4M125新氢压缩机轴系扭振特性分析

张鹏飞 潘昌霞 金鑫

摘 要：大型往复压缩机是现代工业生产中不可缺少的重要设备，在高效、稳定等技术要求的基础上，其可靠性受到广泛重视。本文基于研究现状对大型往复压缩机的故障机理及特征进行归纳，对传统诊断技术和目前运用较多的故障诊断新技术进行分析比较，提供了各种方法的适用性及优缺点，为往复压缩机状态监测和故障诊断技术的发展提供参考。

关键词：新氢压缩机；曲轴轴系；扭振特性；有限元

中图分类号：TH16；TB652 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）11-0055-02

0 引言

壓缩机曲轴轴系为往复压缩机组的重要传动部件，其结构的设计与优化严重影响了整体的性能和运行情况。当往复压缩机达到某一定转速时，因曲轴轴系的固有扭振而使压缩机组产生不平衡惯性力，导致严重的机体抖动甚至导致曲轴发生断裂。因此对曲轴轴系的扭振特性分析是对往复压缩机整机机组结构进行优化设计的必要步骤。

为实现大型往复压缩机设备关键技术的国产化，满足石化企业生产规模的扩大需求，基于往复压缩机基础理论研究和现代设计分析技术，对活塞力超过800KN的4M125-100新氢压缩机系统设备进行了研制。由于该压缩机处于高温、高压、易燃易爆、腐蚀的生产环境且长周期连续生产条件下，因此要求压缩机组应具有整体性能好，效率高，结构紧凑，占地面积小，运转平稳，可靠性高等工况要求。

本文针对4M125新氢压缩机轴系的扭振特点进行研究，在基础振动分析的基础上，建立其曲轴轴系模型并进行了有限元模态分析，得到轴系扭振特性，以确定其临界转速、振型、振幅等参数以及需采取的减振措施。

1 4M125压缩机轴系结构建模

4M125-100新氢压缩机是一组高效率的大型往复活塞式氢气压缩机，采用四列M型布置结构。轴系由电机轴、联轴器曲轴、飞轮共同组成轴系，如图1所示。由图1可知，压缩机在往复工作过程中，由于活塞力的要求，轴系较大的质量比将产生较大的惯性，当轴系的周期性激振频率与轴系振动的固有频率接近时，轴系将产生扭振。随着压缩机列数增加，曲轴曲拐增多且长度增长，曲轴的扭振频率将会降低，机组产生振动的可能性就越大，将严重的影响机组的工作寿命。

在分析轴系的扭振时，需将整个轴系作为一个连续的弹性体，其分析的步骤为：

（1）根据设计尺寸建立轴系的物理分析系统模型。

（2）计算轴系的固有频率和相应的振型及振幅。

（3）对轴系进行模态分析和谐响应分析，求出共振时各轴段的扭振及附加应力。

（4）根据计算结果，对轴系的可靠性进行综合评价，并给出相应的减振措施。

轴系的三维建模在proE软件中进行，经简化后其模型如图2所示。

2 4M125压缩机曲轴轴系有限元分析

将模型导入ANSYS软件后，采用10节点的四面体单元进行网格划分，得到有限元模型。

2.1 边界条件

对模型施加边界条件，如图3所示。其中对轴系施加外载荷包括电机转矩、压缩机的往复惯性矩和各列的气体压力。各轴承处施加径向约束，运动质量简化在各列曲柄销处；根据设计条件，曲轴材料的弹性模量为，泊松比，固定阻尼比。

2.2 模态分析

对模态分析需选定模态提取除数，根据压缩机转速，同时假设曲轴不存在轴向载荷，平衡配重对轴系固有频率无影响。共振频率主要集中在低频段。提取轴系前十阶振型，获得其固有频率及其对应振幅，如图4所示。

其中，第1阶振幅为零，此时轴系运动形式为刚体位移，无振动发生。第2、5、6阶为扭转振动，第3、4阶为弯曲振动，第7、8、9阶为横向（轴向）振动，第10阶为组合振动。从以上结果可以看出当由于往复式压缩机轴系激振力主要是弯曲振动激振力与扭转振动激振力，一般不会受到横向（轴向）激振力的影响，因此不予考虑。

图5和图6分别为压缩机轴系产生共振时的附加应力分布和共振振幅，可以看出，当4M125新氢压缩机转速达到130r/min时，扭转激振频率为接近5Hz，弯曲激振力频率为12Hz，附加应力最大值分布在第三、四级曲拐处，轴系共振振幅最大的位置在一、二级曲柄处。

3 结语

通过建立4M125新氢压缩机曲轴轴系的三维模型，应用有限元分析方法对轴系进行模态分析，通过分析结果，可以确定曲轴轴系的固有频率和模态振型，根据压缩机转速与压缩机轴系固有频率的关系，可以初步判定压缩机曲轴轴系的振动情况。

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