制氧廠空氣壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性分析研究

池立軍， 姜 超

（唐山唐鋼氣體有限公司， 河北 唐山 063000）

0 引言

工業(yè)生產(chǎn)中壓縮空氣已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，其作為環(huán)保、清潔的能源在各個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用[1-2]?？諝鈮嚎s機(jī)作為提供動(dòng)力的核心裝置，運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生巨大的能量損耗，尤其是冶金領(lǐng)域，其能耗占企業(yè)總能耗較大數(shù)額[3-4]?？諝鈮嚎s機(jī)在運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)造成零部件使用壽命縮短，同時(shí)空氣壓縮機(jī)由于振動(dòng)而產(chǎn)生的噪聲也會(huì)對(duì)設(shè)備造成機(jī)械損傷并對(duì)附近工作人員噪聲身體損傷[5-6]，因此對(duì)空氣壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性進(jìn)行分析具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[7-8]。本文以某制氧廠使用的空氣壓縮機(jī)為研究對(duì)象，分析其結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性，應(yīng)用多種激勵(lì)并結(jié)合邊界條件進(jìn)行仿真，分析結(jié)果之間的差異性，最后闡明空氣壓縮機(jī)在冶煉廠的實(shí)際應(yīng)用。

1 空氣壓縮機(jī)動(dòng)力學(xué)模型建模

某制氧廠使用的空氣壓縮機(jī)為二級(jí)往復(fù)式空氣壓縮機(jī)，該空氣壓縮機(jī)額定壓力為3 MPa，額定排氣量為60 m3/h。活塞頂部以上的空間為低壓氣缸，活塞過(guò)渡錐面以下的空間為高壓氣缸，如圖1 所示為空氣壓縮機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)示意圖。空氣壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)，活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)使得外界的空氣可以由進(jìn)氣口進(jìn)入低壓氣缸，上行的活塞對(duì)低壓氣缸的空氣進(jìn)行壓縮排入活塞過(guò)渡錐面以下的高壓氣缸，當(dāng)活塞下行時(shí)對(duì)其他進(jìn)行二次壓縮并將其排出，與此同時(shí)外界空氣繼續(xù)由進(jìn)氣口進(jìn)入低壓氣缸，重復(fù)后續(xù)的壓縮工作。

圖1 空氣壓縮機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)空氣壓縮機(jī)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到的模型包含1 個(gè)活塞、1 個(gè)連桿、1 個(gè)電機(jī)、1 個(gè)轉(zhuǎn)子、1 個(gè)曲軸、2 個(gè)基座、2 個(gè)軸承。通過(guò)仿真軟件ADAMS 對(duì)模型進(jìn)行仿真，建立各部件之間的約束關(guān)系，將剛性曲軸和連桿替換為柔性體，得到精確度更好的曲柄連桿機(jī)構(gòu)剛?cè)狁詈夏Ｐ蚚9-10]。

為了分析空氣壓縮機(jī)影響結(jié)構(gòu)振動(dòng)的激勵(lì)，假設(shè)空氣壓縮機(jī)在工作過(guò)程中無(wú)氣體脈動(dòng)和壓力損失，氣體熱力過(guò)程視為理想多變過(guò)程。如圖2 所示為空氣壓縮機(jī)自由端軸承激勵(lì)力曲線示意圖，可以看出，剛?cè)狁詈隙鄤?dòng)力學(xué)模型建立合理，計(jì)算出的曲線符合實(shí)際。

圖2 空氣壓縮機(jī)自由端軸承激勵(lì)力曲線

2 空氣壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)分析

為了進(jìn)一步分析空氣壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性，基于空氣壓縮機(jī)動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)其機(jī)體有限元進(jìn)行建模并施加邊界條件[11-12]。位移邊界條件為空氣壓縮機(jī)機(jī)體使用梁?jiǎn)卧M螺栓并固定在基座，基座實(shí)施固定約束；力邊界條件主要考慮活塞側(cè)推力、軸承力和氣體力?；钊麄?cè)推力指的是高壓和低壓氣缸內(nèi)壁所受的力，活塞推測(cè)力的位置和作用面積隨著活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)等而不斷變化，為了方便分析和計(jì)算，通常將活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)低壓氣缸和高壓氣缸內(nèi)壁所承受的推測(cè)力忽略。軸承力分為徑向水平載荷和徑向垂直載荷，并加載到軸承的內(nèi)表面。氣體力的加載是以壓力的形式加載到氣缸工作面表面，其中空氣壓縮機(jī)的氣缸分為高壓氣缸和低壓氣缸，高壓氣缸工作面為氣缸套中部的過(guò)渡錐面，低壓氣缸工作面為氣缸的下表面。

如圖3 所示為空氣壓縮機(jī)振動(dòng)加速度級(jí)頻譜分析，可以看出在頻域上通用、等時(shí)間和等行程三種仿真特征頻率都為空氣壓縮機(jī)工作的基頻和倍頻，其中等行程分段方式在500～600 Hz 之間會(huì)出現(xiàn)較大的振動(dòng)，同時(shí)在800～900 Hz 之間會(huì)出現(xiàn)較大峰值，而其他兩種方式較為平緩。

