四星型空压机曲轴强度设计计算

陆鹏程，梁前超，邵梦麟，江文革

（1．海军工程大学动力学院，湖北武汉430033；2.中国人民解放军第四八一二工厂，安徽安庆246005）

四星型空压机曲轴强度设计计算

陆鹏程1，2，梁前超1，邵梦麟1，江文革2

（1．海军工程大学动力学院，湖北武汉430033；2.中国人民解放军第四八一二工厂，安徽安庆246005）

以四星型空压机为例，介绍了活塞压缩机曲轴强度的计算方法。采用当量应力强度理论，根据一周内扭矩变化情况决定计算截面弯扭合成的负荷。

曲轴强度；星型空压机；当量应力强度理论；复合应力；折线图

1　引言

星型无油空压机中的曲轴是该活塞空压机中最重要的运动件。由于其接受电动机以扭矩形式输入的动力，并周期性地承受压缩气体带来的切向力和法向力，受力复杂，强度计算步骤繁琐，人工计算仅计算最大气体力状态的值，计算精度不高，不能直观地得出复合应力变化趋势。本文采用四星型全无油空压机为实例，利用Excel软件功能，直接用于曲轴强度的设计计算，得到的数据形成图表，可方便、直观、准确地得出结果，有利于方案比较及优化设计。

该机型某些主要参数见表1。

表1　星型空压机主要技术参数

2　计算过程

2.1结构示意图及原始数据的获取

本机型采用常规的单曲拐、角度式、四列、二级压缩方案。主轴组件的动平衡采用内外平衡的方式消除旋转及往复惯性力，外平衡重装在主机皮带轮上，内平衡重固结于曲轴本身。曲轴的原始设计见图1。图中给出了主轴颈、曲柄轴颈、回转半径等几何尺寸。根据动平衡计算书，得到内、外平衡重的离心力为4.4 kN、2.59 kN。

由热力计算书、动力计算书得到作用在曲柄轴中心处的总切向力T、总法向力R对应转角θ的函数。图2给出了其计算结果的折线图。

2.2计算方法的确立

曲轴强度计算是指机械强度和刚度的计算，机械强度主要是指静强度和疲劳强度的计算，本文不涉及刚度的计算。一般需进行4个危险位置时，主轴颈、曲柄轴颈、曲柄等几个危险截面上应力和疲劳强度的计算。

根据达朗伯原理和材料力学的基本思想，运用Excel软件工具，可将曲轴假想为不旋转，总切向力、总法向力提供了72组数据，分别转化到主轴颈A、B处的切向力和法向力，如图1所示。图中示出了驱动力矩Md、总切向力T、总法向力R、轴承座端A切向力TA、法向力RA，轴承盖端B切向力TB、法向力RB正方向。

图1　曲轴受力及危险截面图

图2　总切向力、总法向力折线图

2.3计算过程

2.3.1静强度的计算

作用在曲轴段上的力，由总切向力T、总法向力R、内外平衡重旋转质量离心力Ir2、Ir1，轴承支反力TA、RA，TB、RB组成。此外在功率输入侧有扭矩Md传入，末端无扭矩传出。

根据图1所示结构尺寸，可写出轴承支反力的大小。

扭转力矩Md=Tr

一般计算驱动侧主轴颈截面、曲柄轴颈截面、曲柄截面这3个截面上应力大小，为全面了解曲轴各处应力大小和计算方便起见，本文列举出图1所示Ⅰ～Ⅴ共5个截面应力的具体计算过程，见表2，表3。

复合应力的计算并没有按材料力学中第三强度理论，即最大切应力理论进行计算的，而是按当量应力理论进行计算的。

式中Me——当量弯矩

α——根据转矩性质而定的折合系数

由图1切向力曲线知，转矩呈脉动变化，α≈ 0.6，当量弯矩，所以这里计算复合应力公式按表2、表3所示。

2.3.2疲劳强度的计算

疲劳强度的计算仅计算截面Ⅰ～Ⅳ，其主要计算公式与取值如下，见表4。

表2　主轴颈、曲柄轴颈截面应力计算公式

表3　曲柄截面应力计算公式

表4　疲劳强度计算公式

表5　程序最终计算结果

2.3.3Excel程序计算界面

根据以上提供的原始数据和相关公式，依曲柄转角θ在0～360°范围内取步长5°来计算。

2.4计算结果

表5所示，截面Ⅰ～Ⅳ上的应力在一转范围内的变化，给出了其应力折线图，如图3所示。

图3　各应力截面随转角变化折线图

3　结论

利用Excel软件进行四星型空压机曲轴强度计算时，发现：

（1）从曲轴动力输入端开始，顺Ⅰ～Ⅴ方向，得到复合应力大致呈先升后降的变化。在截面Ⅱ-Ⅱ附近达到最大值。因各截面之间外表样条呈连续变化，可以相信该曲轴强度有保证。不过在铸造时，一定要保证此处不得有疏松、夹渣及材质不均匀等铸造缺陷。

（2）本文采用了当量应力理论进行计算和校核的，较传统采用第三强度理论来计算是一次大胆的创新。

（3）星型结构较传统W型结构空压机，均化了曲轴一周内的负荷，提高了机器的效率、降低机器的比体积、比重量。

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LU Peng-cheng1，2，LIANG Qian-chao1，SHAO Meng-lin1，JIANG Wen-ge2
（1.College of Power，Naval Engineering University，Wuhan 430033，China；2.NO.4812 Factory of People′s Liberation Army，Anqing 246005，China）

Set the four-star-type air compressor as an example，the method of calculating piston compressor crankshaft strength is introduced in the paper.The equivalent stress intensity theory is used to decide the calculation of the synthetic cross-section of bending and torsion loads according to torque changes within a week.

crankshaft strength；star-shaped air compressor；the equivalent stress intensity theory；combined stress；line chart

TH45

B

1006-2971（2015）02-0036-03

陆鹏程，男，安徽桐城人，高级工程师，从事压缩机强度研究工作。E-mail：4812lpc@163.com

2014-11-07

Design and Calculation for Four-star-type Air Compressor Crankshaft Strength