往復(fù)式壓縮機(jī)曲軸強(qiáng)度影響因素研究

干杰

摘要：在壓縮機(jī)的工作過(guò)程中，曲軸的工作狀態(tài)是周期性變化的，曲軸作為往復(fù)式壓縮機(jī)中最重要的零件之一，其結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，在承受載荷時(shí)，各斷面突變處、潤(rùn)滑油道處等位置容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)力集中會(huì)使曲軸產(chǎn)生裂紋，甚至導(dǎo)致曲軸破壞。并且曲軸的工作環(huán)境隨著壓縮機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)的逐漸上升變得越來(lái)越嚴(yán)苛，因此對(duì)曲軸的強(qiáng)度與剛度提出了更高的要求?；诖?，文章就往復(fù)式壓縮機(jī)曲軸強(qiáng)度影響因素進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：往復(fù)式壓縮機(jī)；曲軸強(qiáng)度；影響因素

1往復(fù)式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)

大型往復(fù)式壓縮機(jī)主要由工作腔部分、機(jī)座部分及輔助系統(tǒng)等三大部分組成。其中工作腔和機(jī)座作為壓縮機(jī)工作的主系統(tǒng)，其主要構(gòu)件有1-氣缸蓋；2-排氣閥；3-進(jìn)氣閥；4-氣缸；5-活塞環(huán)；6-連桿；7-曲軸；8-活塞；9-冷卻套；10-曲軸箱。往復(fù)式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。壓縮機(jī)工作時(shí)氣體依次經(jīng)過(guò)吸氣管、進(jìn)氣腔、進(jìn)氣閥進(jìn)入到壓縮機(jī)氣缸內(nèi)，待活塞完成一個(gè)周期運(yùn)動(dòng)后，在經(jīng)過(guò)排氣閥、排氣腔、排氣管排除，壓縮機(jī)的好壞直接影響到壓縮機(jī)的排氣量、功率消耗及運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性。

圖1往復(fù)式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2往復(fù)式壓縮機(jī)曲軸受力簡(jiǎn)圖

壓縮機(jī)工作時(shí)是一種電能向機(jī)械能轉(zhuǎn)化的過(guò)程。曲軸與電動(dòng)機(jī)通過(guò)剛性聯(lián)軸器連接在一起，當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，曲軸跟隨電動(dòng)機(jī)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，并將原動(dòng)機(jī)的功率通過(guò)連桿傳遞給活塞，將曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，完成電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)化，曲軸旋轉(zhuǎn)一周，活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次。

曲軸作為壓縮機(jī)最主要的部件，在工作時(shí)所受載荷復(fù)雜，具有軸線不連續(xù)的特點(diǎn)，其加工工藝復(fù)雜，是壓縮機(jī)內(nèi)造價(jià)最高的部件。曲軸除了具有將其自身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的功能以外，還要肩負(fù)向潤(rùn)滑系統(tǒng)輸送動(dòng)力的責(zé)任，因此曲軸在設(shè)計(jì)、制造時(shí)在其表面布置了油孔和油管道，以便潤(rùn)滑油能夠源源不斷地輸送給各軸承。

曲軸主要有三種結(jié)構(gòu)形式：整體式、組合式和半組合式。由于整體式曲軸具有制造方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中大多采用整體式曲軸。

2往復(fù)式壓縮機(jī)曲軸

2.1往復(fù)式壓縮機(jī)曲軸受力分析

往復(fù)式壓縮機(jī)曲軸受力簡(jiǎn)圖如上圖2所示，其中FL為連桿力，F(xiàn)N為側(cè)向力，F(xiàn)為活塞所受合力（由作用在活塞上的氣體力和往復(fù)慣性力以及摩擦力組成），p為連桿擺角，a為曲軸轉(zhuǎn)角。

3.評(píng)估方法及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1強(qiáng)度評(píng)估方法

在曲軸的分析過(guò)程中，由于曲軸的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易出現(xiàn)應(yīng)力奇異的現(xiàn)象。由于任何物體都是有一定的強(qiáng)度的，不可能出現(xiàn)應(yīng)力無(wú)窮大。所以在實(shí)際結(jié)構(gòu)中是不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力奇異的。針對(duì)應(yīng)力奇異的情況，高嵩等人在船體拐角處出現(xiàn)的應(yīng)力奇異現(xiàn)象提出了外插值的方法。

