压缩机用隔爆型高压三相异步电动机轴强度分析

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(国家防爆电机工程技术研究中心，黑龙江佳木斯 154002)

0 引言

近年来，石化行业发展迅速，生产规模的不断扩大，对石化产品的质量要求也越来越高，石化企业的精制、改质、催化、裂化及天然气液化等项目不断增加，项目规模大型化发展趋势明显。对往复式压缩机机组的规格需求也愈来愈大，由于使用场所为防爆区域，因此对于驱动往复式压缩机的隔爆型高压三相异步电动机的需求也越来越高，考虑压缩机的工作环境，充分了解压缩机的基本结构及工作特性来进行优化电机的轴系。

1 往复式压缩机的工作特点

在压缩机的运转过程中，曲轴受驱动力矩和阻力矩的作用，在曲轴同转一转之中，阻力矩所消耗的功和驱动机所提供给功是相等的。然而，曲轴的阻力矩是一个随着轴旋转束角变化的力矩，驱动力矩则基本上是个定值，所以这两者在一转之间的瞬间值经常是不平衡的，这就会引起曲轴的加速、减速现象。在压缩机运转时，总不希望角速度有很大的波动，所以只有尽可能提供转动惯量来降低角加速度。如果人为地增加机组的转动惯量，在同样的转矩差下，转轴的角加速度就可以减小，这就可以促使压缩机的运转趋向平稳。由于往复式压缩机的结构及运行过程较为复杂，过程曲线如图1、图2所示。

图1 压缩机受力波形图

图2 压缩机综合扭矩波形图

2 往复式压缩机对隔爆型电机结构的影响

往复式压缩机类负载属于波动类负载，当发生自由振荡频率和强制振荡频率以及相位都相等时，电动机将产生共振现象，这种振荡共振的产生会导致电机的风扇叶断裂及轴的疲劳性断裂等。所以在电机设计时应考虑电机轴伸所受力矩情况。

2.1 轴强度分析

转子重量：1601kg，单边磁拉力为1056kg，不承受额外承受轴向载荷， 在考虑联轴器的重量的情况下还要考虑到联轴器的安装误差产生额外的载荷，由于该载荷由于无法测量，仅按机械设计手册中的公式估算。联轴器重量为145kg，安装误差产生的载荷为

(1)

轴材质35#钢，轴伸直径φ140mm，轴承台直径φ150mm，根据负载情况，电机运行时承受的载荷如图3所示。

图3 轴载荷示意图

图4 轴弯矩、扭矩示意图

轴承受的转矩为电机的额定转矩

(2)

轴承台处作为支撑点D，其承受的弯矩最大，伸端轴承台承受两个弯矩，一个是由联轴器重量及由于弹性联轴器安装误差所产生的附加载荷F0所产生的M1，另一个是由转子重量及单边磁拉力产生的M2，其中

(3)

式中，T—传递的转矩,N.mm；D0—柱销中心圆直径。

M1=3691913N.mm,M2=11542431N.mm。

(4)

所以D点承受的最大弯矩为

M2=11542431N.mm

(5)

轴肩处C点承受的弯矩

(6)

参考机械设计手册，轴最小直径dmin计算公式为

(7)

式中，dmin—轴最小直径，mm；T—轴传递的额定扭矩，N.mm；[τ]—转轴的许用扭应力，对于35#钢，[τ]取值范围20～30(当弯矩很小或者只受扭时[τ]取较大值，反之取较小值)。

根据图4可以看出，在考虑联轴器的安装误差所产生的载荷，电机轴伸承受很大的弯矩，计算时[τ]取20，且轴伸为光轴，不带键槽，可计算出轴伸最小直径

=120mm<140mm

(8)

电机伸端轴承台处承受很大的弯矩，计算时[τ]取20，可计算出最小直径

=120mm<150mm

(9)

由图4可以看出轴的最大危险截面在C点(轴肩处)和D点(伸端轴承台)，根据机械设计手册中的规定，计算截面上的工作应力为

(10)

