摘 要:在壓縮機的工作過程中,關鍵的運行部位便是曲軸和相關的結構部分,通常該部件的運轉情況是呈定量且定期的,而且該部件在壓縮機工作時,一直都在承擔較大負荷,各斷面突變處、潤滑油通道、曲軸接觸面等位置,這些持續(xù)承擔工作壓力的部位都十分容易出現(xiàn)問題,影響壓縮機整體的工作運轉,嚴重還會造成曲軸的損壞。而且由于壓縮機在持續(xù)工作的過程中,內部的溫度等指標不斷升高,對于曲軸的影響也越來越明顯,所以曲軸的關鍵就在于能否在這種環(huán)境依然能保持穩(wěn)定的工作?;诖耍恼峦ㄟ^對壓縮機工作過程中,造成曲軸損壞的各方面原因進行了論述。
關鍵詞:往復式壓縮機 曲軸強度 影響因素
1 往復式壓縮機的結構
如下圖所示,該圖便是往復式壓縮機的切面圖,從內部來看,占體積最大的為工作腔,還有壓縮機底部的機座以及周圍的各種輔助系統(tǒng),在實際工作中,主要由下面兩個系統(tǒng)進行持續(xù)運轉,其主要構件有活塞、十字銷、連桿、軸瓦、曲軸、曲軸箱、進排氣閥門及管道等。該壓縮機的工作流程為:吸氣管先將氣體吸入壓縮機,通過簡單的處理最后進入內部的氣缸中,這些氣體會壓縮活塞進行運動,完成一個周期的往復運動后,氣體再由排氣系統(tǒng)進行排氣。從壓縮機的整體構造來看,整體質量對于工作效率、排氣等都有較大影響。
從工作原理來看,該壓縮機的內部工作原理和能量轉換過程其實非常簡單,壓縮機接通電源后,電動機先開始運轉,由電動機帶動內部曲軸運轉,然后通過往復運動,將能量傳遞給活塞部位,這就可以曲軸上的能量轉移到活塞上,使得活塞開始工作,完成電能向機械能的轉化,在這個過程中,能量損耗較少,曲軸每旋轉一周對應就可以推動活塞工作一次。
在壓縮機內部的結構中,曲軸是最為關鍵的結構,也是成本較為昂貴的部位,主要由兩方面原因,其一是因為曲軸本身的結構就十分復雜,而且也較為精密,持續(xù)工作是所承擔的負荷也較大,這一特點導致了曲軸制作較為繁瑣;其二是因為曲軸在壓縮機內部的多元化功能,是一個承上啟下的部件,構造復雜,還要滿足轉化能量、輸送動力等需求,所以曲軸是往復式壓縮機中最為重要的部件。
我們從曲軸的構成來看,主要分為三種,分別是整體式、組合式以及半組合式,從工業(yè)的實際應用來看,整體式的應用最為廣泛,因為該結構構造較為簡單、制作成本也相對較低、維修也最為簡單等。
2 往復式壓縮機曲軸
2.1 往復式壓縮機曲軸尺寸
曲軸的各個主要參數(shù)為:總長度為2410mm,其中,第1列連桿軸頸長度L2為88mm,第2列連桿軸頸長度L3為143mm,主軸頸直徑D1為210mm,連桿軸頸直徑D2 為210mm,潤滑油道D3為12mm,過渡圓角半徑R為10mm。
2.2 往復式壓縮機曲軸受力分析
在壓縮機工作過程中,內部曲軸各個位置的受力分析如圖所示,其中連桿力用FL 代表,側向力用FN 代表,活塞所受合力(由作用在活塞上的氣體力和往復慣性力以及摩擦力組成)用F 代表,連桿擺角用β 代表,曲軸轉角用α代表。
3.評估方法及試驗設計
3.1強度評估方法
在曲軸的分析過程中,我們需要考慮的情況較多,從曲軸本身的構造來看,因為曲軸構造相對較為復雜,工作時承載負荷較大,實際中出現(xiàn)的故障或者問題也具有多樣性,比較難進行針對性的預防和處理。從應力奇異這一方面來看,可以在曲軸船體主要受力的通道接觸部分以及拐角部位,進行外插。
3.2正交試驗設計
