曲轴扭振对压缩机的影响分析

【摘 要】作为往复式压缩机关键部件的曲轴，机体中承受着随时间变化的交变载荷，产生弯曲、扭转以及弯扭组合等各种振动-尤其是扭转振动不仅影响使用寿命，而且直接关系到机组的安全性和稳定性，为此本文通过曲轴扭振特性分析研究，总结出曲轴产生扭振的主要因素，实现了降低振动烈度25%.优化结构的曲轴应用，为降低压缩机整体振动提供改进依据。

【关键词】往复压缩机 扭振分析 模态分析 曲轴失效

1 曲轴扭振概述

压缩机运转时，曲轴系统受到大小和方向呈周期性变化的气体压力和运动零件惯性力作用，这些力会使曲轴相对轮发生扭转变形而引起扭振，即强制振动。这种振动易在工作转速范围内产生强烈共振，产生较大噪声，加剧与曲轴相连齿轮系的磨损，严重时会导致曲轴扭断。轴系扭转振动计算结果表明：六列以上活塞式压缩机，由于列数增多和曲轴增长，曲轴的自由扭转振动频率降低，有可能处于压缩机名义转速范围内，导致曲轴因扭转振动而破坏。六列以上的压缩机扭转振动应力对轴的总安全系数影响比四列以下曲轴的要大得多，所以，设计六列以上压缩机曲轴时，要考虑轴系扭转振动产生的应力。

模态分析和有限元分析技术是研究曲轴扭振一种行之有效的工具方法，作为一种“逆问题”分析方法，它是建立在实验基础上的，采用实验与理论相结合的方法来处理工程中的振动问题。用模态分析理论通过对试验导纳函数的曲线拟合，识别出结构物的模态参数，从而建立起结构物的模态模型。根据模态叠加原理，在己知各种载荷时间历程的情况下，就可以预言结构物的实际振动的响应历程或响应谱。目前的发展趋势是把有限元方法和试验模态分析技术有机的结合起来，取长补短，相得益彰。利用实验模态分析结果检验、补充和修正原始有限元动力模型；利用修正后的有限元模型计算结构的动力响应，进行结构的优化设计。

2 曲轴扭转振动分析研究过程

2.1曲轴扭转振动分析步骤

①借助PRO/E参数化建模功能，按实际尺寸对压缩机轴系建立物理分析系统模型。

②运用ANSYS有限元分析软件，计算轴系模型系统的自振特性，即求出系统的固有频率及相应频率下的振型和相对振幅。

③对承受重力、旋转离心力、驱动力矩以及综合活塞力的压缩机轴系进行静力分析，获得应力和变形等数据。

④对作用在各曲拐上的激励载荷―气体力和惯性力产生的干扰力矩进行简谐分析，亦即进行轴系的强迫振动计算，求出共振时的实际振幅和各轴段的扭转振动附加应力。

⑤根据得出的计算结果，并结合材料强度全面评定整个轴系工作的可靠性，是否应采取避振、减振措施，以及应采取何种形式的扭转减振装置。

2.2曲轴扭转振动分析计算

曲轴轴系扭振系统是由弹性元件、惯性元件、阻尼元件及激振力组成，其振动系统的运动微分方程的表达形式如下：

（2.1）

式中：{Fi}一惯性力向量；{Fd}一阻尼力向量；{Fs}一弹性力向量；{P（t）}一动力载荷向量

由上式并将模型简化为自由的谐振动方程，得到结构的频率方程为：

（2.6）

采用数值积分法直接求解出各时刻的位移和应力，通过模态分析（求特征值和特征向量），再利用振型叠加法，求解结构在动载荷作用下的瞬态位移或应力，并形成轴系的扭转振动10阶模态分析图。

3 结语

通过10阶模态图分析得出：曲轴轴系的模态分析可以知道该曲轴轴系的固有频率和模态振型，确定出曲轴轴系的共振情况，通过重新规划设计轴系组件结构，确定组件之间的关联措施、研究设计出有效的避振阻尼结构。最总设计出优化的曲轴结构，通过该优化曲轴应用，实现了降低振动烈度25%。

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