往复式压缩机曲轴强度影响因素研究

摘 要：在压缩机的工作过程中，关键的运行部位便是曲轴和相关的结构部分，通常该部件的运转情况是呈定量且定期的，而且该部件在压缩机工作时，一直都在承担较大负荷，各断面突变处、润滑油通道、曲轴接触面等位置，这些持续承担工作压力的部位都十分容易出现问题，影响压缩机整体的工作运转，严重还会造成曲轴的损坏。而且由于压缩机在持续工作的过程中，内部的温度等指标不断升高，对于曲轴的影响也越来越明显，所以曲轴的关键就在于能否在这种环境依然能保持稳定的工作。基于此，文章通过对压缩机工作过程中，造成曲轴损坏的各方面原因进行了论述。

关键词：往复式压缩机 曲轴强度 影响因素

1 往复式压缩机的结构

如下图所示，该图便是往复式压缩机的切面图，从内部来看，占体积最大的为工作腔，还有压缩机底部的机座以及周围的各种辅助系统，在实际工作中，主要由下面两个系统进行持续运转，其主要构件有活塞、十字销、连杆、轴瓦、曲轴、曲轴箱、进排气阀门及管道等。该压缩机的工作流程为：吸气管先将气体吸入压缩机，通过简单的处理最后进入内部的气缸中，这些气体会压缩活塞进行运动，完成一个周期的往复运动后，气体再由排气系统进行排气。从压缩机的整体构造来看，整体质量对于工作效率、排气等都有较大影响。

从工作原理来看，该压缩机的内部工作原理和能量转换过程其实非常简单，压缩机接通电源后，電动机先开始运转，由电动机带动内部曲轴运转，然后通过往复运动，将能量传递给活塞部位，这就可以曲轴上的能量转移到活塞上，使得活塞开始工作，完成电能向机械能的转化，在这个过程中，能量损耗较少，曲轴每旋转一周对应就可以推动活塞工作一次。

在压缩机内部的结构中，曲轴是最为关键的结构，也是成本较为昂贵的部位，主要由两方面原因，其一是因为曲轴本身的结构就十分复杂，而且也较为精密，持续工作是所承担的负荷也较大，这一特点导致了曲轴制作较为繁琐；其二是因为曲轴在压缩机内部的多元化功能，是一个承上启下的部件，构造复杂，还要满足转化能量、输送动力等需求，所以曲轴是往复式压缩机中最为重要的部件。

我们从曲轴的构成来看，主要分为三种，分别是整体式、组合式以及半组合式，从工业的实际应用来看，整体式的应用最为广泛，因为该结构构造较为简单、制作成本也相对较低、维修也最为简单等。

2 往复式压缩机曲轴

2.1 往复式压缩机曲轴尺寸

曲轴的各个主要参数为：总长度为2410mm，其中，第1列连杆轴颈长度L2为88mm，第2列连杆轴颈长度L3为143mm，主轴颈直径D1为210mm，连杆轴颈直径D2 为210mm，润滑油道D3为12mm，过渡圆角半径R为10mm。

2.2 往复式压缩机曲轴受力分析

在压缩机工作过程中，内部曲轴各个位置的受力分析如图所示，其中连杆力用FL 代表，侧向力用FN 代表，活塞所受合力（由作用在活塞上的气体力和往复惯性力以及摩擦力组成）用F 代表，连杆摆角用β 代表，曲轴转角用α代表。

3.评估方法及试验设计

3.1强度评估方法

在曲轴的分析过程中，我们需要考虑的情况较多，从曲轴本身的构造来看，因为曲轴构造相对较为复杂，工作时承载负荷较大，实际中出现的故障或者问题也具有多样性，比较难进行针对性的预防和处理。从应力奇异这一方面来看，可以在曲轴船体主要受力的通道接触部分以及拐角部位，进行外插。

3.2正交试验设计

根据经验可知，与曲轴结构强度直接有关的方面主要由三个，比如曲轴内部的主干轴颈的长度、起润滑作用的通道直径，还有最为关键的过渡圆角的半径长短。通过大量实验结果印证，我们主要选取8、9、10、11mm作为过渡圆角的半径；润滑油道的直径选取4个水平，分别为12、13、14、15mm；轴颈长度为86/141、87/142、88/143、89/144mm；对于过渡圆角来说，具体还可以分为外部圆角和内部圆角。

3.3仿真求解用

ANSYS在实验数据的统计和使用上具有较大优势，可以将实验过程中的数据填入，进行实际情况的模拟，通过一定量的数据模拟，可以得出较为准确的工作参数以及应力值等。

4结果分析

我们从曲轴的结构对其进行分析，因为每个内部结构在压缩机工作过程中的损耗程度不同，所以每个结构对于曲轴的影响效果也有较大差别，而且在实际工作过程中，这些影响效果并不是相互平行作用的，而是互相交错，所以一个较小的问题可能就会造成曲轴整体的故障甚至损坏。对于曲轴的过渡圆角来说，该部分对于曲轴的影响最大，尤其是当半径出现变化时，对于曲轴的影响效果变化也十分明显，但有个别例外，可能原因为：该压缩机内部结构复杂，每个关键部件的影响都是相互交错的。

5.避免压缩机曲轴损伤的方法

5.1 保证机组良好的润滑条件

由于工业生产通常都具有产量大、持续工作时间长等特点，所以相关的机械设备对于润滑产品的需求较大，而且十分需要高质量的润滑产品，根据我国机械设备的损坏情况统计来看，每年损坏的机械设备有将近8成都是由于润滑问题导致的。所以我们一定要严格制定对于润滑产品的需求标准，就比如 “定人、定质、定量、定点、定时”。此外，润滑产品的质量也要重点检测，主要的检测项目为水分、黏度、酸值、闪点、抗乳化性及机械杂质等，此外，还要定期对于润滑油进行抽样化验检查，再根据化验结果，对润滑油进行针对性的处理。总之，要保证机组良好的润滑条件。

5.2 确保压缩机运行工况正常

压缩机虽然时机械设备，但是其内部曲轴、轴瓦等部件，都对于外部环境的要求较稳定，如果压缩机长时间在温度较高的环境持续工作，高温会导致润滑油的物理性质出现变化，润滑油的黏性、润滑度、正常的流动都会受到影响，从而导致压缩机内部各个部件工作时的摩擦增大，问题严重可能会导致压缩机内部损坏，此外，对于外部压强、湿度等环境因素，也需要控制，尽量避免压缩机在特殊的环境中持续工作，而且一旦压缩机出现异常，要立即进行断电，检查，防止进一步损坏，造成不可挽回的损失，甚至可能导致生产责任事故。

综上，我们可以了解到，曲轴是压缩机工作中的核心位置，它对于外界环境要求较高，曲轴不仅要满足压缩机内部持续工作的工作负荷，还要承担一部分能量转化功能，所以必须要保证曲轴在制作过程中，严格的符合各项标准，从而保证压缩机的稳定运行。

参考文献：

[1] 董超群. 整体往复式压缩机曲轴力学性能研究与安全评价[D]. 西南石油大学，2014

[2] 赵楠. 大型往复式压缩机曲轴动态特性研究[D]. 沈阳工业大学，2014

[3] 鲍军，张成彦，姜慧君，邢志胜. 往复式压缩机曲轴动态特性分析[J]. 机械设计与制造，2015（3）：233-236

作者简介：姓名：干杰（1988—），性别：男，民族：汉，职称：助理工程师，籍贯：陕西省延安市延川县。