压缩机曲轴振动性能分析

李昊越

摘 要：曲轴是压缩机的重要部件。本文建立了曲轴的三维有限元模型，将活塞杆作用力转换成面力施加到曲轴上，对曲轴进行了静力和动力分析，得到了曲轴的应力和变形以及固有频率和振型，对其强度、刚度和振动性能分析校核，在此基础上，对曲轴结构进行改进，在保证性能不变的情况下，可以减少曲轴质量问题，降低工作过程的激振力及振动响应。

关键词：曲轴;振动;压缩机;有限元

0 引言

压缩机是增加气体压力或输送气体的设备，曲轴形状复杂，在工作中要承受周期性的扭转和交变弯曲应力，设计不当严重时在工作中可能断裂，进而连带造成其它零件破坏，最终导致整个压缩机损坏。另外曲轴运动过程中在动态载荷作用下会形成各种类型的振动，振动将以主轴为载体链传递到压缩机其他部分，造成压缩机的其余部分振动，使其噪声大，直接造成其工作周期缩短，所以对曲轴进行必要的静力和动力学分析是提高压缩机性能的关键步骤。

目前，有限元分析已成为研究曲轴动静态性能主要手段，王琼[1]运用ANSYS分析软件对轴系进行了有限元分析，校验了曲轴的安全可靠性，研究发现曲轴中较大的应力主要集中在轴颈和曲柄连接处，以及曲柄和曲柄销连接处。徐增金[2]等学者以某6列往复压缩机为研究对象，使用ANSYS有限元软件对一台烧瓦且断轴的原轴系和调整后的轴系依次进行扭振的分析，对断轴和烧瓦现象产生的原因进行了研究。赵斌[3]对曲轴模态进行了分析，得出曲轴前六个固有频率和振型，对曲轴的结构进行了优化设计以避免共振，从而达到达延缓曲轴的疲劳破坏、延长使用的目的。本文以氦氢压缩机曲轴为研究对象，利用计算机有限元模拟ANSYS软件对曲轴进行静力和振动分析，在此基础上对曲轴进行优化设计，以提高题其整体性能和使用寿命。

1 有限元模型

本文采用ANSYS软件研究氮氢往复式压缩机曲轴，曲轴基本参数如下：长度为5460mm，主轴颈直径为280mm，曲柄销直径为290mm，材料为45号钢，屈服极限大于355MPa，强度极限600MPa。

在建立曲轴三维模型时，在不影响分析结果的基础上对模型做了简化处理，主要体现在两个方面：（1）简化曲轴结构中圆角和油孔。如果在曲轴三维建模时考虑圆角和油孔，会增加网格的密集程度，增加了时间成本，另一方面过多的细节反而让结构受力情况更复杂，影响计算的精准度。（2）简化所有螺栓孔，这主要是考虑到螺栓孔刚度在后期加装螺栓后强度和刚度都会增大，而且简化也规避了畸形网格的出现从而保证计算精度。上述简化对有限元模态分析结果没有影响，但可能会造成应力计算结果的降低，但影响的仅仅是孔周围的局部位置。另外在曲拐与主轴和轴颈链接等应力集中的部位对网格进行了细化。ANSYS软件提供的网格划分主要有自由网格划分，映射网格划分，拖拉、扫略网格划分，由于曲轴形状不规则，本文选用的是自由网格的方式。自由网格指的就是对单元的形状无明确规定，最后得到的单元也不规则，这种方法自动化程度最高，它在面上（平面、曲面）可以自动生成三角形或四边形网格。为提高计算精度，计算采用三维20节点等参实体单元，共划分142653单元，231456个节点。

曲轴主机转速n=333r/min，压缩机曲轴功率3143kw，曲轴扭矩T=90137（N·m），将扭矩平均分配到六个曲拐，从而得出作用在曲轴一个曲拐上的力大小为8.33×104N，进而可以得到作用在曲拐单位面积上的压力大小为1.566MPa。曲轴底座与电机连接的平面上施加固定约束，轴承处施加铰支撑，仅仅约束三个平移自由度，弯曲和旋转的自由度不进行约束。

2 数值模拟结果

首先对曲轴进行了静力分析，结果显示最大Miss应力为44.20，位于主轴颈的最外层，当量应力小于材料的许用应力，强度满足要求，曲轴最大位移为1.41mm，位于曲柄最外层，刚度也满足要求。曲轴前5阶固有频率和振动形式在表1中给出。看出曲轴的第1阶振型表现为第3 个曲拐的扭转振动，振动频率为72.264Hz，曲轴工作转速为333r/min，小于临界转速，不会发生共振。

从前面的强度分析结果可以看出，曲轴最大当量应力远小于材料的许用应力，所以可以在保证强度的条件下，对曲轴结构进行改进，减少曲轴质量，提高固有频率，改进其针对性能。

通过分析发现，曲拐背部的圆角对提高曲轴的振动性能非常重要，如果没有上述的圆角过度，固有频率将下降很多，接近工作转速。但顶部圆角也不能过大，否则曲拐顶部的厚度太薄，传递扭矩的过程中会产生过大的应力。所以曲拐结构尺寸减小的空间已经很小，通过减少曲拐质量优化曲轴振动性能不可行。唯一可调整的是曲柄销，如果将曲柄销改为空心，将会减轻曲轴的质量，提高固有频率，曲柄销直径为280mm，所以改进方案将其改为空心，内孔直径200mm，对结构修改后的曲軸重新进行了网格划分和分析，结果显示最大Miss应力为51.12MPa，前 5阶固有频率在表1中给出，第一阶固有频率71.411Hz，可以看出应力和固有频率都变化不大，除第1阶略有下降外，其余阶都有所增加，这主要是由于采用空心连杆轴颈，虽然刚度降低，但质量减小，所以总体固有频率基本不变。但连杆轴颈的质量的降低，可以减小偏向质量，使得曲轴在旋转过程中激振力减小，从而降低振动的响应，大大提高曲折的疲劳寿命。所以采用空心曲轴颈是改进曲轴设计的有效手段。

3 结论

本文应用有限元分析软件ANSYS建立了曲轴的三维有限元模型，并进行了曲轴的静态强度分析和模态分析，研究了曲轴的静态和动态特性，得到了应力、变形、固有频率和振型等结果，研究表明满足强度和刚度要求。曲轴最低阶固有频率为72.264Hz，曲轴工作时不会发生共振。在此基础上对曲轴进行优化、将曲柄销由实心改为空心，改进后的曲轴第一阶固有频率变化不大，但激振力大大降低，其动态性能得到很大提高，减少了工作时应力的响应，可以很大程度提高曲轴的疲劳寿命。同时曲轴的模态结果能够用来预测压缩机各部件之间的动态干扰的可能性，为改善压缩机整体性能，提供了有效的依据。

参考文献：

[1]王琼.往复压缩机曲轴强度分析[J].压缩机技术，2014，（4）：10-14.

[2]徐增金，王世杰，李媛，往复压缩机轴系扭振有限元分析[J].机械强度，2011，（33）：137-142.

[3]赵斌.压缩机曲轴的有限元分析[J].压缩机技术，2010，（3）：20-21.