194 kW壓縮機(jī)底架的模態(tài)分析對(duì)比

陳玉雯，林家祥，宋虎靈

（廣西科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西柳州545006）

194 kW壓縮機(jī)底架的模態(tài)分析對(duì)比

陳玉雯，林家祥，宋虎靈

（廣西科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西柳州545006）

針對(duì)壓縮機(jī)底架振動(dòng)問題，運(yùn)用Solidwoks建立壓縮機(jī)底架的三維模型，運(yùn)用Hypermesh軟件進(jìn)行有限元模型的建立并求解計(jì)算。分別對(duì)底架和裝配條件下的底架進(jìn)行模態(tài)分析，得到壓縮機(jī)底架的固有頻率和陣型。最后對(duì)底架進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，將兩種底架的固有頻率與測試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。研究結(jié)果表明裝配條件下的底架模態(tài)分析更符合實(shí)際。底架系統(tǒng)的固有頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)工作頻率不重疊，不會(huì)出現(xiàn)共振，為企業(yè)減震降噪分析提供理論依據(jù)。

底架；振動(dòng)；模態(tài)分析；有限元方法

空壓機(jī)在工業(yè)方面的應(yīng)用越來越多，近幾年空壓機(jī)的振動(dòng)噪聲問題也受到越來越多的關(guān)注?？諌簷C(jī)上的柴油機(jī)、螺桿機(jī)、油箱、冷卻系統(tǒng)、油氣分離器等各部件都安裝在底架上。底架作為承載部件，在空壓機(jī)安全性和功能性方面發(fā)揮著重要作用。一旦底架的固有頻率與柴油機(jī)工作頻率相近，則可能發(fā)生共振。這就會(huì)引起底架的局部變形，嚴(yán)重的還會(huì)發(fā)生斷裂[1]。本文分別對(duì)194 kW壓縮機(jī)底架和裝配下底架進(jìn)行模態(tài)分析，與試驗(yàn)分析結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)裝配下底架的分析結(jié)果更加符合實(shí)際，為該型號(hào)底架的分析提供依據(jù)。

1194 kW壓縮機(jī)底架有限元模型的建立

在Solidworks中建立194 kW空壓機(jī)底架的幾何模型，為使有限元模型的計(jì)算更加快捷，需要對(duì)幾何模型進(jìn)行局部特征消隱，這些特征對(duì)有限元的計(jì)算分析結(jié)果影響很小，卻能夠大大降低計(jì)算時(shí)間。將底架中的沒有安裝要求的螺紋孔忽略，不進(jìn)行計(jì)算，并將鈑金折彎處的圓角改為直角[2]。對(duì)幾何模型處理好之后導(dǎo)入到hypermesh軟件中進(jìn)行前處理。首先抽取中面、采用殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，為使模態(tài)分析更符合實(shí)際情況，對(duì)底架施加約束條件[3]。然后設(shè)置底架的材料屬性，底架所用材料為Q235鋼，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.27，材料密度為7 850 kg/m3.底架和裝配條件下底架的有限元模型分別如圖1和圖2所示。

圖1 底架有限元模型

圖2 裝配下底架有限元模型

2 194 kW壓縮機(jī)底架的模態(tài)計(jì)算結(jié)果與分析

將有限元模型在Hypermesh中求解，考慮到高階模態(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)影響很小，現(xiàn)只計(jì)算前六階固有頻率[4]，結(jié)果如表1所示。裝配下底架陣型和底架陣型分別如圖3和圖4所示。從裝配下底架的陣型圖可以看出底架系統(tǒng)的蒙皮薄板件出容易發(fā)生局部屈曲，如果局部變形較大則會(huì)出現(xiàn)破損、開裂，影響使用壽命。因此在以后的底架動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮這些因素[5]。從底架的陣型可以看出，兩條橫梁的彎曲程度較大，會(huì)產(chǎn)生局部變形，若變形過大會(huì)影響安裝在底架上的柴油機(jī)、主機(jī)等部件的工作效率，產(chǎn)生振動(dòng)和噪音。

表1 約束模態(tài)及試驗(yàn)?zāi)B(tài)

圖3 裝配下底架前三階陣型圖

圖4 底架前三階陣型圖

該型號(hào)壓縮機(jī)采用6缸4沖程柴油機(jī)，正常工作轉(zhuǎn)速900 r/min~2 200 r/min，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)頻率計(jì)算公式：

式中：f為工作轉(zhuǎn)速；z為點(diǎn)火次數(shù)。

六缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸每轉(zhuǎn)360°就會(huì)有三個(gè)氣缸點(diǎn)火[6]，所以點(diǎn)火次數(shù)為3，由此可得工作時(shí)柴油機(jī)的工作頻率為45 Hz~110 Hz.裝配下底架即底架系統(tǒng)的前八階頻率均低于45 Hz，說明該底架系統(tǒng)不會(huì)與發(fā)動(dòng)機(jī)的工作頻率產(chǎn)生共振。

