一种往复式压缩机曲轴系统扭振计算方法技术方案

本发明专利技术提供一种往复式压缩机曲轴系统扭振计算方法，包括以下步骤：S1、分析压缩机轴系激励载荷；S2、建立压缩机轴系三维几何模型及轴系集中参数模型，获取轴系结构参数；S3、采用拉格朗日法建立轴系扭振动力学模型；S4、分析轴系无阻尼自由振动，求解轴系固有频率，根据API618标准判断轴系是否共振；S5、分析轴系强迫振动，掌握轴系扭振响应规律。本发明专利技术方法考虑压缩过程中存在的泄露、气阀延迟、外界热交换等因素对激励载荷的影响，通过ANSYS、Matlab软件，结合拉格朗日法、龙格库塔法建立轴系扭振动力学模型，求解轴系固有频率，掌握轴系扭振响应规律，提高压缩机建立动力学模型的准确性，为轴系扭振的计算提供一种可靠方法。为轴系扭振的计算提供一种可靠方法。为轴系扭振的计算提供一种可靠方法。

【技术实现步骤摘要】
一种往复式压缩机曲轴系统扭振计算方法


[0001]本专利技术提供一种往复式压缩机曲轴系统扭振计算方法，属于往复式压缩机曲轴扭振研究领域。

技术介绍

[0002]往复式压缩机是石油化工领域的重要动力设备，在油气开采、集输增压等方面发挥着重要作用。曲轴系统是压缩机内的关键零部件，在工作过程中，受到复杂交变载荷，加之曲轴各轴颈间转速不一致，导致曲轴发生扭转振动，若轴系固有频率和激励力频率重合或相近时，轴系会产生共振，使振动加剧，容易引发烧瓦、联轴器连接螺栓断裂和曲轴断裂等现象，降低生产效率，严重时会引发安全事故。因此，开展往复式压缩机曲轴系统扭振特性的研究必不可少。
[0003]在轴系扭振机理研究方面，传统方法上主要从固有频率、复杂载荷作用下的时域响应以及结合多体动力学的方式得到轴系的应力分布，但分析过程存在载荷过度简化的问题，不能对轴系扭振现象做出合理准确预测；因此，考虑实际压缩过程中存在的泄露、气阀延迟、外界热交换等因素对激励载荷的影响，建立轴系扭振动力学模型，求解轴系固有频率，掌握实际压缩过程的轴系扭振响应规律，提高压缩机建立动力学模型的准确性，缩短计算时长，为轴系扭振的计算提供一种可靠方法。