圖3 空氣壓縮機(jī)振動(dòng)加速度級(jí)頻譜分析

如圖4 所示為空氣壓縮機(jī)振動(dòng)加速度級(jí)低頻部分的頻譜對(duì)比，可以看出通用方式和等時(shí)間方式運(yùn)行時(shí)低頻相應(yīng)較差，而等行程方式在低頻部分的特征頻率與實(shí)測(cè)結(jié)果具有較高的吻合度，這說(shuō)明分段仿真可以更好地反映空氣壓縮機(jī)低頻振動(dòng)特性。但在130 Hz 附近振動(dòng)加速度級(jí)誤差明顯，這是由于等活塞行程分段仿真方式導(dǎo)致空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生共振，進(jìn)而造成了誤差。

圖4 空氣壓縮機(jī)振動(dòng)加速度級(jí)低頻部分的頻譜對(duì)比

以上分析可以看出，等活塞行程分段仿真在一些特定頻率處存在誤差，這是由于空氣壓縮機(jī)在簡(jiǎn)化模型時(shí)僅保留了機(jī)體部分，與實(shí)際稍有差異；空氣壓縮機(jī)承受的活塞側(cè)推力和氣體力處理過(guò)程后分段數(shù)較少也會(huì)導(dǎo)致仿真結(jié)果存在誤差。此外，由于空氣壓縮機(jī)機(jī)械老化等原因，在實(shí)測(cè)時(shí)也會(huì)存在誤差?？梢钥闯?，仿真和實(shí)測(cè)都會(huì)存在偏差，但仿真和實(shí)測(cè)的結(jié)果幅值以及變化規(guī)律曲線趨勢(shì)基本保持一致，這說(shuō)明模型建立正確，可以有效反映空氣壓縮機(jī)的工作特性。為了更清晰地表明空氣壓縮機(jī)機(jī)體振動(dòng)特性，選擇等活塞行程分段的仿真數(shù)據(jù)結(jié)果，如圖5 所示為空氣壓縮機(jī)機(jī)體振動(dòng)加速度云圖。當(dāng)活塞位于上止點(diǎn)時(shí)，低壓氣缸為壓縮狀態(tài)，這就使得氣缸蓋承受氣體力而振動(dòng)明顯。隨著活塞往下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，高壓氣缸逐漸變?yōu)閴嚎s狀態(tài)，同時(shí)高壓氣缸工作面在氣缸套的中間位置，因此氣缸套會(huì)受到氣體力的沖擊而產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)，這與空氣壓縮機(jī)的受力規(guī)律相吻合。

圖5 空氣壓縮機(jī)機(jī)體振動(dòng)加速度（mm/s2）云圖

低壓氣缸和高壓氣缸內(nèi)運(yùn)動(dòng)的活塞會(huì)受到較大的氣體力并對(duì)空氣壓縮機(jī)造成較大沖擊并造成振動(dòng)。

3 空氣壓縮機(jī)在制氧廠的實(shí)際應(yīng)用

3.1 應(yīng)用效果分析

空氣壓縮機(jī)發(fā)生振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致噪聲并影響其壽命和運(yùn)行，基于以上空氣壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性分析，以某制氧廠使用的空氣壓縮機(jī)為對(duì)象進(jìn)行優(yōu)化。將空氣壓縮機(jī)的活塞運(yùn)行速度降低并將其進(jìn)行微小位移，使得往復(fù)慣性力在活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中得到優(yōu)化，降低工作過(guò)程中的慣性力矩。優(yōu)化后空氣壓縮機(jī)在垂直方向上的加速度由最初1.75 m/s2下降為0.85 m/s2，振動(dòng)噪聲可以下降51.43%，空氣壓縮機(jī)振動(dòng)得到了極大改善，提高空氣壓縮機(jī)工作穩(wěn)定性。

3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

對(duì)某制氧廠使用的空氣壓縮機(jī)能耗測(cè)量以綜合分析空氣壓縮機(jī)經(jīng)振動(dòng)優(yōu)化后的能耗和運(yùn)行費(fèi)用。通過(guò)測(cè)試可以得到單臺(tái)空氣壓縮機(jī)的產(chǎn)氣量提高了39.6 m3/min，同時(shí)功率下降了50 kW 左右。按照該制氧廠空氣壓縮機(jī)運(yùn)行一個(gè)月進(jìn)行計(jì)算，單臺(tái)空氣壓縮機(jī)每月可以節(jié)約電量約1.530 萬(wàn)kW·h，若該制氧廠所屬地工業(yè)電價(jià)平均為0.72 元/kW·h 計(jì)算，每月可以節(jié)約電量費(fèi)用約為1.1 萬(wàn)元的成本。

4 結(jié)論

1）對(duì)空氣壓縮機(jī)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行建模，對(duì)空氣壓縮機(jī)施加激勵(lì)并分析激勵(lì)下空氣壓縮機(jī)激勵(lì)特征，驗(yàn)證動(dòng)力學(xué)模型建立合理，計(jì)算出的曲線符合實(shí)際。

2）基于空氣壓縮機(jī)動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)其機(jī)體有限元進(jìn)行建模并施加邊界條件，對(duì)空氣壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行分析。

3）通過(guò)應(yīng)用效果分析和經(jīng)濟(jì)性分析，通過(guò)空氣壓縮機(jī)振動(dòng)優(yōu)化后單臺(tái)產(chǎn)氣量提高了39.6 m3/min，功率下降了50 kW，每月可以節(jié)約1.1 萬(wàn)元的成本。