往复式空气压缩机振动分析方法研究[1]

往复式空气压缩机振动分析方法研究

夏雪宝，向阳

（武汉理工大学能源与动力工程学院，武汉 430063）

摘要：本文应用Pro/E对CZ-60/30型往复式空气压缩机的运动件和机体进行建模并对模型进行了简化。然后用动力学仿真软件ADAMS 求出空压机机体所承受的载荷。最后用有限元分析软件ANSYS 对机体进行模态分析和振动响应分析，得到了空压机机体的固有频率和振型，以及机体工作时的振动位移、速度及加速度，找到了机体结构的薄弱环节，所得结果对于机体的结构设计改进和减振具有重要的指导意义。

关键词：空压机；机体；有限元；振动

中图分类号：TH457 文献标识码：A

Vibration analysis of reciprocating air-compressor

Xia Xuebao,Xiang Yang

(School of Energy & Power Engineering , WUT , Wuhan 430063，China)

Abstract ：Moving parts and frame of CZ-60/30 reciprocating air-compressor are modeled and simplified by Pro/E .Then the working load of the air compressor frame is calculated by using ADAMS .Finally, modal analysis and vibration response analysis is carried out by using ANSYS. Natural frequencies, mode shapes, frame vibration displacement, velocity and acceleration are got .The weakest part of the frame structure is found for improving the structural design and reducing the vibration of the frame. Key Words：Air-compressor; frame; finite element; vibration

0引言

CZ-60/30型往复式空气压缩机是由曲柄连杆机构组成的往复式机械装臵，其工作特点是周期性地压排气体，最终将回转的机械能转换为空气的压力能。由于空压机吸、排气的周期性，空压机的机体则承受周期交变载荷的作用，成为诱发空压机机体振动的主要激励。机体强烈的振动会给生产带来严重的危害：使得机体结构、机体附件产生疲劳破坏，特别是机体上与其它部件的连接部位易发生松动和破裂；使得压缩机的阀片等零部件过早损坏；噪声增大，影响船员的身心健康。因此预测空压机机体的振动并改进其设计具有十分重要的意义[1]。

目前解决大功率往复式空气压缩机振动问题的主要措施是增加缸数。基于减少成本和缩小体积考虑，国内很少采用这种方法。国内在对往复式空气压缩机的设计计算过程中，往往只是简单地计算一下曲柄连杆机构的平衡，对其全转速范围内的振动情况的分析还不充分。文献[2]对压缩机机体结构的振动模态和响应做过有限元分析。本文主要通过有限元分析软件ANSYS 对CZ-60/30型往复式空气压缩机机体进行模态分析和振动响应分析。主要步骤是建立空压机几何模型，用Matlab 模拟空压机工作循环得到气体压力曲线，用ADAMS 软件对空压机进行动力学仿真求得空压机的载荷，再使用Hypermesh 对机体进行网格划分及前处理，最后用ANSYS 对机体进行模态分析和振动响应分析。

收稿日期：2011.5.31

作者简介：夏雪宝(1989- ) ，男，硕士研究生，江西九江。主要研究方向为振动与噪声控制技术。E-mail: [email protected]，联系电话：[1**********]。

导师简介：向阳(1962- ) ，女，教授，博导，湖北武汉。E-mail: [email protected]，联系电话：[1**********]。

1空压机模型的建立及简化

在PRO/E中分别创建CZ-60/30型往复式空气压缩机的机体（包括缸盖，缸套，曲轴箱）模型和运动机构（包括活塞，连杆，曲轴，飞轮）的模型。如图1和图2所示。

图1 空压机机体模型 图2 空压机运动机构模型 图3空压机机体有限元模型 空压机机体的模态分析和振动响应分析结果的准确性在很大程度上取决于其有限元模型的准确性。在保证一定精度的前提下对机体模型进行适当简化，CZ-60/30机体的几何形状非常复杂，其实际模型见图1，模型具有很多小的倒角，以及其他小孔、小面。直接采用原模型进行有限元分析会使网格单元尺寸过小，单元数目增多计算量增大，耗费大量的资源；有些小的元素会导致有限元网格划分失败，即便能够进行网格划分，划分出的不合理的单元也会导致计算的失败。因此必须对机体结构进行适当的简化，才能取得较好的分析结果。本文做了如下简化:忽略一些尺寸较小的倒角；将机体模型中的具有复杂曲面简化为有规则的、有利于网格划分的形状，避免出现过小的尖角；并对空压机机体上的小的凸台、螺纹孔、气孔以及螺栓孔等进行适当的简化。