技术实现思路

[0004]为了解决目前计算方法中存在的问题，本专利技术采用以下技术方案：一种往复式压缩机曲轴系统扭振计算方法，包括以下步骤：
[0005]S1：确定压缩机实际工作情况下的循环P
‑
V图，掌握气缸内压力随曲柄转角的变化规律；对曲轴系统简化后的曲柄连杆机构进行受力分析，掌握轴系阻力矩和驱动力矩随曲柄转角的变化规律；
[0006]S2：根据往复式压缩机轴系结构参数，利用三维建模软件SolidWorks建立往复式压缩机曲轴系统的三维几何模型，其中包括：电机、联轴器、曲轴；
[0007]S3：根据S2中建立的三维几何模型，结合往复式压缩机轴系结构特点，建立轴系的集中参数模型；
[0008]S4：根据S3中的集中参数模型，利用三维建模软件SolidWorks、有限元软件ANSYS、测量仪器和理论公式得到各圆盘对应转动惯量、扭转刚度以及各圆盘间相对扭转阻尼及外部阻尼，获得轴系结构参数；
[0009]S5：在S3中所得轴系集中参数模型上建立轴系广义坐标，利用拉格朗日法，建立轴系扭振动力学模型，将轴系扭振动力学模型进行拆解，表达成一阶微分方程组的形式，得到扭振响应的方程组：
[0010][0011]式中：J为各圆盘转动惯量，c为圆盘间阻尼，k为圆盘扭转刚度，T为激励力矩，θ为位移向量；
[0012]S6：在S5中所建立的轴系扭振动力学模型的基础上，忽略阻尼的影响，令S6：在S5中所建立的轴系扭振动力学模型的基础上，忽略阻尼的影响，令得到轴系无阻尼自由振动微分方程：
[0013][0014]式中：J为转动惯量矩阵，K为刚度矩阵，θ为角位移向量；
[0015]在无阻尼多自由度系统引入轴系各圆盘振动解析解求轴系特征方程[[K]‑
p2[J1]][A
P
]＝0的特征向量和特征值，利用Matlab软件计算轴系前十阶非零固有频率，绘制轴系对应前十阶振型图，找到轴系最大振动幅值出现的部位；根据API618标准，所得轴系频率应在十倍基频正负5％以外，绘制轴系前三阶Campbell图，判断轴系是否共振；
[0016]S7：利用龙格库塔法求解S5中得到的轴系扭振响应方程组，分析轴系强迫振动，求得轴系扭转角度及角速度随时间变化曲线，掌握轴系扭振响应规律，为其结构优化提供依据。
[0017]进一步的，S1中，活塞在气缸内受到气体力、往复惯性力以及摩擦力，合成综合活塞力：
[0018]F
P
＝F
g
+F
j
+F
f
ꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0019]式中：F
g
为气体力，F
j
为往复惯性力，F
f
为摩擦力；
[0020]综合活塞力在十字头处分解为连杆力F
L
和侧向力F
N
，计算得到数值解；将连杆力分解为径向力F
R
及切向力F
T
，切向力形成阻力矩和旋转摩擦阻力矩一同阻碍曲轴旋转；其中，曲柄销阻力矩：
[0021][0022]式中，h为曲轴中心线到连杆中心线的垂直距离；
[0023]旋转摩擦阻力矩：
[0024][0025]式中，P
i
为第i列的指示功率；η
m
为压缩机的机械效率；S为活塞行程；n为压缩机转速；不考虑电机的滞后效应，驱动力矩可视为曲柄销阻力矩与旋转摩擦阻力矩之和：
[0026]M
r
＝M
y
+M
f
ꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0027]最后掌握阻力矩和驱动力矩随曲柄转角的变化规律。
[0028]进一步的，S1中，利用傅里叶级数展开的方式，计算不同展开级数与原函数的误差，即激励力矩的RMSE值，当展开级数n＝20、RMSE值为14.19时，拟合曲线能够很好地描述力矩变化规律。
[0029]进一步的，S3中，集中参数模型自由度为16，模型建立过程包括以下步骤：
[0030]1)将每一列曲柄销处的连杆、十字头以及活塞作为附加的转动惯量施加在对应曲柄销处；
[0031]2)将电机轴上附加的内外风扇、平衡环、挡风圈作为附加的转动惯量施加在对应部位；
[0032]3)将联轴器简化为用弹簧连接的主、从动端两种形式的转动圆盘。
[0033]进一步的，S4中，划分压缩机联轴器—曲轴转动圆盘，利用仪器测得联轴器—曲轴各圆盘对应转动惯量；划分联轴器—电机轴的转动圆盘，采用三维建模软件SolidWorks自带转动惯量测试功能，获得各圆盘对应转动惯量；根据轴系形状划分轴段，包括光轴段、曲拐段、键槽轴段、联轴器段及其配合轴段，采用有限元软件ANSYS计算各轴段的扭转刚度；结合各转盘间扭转刚度和轴系旋转角速度，利用理论公式确定各圆盘间相对扭转阻尼：
[0034]c
ri
＝0.03K
i
/ω
ꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0035]式中，K
i
为转动圆盘间的扭转刚度；ω为电机的旋转角速度；
[0036]依靠经验公式，计算各圆盘部件外表面与外界发生摩擦产生的外部阻尼：
[0037]c
oi
＝0.05I
j
ω
ꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0038]式中，I
j
为圆盘的转动惯量。
[0039]本专利技术具有以下优点：1、考虑压缩过程中存在的泄露、气阀延迟、外界热交换等因素对激励载荷的影响，提高压缩机建立动力学模型的准确性；2、一定程度上能够精确预测轴系扭振行为，缩短轴系扭振计算的时长，为轴系扭振的计算提供一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种往复式压缩机曲轴系统扭振计算方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：确定压缩机实际工作情况下的循环P
‑
V图，掌握气缸内压力随曲柄转角的变化规律；对曲轴系统简化后的曲柄连杆机构进行受力分析，掌握轴系阻力矩和驱动力矩随曲柄转角的变化规律；S2：根据往复式压缩机轴系结构参数，利用三维建模软件SolidWorks建立往复式压缩机轴系的三维几何模型，其中包括：电机、联轴器、曲轴；S3：根据S2中建立的三维几何模型，结合往复式压缩机轴系结构特点，建立轴系的集中参数模型；S4：根据S3中的集中参数模型，利用三维建模软件SolidWorks、有限元软件ANSYS和理论公式计算各圆盘对应转动惯量、扭转刚度以及各圆盘间相对扭转阻尼及外部阻尼，得到轴系结构参数；S5：在S3中所得轴系集中参数模型的基础上，建立轴系广义坐标，利用拉格朗日法，建立轴系扭振动力学模型，将轴系扭振动力学模型进行拆解，表达成一阶微分方程组的形式，得到轴系扭振响应方程组：式中：J为各圆盘转动惯量，c为圆盘间阻尼，k为圆盘扭转刚度，T为激励力矩，θ为位移向量；S6：在S5中所建立的轴系扭振动力学模型的基础上，忽略阻尼的影响，令S6：在S5中所建立的轴系扭振动力学模型的基础上，忽略阻尼的影响，令得到轴系无阻尼自由振动微分方程：式中：J为转动惯量矩阵，K为刚度矩阵，θ为角位移向量；在无阻尼多自由度系统引入轴系各圆盘振动解析解求轴系特征方程[[K]
‑
p2[J1]][A
P
]＝0的特征向量和特征值，利用Matlab软件计算轴系前十阶非零固有频率，绘制轴系对应前十阶振型图，找到最大振动幅值出现的部位；根据API618标准，所得轴系频率应在十倍基频正负5％以外，利用Matlab软件绘制前三阶Campbell图，判断轴系是否共振；S7：分析轴系强迫振动，利用龙格库塔法求解S5中得到的轴系扭振响应方程组，求得轴系扭转角度及角速度随时间变化曲线，掌握轴系扭振响应规律，为其结构优化提供依据。2.根据权利要求1所述的一种往复式压缩机曲轴系统扭振计算方法，其特征在于，所述
步骤S1中，活塞在气缸内受到气体力、往复惯性力以及摩擦力，合成综合活塞力：F
P
＝F
g
+F
j
+F
f
ꢀꢀ
(3)式中：F
g
为气体力，F
j
为往复惯性力，F
f
为摩擦力；综合活塞力在十字头处分解为连杆...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄志强，王杰，李涛，陈振，张克海，马亚超，李刚，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：