根據(jù)經(jīng)驗可知,與曲軸結構強度直接有關的方面主要由三個,比如曲軸內部的主干軸頸的長度、起潤滑作用的通道直徑,還有最為關鍵的過渡圓角的半徑長短。通過大量實驗結果印證,我們主要選取8、9、10、11mm作為過渡圓角的半徑;潤滑油道的直徑選取4個水平,分別為12、13、14、15mm;軸頸長度為86/141、87/142、88/143、89/144mm;對于過渡圓角來說,具體還可以分為外部圓角和內部圓角。
3.3仿真求解用
ANSYS在實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和使用上具有較大優(yōu)勢,可以將實驗過程中的數(shù)據(jù)填入,進行實際情況的模擬,通過一定量的數(shù)據(jù)模擬,可以得出較為準確的工作參數(shù)以及應力值等。
4結果分析
我們從曲軸的結構對其進行分析,因為每個內部結構在壓縮機工作過程中的損耗程度不同,所以每個結構對于曲軸的影響效果也有較大差別,而且在實際工作過程中,這些影響效果并不是相互平行作用的,而是互相交錯,所以一個較小的問題可能就會造成曲軸整體的故障甚至損壞。對于曲軸的過渡圓角來說,該部分對于曲軸的影響最大,尤其是當半徑出現(xiàn)變化時,對于曲軸的影響效果變化也十分明顯,但有個別例外,可能原因為:該壓縮機內部結構復雜,每個關鍵部件的影響都是相互交錯的。
5.避免壓縮機曲軸損傷的方法
5.1 保證機組良好的潤滑條件
由于工業(yè)生產通常都具有產量大、持續(xù)工作時間長等特點,所以相關的機械設備對于潤滑產品的需求較大,而且十分需要高質量的潤滑產品,根據(jù)我國機械設備的損壞情況統(tǒng)計來看,每年損壞的機械設備有將近8成都是由于潤滑問題導致的。所以我們一定要嚴格制定對于潤滑產品的需求標準,就比如 “定人、定質、定量、定點、定時”。此外,潤滑產品的質量也要重點檢測,主要的檢測項目為水分、黏度、酸值、閃點、抗乳化性及機械雜質等,此外,還要定期對于潤滑油進行抽樣化驗檢查,再根據(jù)化驗結果,對潤滑油進行針對性的處理??傊?,要保證機組良好的潤滑條件。
5.2 確保壓縮機運行工況正常
壓縮機雖然時機械設備,但是其內部曲軸、軸瓦等部件,都對于外部環(huán)境的要求較穩(wěn)定,如果壓縮機長時間在溫度較高的環(huán)境持續(xù)工作,高溫會導致潤滑油的物理性質出現(xiàn)變化,潤滑油的黏性、潤滑度、正常的流動都會受到影響,從而導致壓縮機內部各個部件工作時的摩擦增大,問題嚴重可能會導致壓縮機內部損壞,此外,對于外部壓強、濕度等環(huán)境因素,也需要控制,盡量避免壓縮機在特殊的環(huán)境中持續(xù)工作,而且一旦壓縮機出現(xiàn)異常,要立即進行斷電,檢查,防止進一步損壞,造成不可挽回的損失,甚至可能導致生產責任事故。
綜上,我們可以了解到,曲軸是壓縮機工作中的核心位置,它對于外界環(huán)境要求較高,曲軸不僅要滿足壓縮機內部持續(xù)工作的工作負荷,還要承擔一部分能量轉化功能,所以必須要保證曲軸在制作過程中,嚴格的符合各項標準,從而保證壓縮機的穩(wěn)定運行。
參考文獻:
[1] 董超群. 整體往復式壓縮機曲軸力學性能研究與安全評價[D]. 西南石油大學,2014
[2] 趙楠. 大型往復式壓縮機曲軸動態(tài)特性研究[D]. 沈陽工業(yè)大學,2014
[3] 鮑軍,張成彥,姜慧君,邢志勝. 往復式壓縮機曲軸動態(tài)特性分析[J]. 機械設計與制造,2015(3):233-236
作者簡介:姓名:干杰(1988—),性別:男,民族:漢,職稱:助理工程師,籍貫:陜西省延安市延川縣。