2空压机机体模型的网格化分及参数定义

空压机机体的网格划分和参数定义是通过Hypermesh 软件来完成的。本文对空压机机体的模型采用自由网格划分，单元尺寸为10mm ，单元类型为solid45，得到机体有限元网格模型如图3。该模型的单元分布均匀，大小合适，共产生了219233个单元，61475个节点。同时对空压机机体有限元模型的密度、泊松比进行定义，单位制为SI ，并将模型保存为.cdb 格式。 3空压机机体载荷分析

CZ-60/30空气压缩机是双级往复式空气压缩机，一级额定排气压力为0.65Mpa, 二级额定

o 排气压力为3Mpa 。在额定转速为750r/min的三相交流电动机的带动下运转，曲轴每转360 一

个周期，所以其额定工况下运转周期为0.08s 。每周期活塞对空气进行低压和高压两级压缩，最后将压缩空气送至储气瓶。空压机机体模型是由缸盖、缸套、曲轴箱及曲轴箱两端轴承盖组装粘结成一体而成，忽略它们之间的螺栓连接力，因此空压机在实际工作过程中机体所受的动载荷可简化为曲轴箱所受的轴承力、缸套所受的侧推力以及气体力。

3. 1气体力分析

气体力对机体的作用是通过三种途径，一是通过曲柄连杆机构转换为侧推力和轴承力作用到机体上的；二是直接作用于缸盖；三是直接作用于缸套。由于空压机在实际运转过程气体力作用于缸套的面积是随活塞的上下运动而变化的，且是周向的，相对前两种来说对机体的影响较小，因此本文忽略气体力对缸套的作用，只考虑前两种作用。由于活塞在上止点时与缸盖的

-53间隙为1mm ，相应的一级余隙容积仅为1.89*10m ，因此忽略一级余隙容积的作用。由于同样

的原因也忽略二级余隙容积的作用。使用Matlab 模拟空压机工作循环，得到一级和二级的气体压力曲线。其中一级P-V 图，及转换后的P-φ如图4和图5所示。

图4空压机一级气缸P-V 图 图5空压机一级气缸P-φ图

3. 2轴承力和侧推力分析

本文使用ADAMS 中的View 模块对空压机进行仿真计算，并求取空压机机体的轴承力和侧推力。首先把简化好的空压机模型保存为Parasolid 格式的文件，将其导入ADAMS/View中，如图6所示。对导入View 模块中的空压机模型定义材料属性，添加约束和驱动，加载气体力，对空压机模型进行仿真计算。得到空压机机体轴承和缸套2个周期的载荷时间历程曲线，如图7所示。由于仿真时第一个周期的不平稳性，故取第二个周期（0.08s-0.16s ）作为计算载荷。

图6空压机模型导入View 模块 图7载荷时间历程曲线

4空压机机体的模态分析

将处理好的有限元模型导入ANSYS 中，采用Block Lanczos Method法计算空压机机体的自由模态和约束模态。约束模态计算时约束条件为在曲轴箱上4个地脚螺栓孔内表面上所有节点6个自由度添加零位移约束。前10阶固有频率（去掉了前六阶刚体模态）及振型如表1所示。前几阶自由模态和约束模态振型图如图8至图11所示。

图8 自由模态第1阶 图9自由模态第3阶 图10 约束模态第3阶 图11约束模态第4阶

振型图 振型图 振型图 振型图

表1 机体各阶固有频率及振型

通过对比空压机机体的自由模态和约束模态可得出：空压机机体的约束模态频率小于相同阶数下的自由模态频率；空压机机体自由模态前几阶振型表现为机体的整体弯振或扭振，而约束模态前2阶振型表现为机体上部即缸盖的局部振动，说明在约束条件下缸盖的变形较大；随着频率的升高，空压机机体自由模态4阶以后的振型表现为机体的局部振动，而约束模态3、4、6阶振型表现为机体的整体弯振或扭振，7阶以上机体模态则表现为机体的局部振动，振动形式越来越复杂，从而造成的疲劳破坏和噪声也越来越严重。

5空压机机体的振动响应分析

5. 1机体阻尼分析

空压机机体结构的振动响应分析中，机体阻尼起到重要作用。阻尼是材料的物理特性，它表征了物理结构内部的能量消耗。一般情况对机体进行振动响应分析过程中不能忽略阻尼的影

响。在实际振动响应计算过程中，可以按下式来确定系统的阻尼矩阵[3]：

[C]=α[M]+β[K]

