4所示。从装配下底架的阵型图可以看出底架系统的蒙皮薄板件出容易发生局部屈曲，如果局部变形较大则会出现破损、开裂，影响使用寿命。因此在以后的底架动态设计中应考虑这些因素[5]。从底架的阵型可以看出，两条横梁的弯曲程度较大，会产生局部变形，若变形过大会影响安装在底架上的柴油机、主机等部件的工作效率，产生振动和噪音。

表1 约束模态及试验模态

图3 装配下底架前三阶阵型图

图4 底架前三阶阵型图

该型号压缩机采用6缸4冲程柴油机，正常工作转速900 r/min~2 200 r/min，根据发动机频率计算公式：

式中：f为工作转速；z为点火次数。

六缸发动机曲轴每转360°就会有三个气缸点火[6]，所以点火次数为3，由此可得工作时柴油机的工作频率为45 Hz~110 Hz.装配下底架即底架系统的前八阶频率均低于45 Hz，说明该底架系统不会与发动机的工作频率产生共振。

3 实验测试分析

3.1 模态对比分析

实验测试是研究振动特性的一种重要方法。采用LMS Test.Lab模态振动测试分析系统，对底架进行现场测试。通过锤击激振法对所研究对象施加激振力，由传感器拾取不同点位的信号之后将数据传递到电脑进行分析[7]。通过信号处理、数据拟合等手段得到模态刚度、模态阻尼、模态频率等分析结果[5]。试验模态结果列入表1.

3.2 结果分析

通过对比分析，装配下底架的固有频率更符合实际。根据振动理论可知，装配下底架的刚度明显下降[8]，同时也表明在底架上焊接蒙皮薄板件对整个底架系统的固有频率产生很大影响。由理论分析与试验测试结果比较可知，装配下底架的模态分析更加准确、符合实际。

4 结束语

（1）通过hypermesh软件对底架进行固有频率分析，得到前六阶底架及装配条件下的底架系统的固有频率和阵型。通过实际测试的试验模态与底架模态对比，可知装配下底架系统的模态分析更加准确、更加符合实际，同时也说明有限元分析的准确性。

（2）装配下底架前六阶固有频率均低于压缩机工作频率，说明这两类频率不重叠，不会发生共振。从阵型也可看出，蒙皮薄板件会出现振动，此分析为减振分析、优化设计提供理论参考。

[1]刘玉峰，张晓钟.门式起重机的模态分析[J].机械设计，2012，29（3）：18-21.

[2]杜平安.有限元网格划分的基本原则[J].机械设计与制造，2000，2（1）：34-36.

[3]詹迪斯.SolidWorks simulation premium振动分析教程[M].北京：机械工业出版社，2012：3-6.

[4]王明强，朱永梅，刘文欣.有限元网格划分方法应用研究[J].机械设计与制造，2004（1）：29-31.

[5]李峰，刘媛媛.某空压机车架随机振动响应分析[J].机械设计，2015，32（11）：92-95.

[6]周永新.应用模态分析的振动支架优化设计[J].现代制造工程，2009（8）：105-107.

[7]徐伟，戴云.基于模态分析的转向系统怠速振动优化[J].轻型汽车技术，2013（9）：15-18.

[8]张奕.汽车燃油箱的动静态强度分析[D].柳州：广西科技大学，2013.

Comparison of Modal Analysis of 194 kW Compressor Chassis

CHEN Yu-wen，LIN Jia-xiang，SONG Hu-ling
（Department of Mechanical Engineering，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou Guangxi 545006，China）

On account of the vibration of compressor frame，a three-dimensional model of a compressor frame is built by Solidwoks，finite element model is built and calculated by Hypermesh.Frame and the frame under the condition of assembly are modal analyzed，the natural frequency and the formation of a compressor are got.Finally，frame is tested and the two natural frequency and test results are contrasted，finding that the frame under the condition of assembly is more practical.The natural frequency of frame system and the working frequency of the engine does not overlap，resonance will not occur.Theoretical basis for the analysis of vibration reduction and noise reduction is provided for enterprises.

frame；vibration；model analysis；finite element method

O324；TB123

A

1672-545X（2016）11-0023-03

2016-08-17

项目来源：广西科技大学与柳工（柳州）压缩机有限公司合作的横向课题：压缩机减振、降噪研究项

陈玉雯（1990-），女，河南洛阳人，在读硕士研究生，主要研究方向：振动仿真；林家祥（1969-），男，广西贵港人，硕士，教授，高级工程师，研究生导师，研究方向：环保机械系统设计与零部件优化设计、虚拟样机技术的研究。