空分压缩机多机组轴系模态分析

韩彦龙

(承德石油高等专科学校机械工程系，河北承德067000)

空分压缩机多机组轴系模态分析

韩彦龙

(承德石油高等专科学校机械工程系，河北承德067000)

建立了某大型空分压缩机多机组轴系的有限元模型。对轴系进行了模态分析，求解了轴系的前20阶固有频率和临界转速，得到轴系前6阶振型图，确定了轴系结构振动形态及薄弱部位。为轴系故障诊断和优化设计提供了理论依据。

轴系;ANSYS;模态分析

高速旋转轴系系统的固有特性是系统重要动态特性之一，对系统的动态响应以及动载荷的产生与传递具有重要影响［1］。在进行高速旋转机组轴系系统动力设计时，需要对轴系进行模态分析，求解出其固有频率和相应的模态振型。通过合理的设计使其工作转速远离轴系系统的固有频率，保障轴系持续稳定运转。本文以某空分压缩机多机组轴系为对象，建立了其实体模型与有限元模型。运用有限元分析软件ANSYS分析得到该轴系的固有频率和振型，确定了轴系启机过程的薄弱部位，并提出了可行性建议。

1　轴系实体模型

空分压缩机轴系结构复杂，依次由膜片联轴器联接低压缸、中压缸、汽轮机、齿式增压机组成。在ANSYS软件中建立轴系有限元模型，需要花费巨大的精力［2-3］。本文运用三维建模功能强大的Pro/E软件建立轴系实体模型，通过Pro/E与ANSYS软件的无裂缝联接，建立轴系的实体模型［4］，如图1所示。

2　轴系有限元模型

轴系材料为50Mn合金钢，弹性模量为2．06×1 011 Pa，泊松比为0．3，密度为7 900 kg/m3。本文用solid273单元对实体模型截面进行网格划分，这样可以减少有限元模型网格数目，从而减少有限元分析的运算量和计时［5］，轴系有限元模型如图2所示。

3　模态分析

运用上述所建立的有限元模型，在ANSYS软件中运算，得到轴系的前20阶固有频率和临界转速，如表1所示。

表1　前20阶振动固有频率及临界转速

由表1可得，轴系前20阶固有频率介于43．27～705．62 Hz，临界转速介于2 596．20～42 337．20 r/min。轴系临界转速柱状图如图3所示。

由图3可知，轴系的各阶临界转速有递增的趋势。当轴系的工作转速远离各临界转速时，可避免轴系在工作过程中发生共振和由共振产生的噪声及轴系变形，从而保证系统的安全稳定运行。本轴系工作转速为4 386 r/min，其介于第2阶临界转速3 219．60 r/min和第3阶临界转速5 389．20 r/min之间，工作转速有效地避开了临界转速，轴系能够稳定运转。

轴系前6阶典型振型图如图4所示。第1阶和第2阶振型表示增压机轴端沿x轴的摆动，其端部增压机部分振幅较大，如发生共振比较容易受损。第3阶振型发生主振动的有两段轴，低压缸轴段和汽轮机轴段。

4　结论

1)轴系工作转速介于第2阶临界转速和第3阶临界转速之间，在轴系启机过程中需要跳跃1阶临界转速，故启动过程中，接近1阶临界转速2 596．20 r/min时，需要迅速跳过，以防止轴系共振造成轴系轴段破坏。

2)模态振型分析确定了轴系结构振动形态及薄弱部位。工作转速接近第2阶临界转速时，增压机轴段易损坏。第3阶振型中，低压缸轴段和汽轮机轴段发生主振动。因此，可以在增压机、低压缸及汽轮机轴段增加支撑，以提高轴系薄弱部位的支撑刚度，避免该部位振动过激而毁坏。

［1］周荣亮，梁尚明，莫春华，等．基于ANSYS的滚柱活齿减速器轴系的模态分析［J］．机械，2009，36(9):43－45．

［2］王凤丽，宋继良，谭光宇，等．在ANSYS中建立复杂有限元模型［J］．哈尔滨理工大学学报，2003，8(3):22－24．

［3］刘德仿，李丽英，周临震，等．基于ANSYS的建模及分析方法研究［J］．制造业自动化，2011，33(19):140－142，149．

［4］刘建强，王栓强，李晓玲，等．复杂结构Pro/E模型导入ANSYS中的方法研究［J］．新技术新工艺，2011(3):36－38．

［5］韩彦龙，孙晨曦，王二利．基于ANSYS的空分轴系及其零部件有限元模型研究［J］．承德石油高等专科学校学报，2014(3):16－18，27．

Modal Analysis of Shaft System of Air Separation Compressor

HAN Yan-long
(Department of Mechanical Engineering，Chengde Petroleum College，Chengde 067000，Hebei，China)

The finite element model of air separation multi-unit shaft system is established．The author makes a modal analysis for the shaft system and gets the first 20 natural frequencies and critical speeds．The first six bands formation diagrams are obtained and the shaft vibration modes and the weak parts of the structure are confirmed．This paper provides a theoretical basis for the troubleshooting and optimized design of shaft systems．

shaft system;ANSYS;modal analysis

TH4

A

1008-9446(2015)01-0021-04

2014-09-24

韩彦龙(1987－)，男，河北石家庄人，承德石油高等专科学校机械工程系助教，硕士，主要研究转子动态特性分析。