[C]称为瑞利矩阵，α、β为实常数，称为瑞利阻尼系数，α、β可由下式求出：

2⎧2ξω=α+βω⎪111⎨2⎪2ξω=α+βω2 ⎩22

式中：ξ1——为系统第一阶自由模态振型下的阻尼比

ξ2——为系统第二阶自由模态振型下的阻尼比

ω1 、ω2 ——为系统前两阶自由模态的固有角频率

空压机机体的前二阶固有频率为f1=675.38Hz和f2=811.73Hz，而有ω1=2π* f1，ω2=2π* f2。前二阶的模态阻尼比可以按经验取ξ1=ξ2=0.02-0.05[4]，这里取0.03，则可以求得瑞利阻尼系数α=23，β=0.0000064。

5. 2机体位移边界条件确定

空压机是通过螺栓与基座相连，基座则安装固定在地基上。由于基座的刚度非常大，可认为基座的位移为零，所以只需在空压机曲轴箱连接螺栓孔内所有节点的6个自由度施加零位移约束。空压机机体上还装有很多其他附件如进气管、排气管、级间冷却器、滑油分离器、压力表等，这些附件一般通过螺栓连接到机体上。由于空压机机体的刚度较大，因此可以忽略这些附件的影响。

5. 3载荷的施加与瞬态响应计算及分析

要对机体施加轴承力和侧推力，首先要使用Hypermesh 在轴承孔和缸套下半部建立rbe2单元，然后再在rbe2单元中心建个中心节点，再在相应的中心节点上加载轴承力和侧推力。气体力是加载在缸盖下部所有节点上的。由于空压机额定工况下运转周期为0.08s ，载荷的周期也为0.08s 。所以在计算空压机机体振动响应时只要计算一个周期的振动响应。得到了空压

o o 机机体在各个时间点的振动位移、速度、加速度云图。机体在36CA 和144CA 振动位移、速度

云图如图12～15所示。

图12 曲柄转角为36 图13曲柄转角为36 图14 曲柄转角为144 图15 曲柄转角为144 时位移云图 时速度云图 时位移云图 时速度云图

从图中可以看出机体发生最大变形的部位是机体上端的缸盖，其次还有曲轴箱两轴承座的下部。缸盖的变形主要是由于活塞侧推力和轴承水平分力导致的绕x 轴（x 轴与活塞销方向一致）的弯曲变形。曲轴箱轴承下部的变形主要是由于周期变化轴承力导致的局部变形。同时，从图中可以发现，机体位移变形大的部位相应表面振动速度也大。说明空压机机体表面振动速度与机体的刚度有关，机体刚度较大的部位（如缸套）振动速度较小，机体刚度较小的部位（如缸盖和曲轴箱下部）振动速度较大。另外，机体表面的振动速度还与空压机机体的整体振动水平成正比，即机体表面振动速度随机体整体振动水平升高而升高，而机体振动水平主要由曲柄

[2]活塞机构的不平衡力与力矩决定。总而言之，要减小机体振动响应，可以通过加强筋来加强o o o o

缸盖和曲轴箱的刚度，同时还要尽量减小曲柄连杆机构的不平衡力和力矩。

5. 4机体振动响应时间历程曲线分析

由机体振动响应的位移、速度变形云图可知空压机缸盖和曲轴箱下部的刚度较低、变形较大，取曲轴箱下部具有代表性的某一节点，分析它的振动响应。曲轴箱下部某节点的Y 方向（垂直方向）速度和加速度响应时间曲线如图16和图17所示。

图16某节点Y 向速度响应时间曲线 图17 某节点Y 向加速度响应时间曲线 从图16和图17可以发现，节点的Y 向（垂直方向）速度和加速度响应在0.04s （半个周期）左右出现峰值。根据图5机体载荷时间历程曲线可知，因为在曲柄连杆机构的往复惯性力的作用下两轴承的垂直分力（Y 向分力）在半周期左右达到最大值，从而使得节点的Y 向响应在半周期左右出现峰值。

6总结

通过对CZ-60/30型往复式空气压缩机机体进行模态分析和瞬态响应分析可知空压机缸盖和曲轴箱下部的刚度较低、变形较大，是比较薄弱的环节，在设计时可做如下改进：

（1） 通过在缸盖内部冷却水腔内布臵加强筋来增加缸盖的刚度。

（2） 在曲轴箱下部添加肋板或加厚曲轴箱壁的厚度以增强曲轴箱下部的刚度。

参考文献

[1]周建明，周瑞平. 内燃机结构噪声预测方法的研究[D].武汉理工大学，2007，5.

[2]刘成武，黄鼎键， 江吉彬. 基于ANSYS 的压缩机机体动态特性研究[J].福建工程学院学报，2009，6:256～259.

[3]马万福，高文志. 基于有限元法的内燃机机体振动分析与噪声预测研究[D].天津大学2005，2.

[4]吕西林等. 钢筋混凝土结构非线性有限元理论与应用[M].同济大学出版社，1997.