基于UG环境下的压缩机曲轴强度计算与分析

邢万坤，尹 来

（吉林化工学院，吉林吉林132022）

基于UG环境下的压缩机曲轴强度计算与分析

邢万坤，尹 来

（吉林化工学院，吉林吉林132022）

利用有限元分析的方法和UG软件的功能，对活塞压缩机的曲轴创建三维力的分析模型，探讨进行曲轴的静强度和疲劳强度的校核方法，并结合曲轴实例建模、解算。

活塞压缩机；曲轴；强度计算；分析

1 引言

在活塞压缩的运动机构中，曲轴是最重要的零部件之一。由于其结构较一般的轴类特殊和承受着周期性变化的综合活塞力而传递过来的切向力、法向力及驱动机带来的驱动力矩的特点。各截面受力比较复杂，强度校核计算比较繁琐。利用功能强大的UG NX高端工程软件，运用有限元分析和计算基础进行结构分析和强度校核，具有精度高，运算速度快，方便、直观，操作界面友好的优势。可优于传统的计算手段，并便于结构方案对比，为后续数字化加工制造奠定基础。

2 主要过程及计算步骤

2.1 校核过程框图（如图1）

2.2 曲轴受力图（如图2）

2.3 轴承处支反力计算

在曲拐水平面上轴承支反力

在曲拐垂直平面轴承支反力

3 计算实例及分析

以2列立式曲拐错角δ=180°的2Z-6/8型压缩机为例，结构、性能参数如下：

曲轴转速n=740 r/min

连杆比λ=0.218

活塞行程s=120 mm

图2 曲轴受力分析图

曲拐错角δ=180°

曲轴材料QT600-3

抗拉强度 [σb]=600 MPa

屈服极限 [σs]=420 MPa

切向力、法向力、输入扭矩由动力计算提供，输入后计算出轴承处支反力。

在结构设计完成后，曲轴的强度校核是分别根据曲轴所受的实际最大载荷，做机械强度和刚度的验算。机械强度计算主要指静强度、疲劳强度的验算；刚度的验算指变形值的验算。由于曲轴结构的特殊性和受非对称交变载荷复杂的特点，一般要在受力分析的基础上，分别验算4个最大载荷的危险位置时，危险截面上的最大应力、应变。采用有限元分析基础，首先按十节点3D四面体划分有限元网格。轴端在主轴承处网格大小为15 mm，轴中间主轴颈、曲柄销段网格大小为25 mm，其余网格大小30 mm，共划分单元8677个。

表1 由动力计算提供的数据

3.1 静强度校核

曲轴除承受原动机输入的扭矩外，在各列曲柄销上还要周期性地承受由于压缩气体所传递产生连杆力。因而在轴的各截面产生交变的弯曲应力及扭转应力。曲轴的受力比较复杂，一般静强度验算要分别按几个危险位置，分别校核多处主轴颈截面、曲柄销油孔截面处、曲柄截面等危险截面的应力应变。而采用有限元的分析基础可免去上述不足，只要分别按几个危险位置，就可分析校核曲轴整体的应力应变。曲轴整体的应力应变，可以直观的表示结算结果。

根据曲轴的结构及受力情况，确定分析类型和约束类型，并依据轴的受力接触面的状况，设置接触、胶合参数，对受力的轴表面分割后，分别按4个最大载荷的危险位置施加实际载荷，建模，确定解算方案，进行解算。对Mmax位置时结算结果见图3～5，图3为结算后的曲轴应力变化云图，图4为结算后的曲轴应变变化云图，图5为应力沿轴表面变化情况。几个危险位置的最大应力、应变及发生的位置见表2。

图3 结算后的曲轴应力变化云图

图4 结算后的曲轴应变变化云图

图5 应力沿轴表面变化情况

表2 结算结果

根据静强度校核结果，在4个转角危险位置时最大应力值为43.11 MPa，最大应变应变位移值0.1850 mm，均远小于QT600-3材料的屈服极限[σs]=420 MPa、抗拉强度 [σb]=600 MPa。为此，强度和刚度均满足设计要求。通过各危险位置的应力应变云图，可清楚、直观显示出最大应力应变主要发生在驱动侧主轴颈与曲柄的过渡处、曲柄销与曲柄过渡处。UG软件显示的云图还可清晰显示主轴的整体应力应变及应力沿轴表面变化情况，判断分析危险截面非常直观、方便。

3.2 疲劳强度校核

根据曲轴的运动分析，曲轴各截面承受非对称交变应力的变化，在有限元分析的基础上，可选择最危险工况的转角位置时创建疲劳校核的结算方案。校核中可参考动力计算的切向力、法向力图中的最大、最小值发生的位置来确定工况，本次选择Mmax位置的工况进行。采用通用的Smith-Waston-Topper疲劳寿命分析准则，选择强度极限法则，设计寿命选择无限寿命。在此基础上对所选择运转位置轴的疲劳强度校核进行结算。

根据结算结果，疲劳强度的输出方式是用强度安全因子来校核使用寿命，强度安全因子大于1即可认定。曲轴运行一百万次不会发生疲劳破坏。从强度安全因子云图中可以看到所有单元上最小值为2.007，故说明强度是足够的，满足校核要求。

4 结语

利用有限元基础，在UG软件的环境下，进行曲轴的分析和强度校核，准确、直观、清晰。传统的曲轴强度的安全校核是采用第三强度理论的当量弯矩法，这种方法只能反映在某一危险位置时某一危险截面的受载力学特性。反映不了曲轴受载后零件的整体力学特性。采用有限元的基础分析可解决这种不足。特别是结算方案中，曲轴的载荷、模型整体考虑，不需要分别计算各危险截面的应力。在结算结果中可按颜色或灰度反差清晰显示轴的整体应力、应变的变化云图。并指示出最大、最小值及发生的位置。结算及分析结果系统、全面，精度高、操作方便，便于定性判断、评估和优化设计。

[1]王国业.UG NX7.0中文版从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2010，09.

[2]沈春根.UG NX7.0有限元分析入门与实例精讲 [M].北京：机械工业出版社，2012，04.

[3]林梅.活塞式压缩机[M].北京：机械工业出版社，1987.

[4]张秀兰.活塞式压缩机曲轴的强度计算[J].压缩机技术，2009，06.

[5]邢万坤.压缩机动力计算的Excel解析法[J].压缩机技术，2008，06.

[6]郁永章.容积式压缩机技术手册[M].北京：机械工业出版社，2000.

[7]陈永江.容积式压缩机原理与结构设计[M].西安：西安交通大学出版社，1985.

Calculation and Analysis of Compressor Crankshaft Strength Based on UG Environment

XING Wan-kun，YIN Lai
（Jilin Institute of Chemical Technology，Jilin 132022，China）

This paper uses the method of finite element analysis and UG soft

ware to analyze three-dimensional force model of compressor crankshaft.The checking method of static strength and fatigue strength of crankshaft is explored.And combined with the crankshaft case，the paper builds the models to calculative solution.

piston compressor；crankshaft；strength calculation；analysis

TH457

A

1006-2971（2014）01-0006-03

邢万坤（1955-），男，吉林市人，教授，从事流体机械及工程学科的教学和科研工作。E-mail:xingwk2005@163.com

2013-06-17