3 實(shí)驗(yàn)測試分析

3.1 模態(tài)對(duì)比分析

實(shí)驗(yàn)測試是研究振動(dòng)特性的一種重要方法。采用LMS Test.Lab模態(tài)振動(dòng)測試分析系統(tǒng)，對(duì)底架進(jìn)行現(xiàn)場測試。通過錘擊激振法對(duì)所研究對(duì)象施加激振力，由傳感器拾取不同點(diǎn)位的信號(hào)之后將數(shù)據(jù)傳遞到電腦進(jìn)行分析[7]。通過信號(hào)處理、數(shù)據(jù)擬合等手段得到模態(tài)剛度、模態(tài)阻尼、模態(tài)頻率等分析結(jié)果[5]。試驗(yàn)?zāi)B(tài)結(jié)果列入表1.

3.2 結(jié)果分析

通過對(duì)比分析，裝配下底架的固有頻率更符合實(shí)際。根據(jù)振動(dòng)理論可知，裝配下底架的剛度明顯下降[8]，同時(shí)也表明在底架上焊接蒙皮薄板件對(duì)整個(gè)底架系統(tǒng)的固有頻率產(chǎn)生很大影響。由理論分析與試驗(yàn)測試結(jié)果比較可知，裝配下底架的模態(tài)分析更加準(zhǔn)確、符合實(shí)際。

4 結(jié)束語

（1）通過hypermesh軟件對(duì)底架進(jìn)行固有頻率分析，得到前六階底架及裝配條件下的底架系統(tǒng)的固有頻率和陣型。通過實(shí)際測試的試驗(yàn)?zāi)B(tài)與底架模態(tài)對(duì)比，可知裝配下底架系統(tǒng)的模態(tài)分析更加準(zhǔn)確、更加符合實(shí)際，同時(shí)也說明有限元分析的準(zhǔn)確性。

（2）裝配下底架前六階固有頻率均低于壓縮機(jī)工作頻率，說明這兩類頻率不重疊，不會(huì)發(fā)生共振。從陣型也可看出，蒙皮薄板件會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)，此分析為減振分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論參考。

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[2]杜平安.有限元網(wǎng)格劃分的基本原則[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2000，2（1）：34-36.

[3]詹迪斯.SolidWorks simulation premium振動(dòng)分析教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012：3-6.

[4]王明強(qiáng)，朱永梅，劉文欣.有限元網(wǎng)格劃分方法應(yīng)用研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2004（1）：29-31.

[5]李峰，劉媛媛.某空壓機(jī)車架隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2015，32（11）：92-95.

[6]周永新.應(yīng)用模態(tài)分析的振動(dòng)支架優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代制造工程，2009（8）：105-107.

[7]徐偉，戴云.基于模態(tài)分析的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)怠速振動(dòng)優(yōu)化[J].輕型汽車技術(shù)，2013（9）：15-18.

[8]張奕.汽車燃油箱的動(dòng)靜態(tài)強(qiáng)度分析[D].柳州：廣西科技大學(xué)，2013.

Comparison of Modal Analysis of 194 kW Compressor Chassis

CHEN Yu-wen，LIN Jia-xiang，SONG Hu-ling
（Department of Mechanical Engineering，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou Guangxi 545006，China）

On account of the vibration of compressor frame，a three-dimensional model of a compressor frame is built by Solidwoks，finite element model is built and calculated by Hypermesh.Frame and the frame under the condition of assembly are modal analyzed，the natural frequency and the formation of a compressor are got.Finally，frame is tested and the two natural frequency and test results are contrasted，finding that the frame under the condition of assembly is more practical.The natural frequency of frame system and the working frequency of the engine does not overlap，resonance will not occur.Theoretical basis for the analysis of vibration reduction and noise reduction is provided for enterprises.

frame；vibration；model analysis；finite element method

O324；TB123

A

1672-545X（2016）11-0023-03

2016-08-17

項(xiàng)目來源：廣西科技大學(xué)與柳工（柳州）壓縮機(jī)有限公司合作的橫向課題：壓縮機(jī)減振、降噪研究項(xiàng)

陳玉雯（1990-），女，河南洛陽人，在讀碩士研究生，主要研究方向：振動(dòng)仿真；林家祥（1969-），男，廣西貴港人，碩士，教授，高級(jí)工程師，研究生導(dǎo)師，研究方向：環(huán)保機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)與零部件優(yōu)化設(shè)計(jì)、虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究。