3.2正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知，影響曲軸強(qiáng)度的因素主要有過(guò)渡圓角的半徑R、潤(rùn)滑油道的直徑D、連桿軸頸的長(zhǎng)度L有關(guān)，另外曲軸根據(jù)過(guò)渡圓角的方式可以分為外圓角和內(nèi)圓角。結(jié)合正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，過(guò)渡圓角半徑選4個(gè)水平，分別為8、9、10、11mm；潤(rùn)滑油道的直徑選取4個(gè)水平，分別為12、13、14、15mm；軸頸長(zhǎng)度為86/141、87/142、88/143、89/144mm；過(guò)渡圓角方式可認(rèn)為兩水平，即外圓角和內(nèi)圓角。

3.3仿真求解用

ANSYS軟件對(duì)每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真，其中每組實(shí)驗(yàn)仿真曲軸工作一個(gè)周期，一個(gè)周期內(nèi)選取4個(gè)載荷步，分別為4列連桿軸頸中的每一列所承受載荷為最大時(shí)候的工況，經(jīng)過(guò)求解得出各組的應(yīng)力狀態(tài)。

4.避免壓縮機(jī)曲軸損傷的方法

4.1保證機(jī)組良好的潤(rùn)滑條件

大型機(jī)組的潤(rùn)滑油品管理對(duì)保證機(jī)組正常運(yùn)行至關(guān)重要，據(jù)分析統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)造成動(dòng)設(shè)備損壞的主要原因中，因?yàn)樵O(shè)備潤(rùn)滑管理不到位造成設(shè)備損壞的占比在80%左右。針對(duì)這一情況，生產(chǎn)單位普遍通過(guò)制定油品“五定”標(biāo)準(zhǔn)來(lái)規(guī)范對(duì)設(shè)備潤(rùn)滑的管理工作，即“定人、定質(zhì)、定量、定點(diǎn)、定時(shí)”。另外，要對(duì)油品指標(biāo)定期進(jìn)行化驗(yàn)分析，分析項(xiàng)目主要包括水分、黏度、酸值、閃點(diǎn)、抗乳化性及機(jī)械雜質(zhì)等，運(yùn)行機(jī)組的油品分析頻次一般要求每月1次，庫(kù)存油品要求在使用前對(duì)指標(biāo)進(jìn)行化驗(yàn)分析，根據(jù)化驗(yàn)分析指標(biāo)的具體情況，對(duì)油品進(jìn)行更換、過(guò)濾或部分補(bǔ)充調(diào)整，最終達(dá)到保證油品指標(biāo)合格的目的。

4.2確保壓縮機(jī)運(yùn)行工況正常

壓縮機(jī)在額定工況允許范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，其軸瓦工作溫度均控制在正常工作范圍以內(nèi)，在這個(gè)溫度下潤(rùn)滑油的各項(xiàng)理化指標(biāo)比較穩(wěn)定，既保證了流動(dòng)性，又保證其黏度，在運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦副表面形成合格的潤(rùn)滑油膜，確保良好的潤(rùn)滑條件。如果壓縮機(jī)在超溫、超壓或其他異常情況下運(yùn)行，會(huì)使運(yùn)動(dòng)部件溫度上升，潤(rùn)滑油的溫度也隨之上升而黏度下降，導(dǎo)致潤(rùn)滑油膜被破壞或達(dá)不到要求，造成曲軸、軸瓦磨損加劇。因此，壓縮機(jī)一旦出現(xiàn)超溫、超壓或工況異常的現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)檢查處理，避免損壞設(shè)備或造成更大的安全事故。

綜上，曲軸是壓縮機(jī)中最主要的運(yùn)動(dòng)部件，它的形狀復(fù)雜，對(duì)加工質(zhì)量的要求極高，制造工藝難度和復(fù)雜程度非常大。因此，在曲軸設(shè)計(jì)時(shí)，必須要考慮曲軸強(qiáng)度的影響因素，從而保證壓縮機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。