包装压缩机螺杆动力学性能研究

章正伟

(浙江交通职业技术学院机电与航空学院，浙江杭州311112)

包装压缩机螺杆动力学性能研究

章正伟

(浙江交通职业技术学院机电与航空学院，浙江杭州311112)

采用Solid Works建立螺杆模型，采用HyperMesh划分网格后导入ANSYS Workbench进行分析。为模拟真实工况，释放螺杆绕轴线旋转自由度，在Workbench环境下进行模态分析得到其6阶固有模态；进而进行谐响应分析，模拟外部激励对螺杆工作性能的影响。通过模态分析，获知6阶固有频率均避开其工作频率，且通过谐响应分析得到最大总变形量仅1.65×10-2mm，说明产品设计合理。

压缩机；螺杆；固有频率；谐响应分析

1 引言

压缩机作为气体和动力提供源，在包装、轻工机械行业应用广泛，螺杆为其关键功能部件，螺杆的工作状态稳定直接影响压缩机输出气源的稳定。由于螺杆的重要性以及工作状态的复杂性，需保证额定工作转速要远离其临界转速，且已有相关学者对此问题进行研究[1-2]。但对于模拟实际工作工况，特别是动力输入端的简谐力所引起的结构振动变形问题，却研究较少。

在CAE分析中，综合多种软件平台的优点，避免单一优化软件在建模、前后处理等方面的不足，能提高CAE分析的效率[3]。本文采用Solid Works建立了螺杆三维模型，进而采用HyperMesh进行网格划分，在此基础上将网格模型代入ANSYS Workbench进行求解。以确定其固有频率和振型，并与实际工作频率进行对比，避免压缩机产生共振。同时考虑驱动机构的输入不平稳性，模拟输入力的变化，进行谐响应分析，检验螺杆在复杂工况下的工作可靠性。

2 几何模型的建立与网格划分

螺杆安装于压缩机壳体内，在左右轴颈处通过轴承与壳体装配，使得螺杆能在壳体内绕自身轴线旋转。螺杆的左端为动力输入端，且提供支撑作用而较长。螺旋面在工作过程中的变形与振动会影响双螺杆的配合间隙，从而直接影响压缩机的工作性能，因此为螺杆有限元分析的重点区域。

在螺杆设计过程中，要注意避免使结构固有频率与外界激励频率相近，否则将发生共振现象[4-5]，故需建立有限元模型进行模态分析。

首先要建立其三维模型，通过在Solid Works中进行曲面型线的绘制并沿螺旋母线进行扫描，得到螺旋面；再通过沿着螺杆对称中心线建立轴颈和动力连接输入端，完成整体三维模型。在建模过程中，参考其他学者的经验，忽略对螺杆模态分析影响很小的细节，如倒角、小孔等[6-9]。网格划分会影响模型求解的精确性[10-12]，而HyperMesh为专业化的有限元前处理软件，能提高网格划分速度和质量，从而为后续准确高效的分析打下基础。将模型导入HyperMesh进行进一步网格划分，图1为采用HyperMesh划分得到的有限元模型。材料为结构钢，密度为7850 kg/m3，弹性模量为200 GPa，泊松比为0.3。

3 螺杆模态分析

将得到的有限元模型导入ANSYS Workbench Modal模块，进行零件的模态分析，需提取和扩展的模态阶数为6。在螺杆模态分析过程中，螺杆工作状态条件应该为边界条件设置的参照依据。边界的正确设置直接影响模态分析的结果，故应该使边界条件设置与实际情况保持一致[13]。故模拟螺杆两端轴颈与轴承装配的实际情况，对螺杆的两端轴颈添加圆柱约束（Cylindrical Support），保留螺杆绕中心轴线旋转的自由度。图2至图7分别为螺杆的1到6阶模态。

由表1可见，螺杆的第2、3阶频率相近，第4、5阶频率相近，振型也出现正交现象，可将2、3阶，4、5阶视为重根，而螺杆的工作频率区间为[45，100]Hz，均远离模态变形较大区域。

4 螺杆谐响应分析

螺杆的旋转动力来源于电机的扭矩，若在安装过程中存在同轴度偏差，则相当于给螺杆动力输入端施加一个简谐力，位移响应对于了解螺杆的变形较大部位很有必要。由于电机和螺杆均为旋转部件，故简谐力主要存在于X和Z方向。因此在输入端面上的X和Y方向同时施加100N的力，初始相位角均设置为0，采用模态叠加法进行谐响应分析[14,15]。图8为施加的简谐力，图9为所需观察评价的响应曲面。

分别观察响应曲面在X、Y、Z 3个方向的响应最大变形量，得到表2。

分析表2中数据，可见在常用工作频率下施加简谐力后，螺杆螺旋面变形量较小，不会使配合间隙发生较大波动，从而也不会对工作过程乃至输出气压照成较大影响[2]，故螺杆设计合理。

5 结语

（1）通过将Solid Works建立的模型导入HyperMesh进行网格划分，保证有限元模型具有良好的计算精度；

（2）通过分析螺杆的实际工作状态，施加合理的位移约束，在此基础上分析了螺杆的前6阶模态，所得到的固有频率均远离螺杆正常工作频率区间；

（3）通过模拟电机动力输入的波动性，施加X-Z方向的简谐力进行谐响应分析，观察螺杆螺旋面X、Y、Z 3个方向的最大总变形量；经过计算检验，3个方向总变形量均较小，故螺杆设计合理。

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Research on Dynamic Property for Packaging Screw Compressor Rotor

ZHANG Zheng-wei
(Department of Mechanotronics and Aviation,Zhejiang Institute of Communications,Hangzhou 311112,China)

Solid Works is adopted to establish the model of the screw,and then use HyperMesh to mesh the model,at last this finite model is analyzed in ANSYS Workbench.Simulating the real condition and retaining the freedom rotation degrees around the axis of this screw,it is obtained that the inherent frequency is far away from its all 6 order normal work condition frequency.Based on the above simulation and analysis,harmonic response is analyzed in Workbench by adding the harmonic force simulating the vibration performance impact from the fluctuations motor input power,and the maximum deformation is only 1.65×10-2mm,so the final product design is reasonable.

compressor;screw;natural frequency;harmonic response analysis

TH455

A

1006-2971（2015）06-0027-04

章正伟（1977-），男，浙江金华人，副教授，主要从事CAD/CAM/CAPP/CAE方面的研究。E-mail：zzw@zjvtit.edu.cn

2015-05-05

浙江省教育厅2013年度科研计划项目《节能高效低压内置润滑喷油双螺杆压缩主机的研究》（Y201329722）；2013年度浙江省高职高专院校中青年专业带头人专业领军项目（LJ2013018）；2013年浙江交通职业技术学院新苗人才培养项目