式中，σ—轴计算截面上的工作应力,MPa；d—轴计算截面上的直径，mm；M—轴计算截面上的合成弯矩，N.mm;Mv—计算截面上的当量弯矩；T—轴计算截面上的扭矩，N.mm；α—弯矩和扭矩的作用性质差异的系数，当切应力按脉动循环变化时取0.6；[σ-1]—许用弯曲应力(MPa)，对于35#钢取45。

由上可求得，C点(轴肩处)截面上的工作应力为

(11)

轴伸最小直径为

=100.16<140

(12)

D点(轴承台)截面上的工作应力为

(13)

轴承台最小直径为

=139.6<150

(14)

危险截面安全系数S的校核计算公式为

(15)

式中，Sσ—考虑弯矩作用时的安全系数；Sτ—考虑扭矩作用时的安全系数；[S]—按疲劳强度计算的许用安全系数，由于负载为往复式压缩机，[S]值取1.8。

(16)

式中，σ-1—材料弯曲疲劳极限,MPa；τ-1—材料扭转疲劳极限,MPa；Kσ、Kτ—弯曲和扭转时的尺寸影响系数，Kσ=1.54、、Kτ=1.39；轴承配合(H7/K6)Kσ=1.72、Kτ=1.36；β—表面质量系数，粗糙度3.2～0.8时取0.95；εσ—弯曲时尺寸影响系数，取0.68；ετ—扭转时尺寸影响系数，取0.68；ψσ—材料拉伸平均应力折算系数，时0.43；ψτ—材料扭转平均应力折算系数，取0.29；σa、σm—弯曲应力的应力幅和平均应力，其中对于脉冲循环

(17)

(18)

(19)

当应切力脉动循环变化时σm=σa，即

对于轴伸：σm=σa=3.47：对于轴承台

σm=σa=1.71

(20)

τa、τm—切应力的应力幅和平均应力，其中对于脉冲循环

(21)

(22)

当应切力脉动循环变化时，τm=τa即

对于轴伸：τm=τa=6.23；对于轴承台

τm=τa=5.06。

(23)

由上可求得，轴伸弯矩作用时的安全系数

(24)

轴伸扭矩作用时的安全系数

(25)

由上可算出轴伸危险截面安全系数

(26)

轴承台弯矩作用时的安全系数

(27)

轴承台扭矩作用时的安全系数

(28)

由上可算出轴承台危险截面安全系数

(29)

轴的静强度校核是校核轴对塑性变形的抵抗能力。静强度校核是根据轴上作用的最大瞬时载荷，危险截面的位置应是静应力较大的截面，本结构示意图中的C点。

危险截面安全系数的校核公式为

(30)

式中,Mmax=M3=1903386N.mm。

(31)

Tmax=14500000N.mm

(32)

式中，σs—材料的拉伸屈服点，取260MPa；τs—材料的扭转屈服点，一般τs≈0.6σs=156MPa。

由上可以计算出

(33)

(34)

(35)

上述计算，轴的强度及疲劳均满足要求，对轴进行有限元分析如下图5、图6所示。

图5 处理后轴应力图

图6 处理后轴安全系数

轴的安全系数最小为2.0027倍，大于2.0倍。由于往复式压缩机负载的波动对轴的疲劳有很大影响，因此在设计时应考虑局部应力问题，安全系数应大于2.0倍。

3 结语

隔爆型电机的轴系强度计算充分考虑了往复式压缩机的工作特点与特性曲线，同时在安全可靠性方面进行了大量的机械计算研究分析，针对往复式压缩机不同类型采集特性曲线来进行设计分析，充分优化设计、结合有限元分析计算，优化轴键及长时间受力的工作点，保证主要性能指标在最安全稳定的受力范围之内，使得整体运行性能得到更大的提升，通过以上对往复式压缩机的结构及运行状态分析为今后的设计制造打好坚实的基础。