（工程力学专业论文）TA80往复式压缩机的结构动态特性分析.pdf

摘要 t a 一8 0 往复式压缩机的结构动态特性分析 摘要 压缩机是用来压缩气体提高气体压力或输送气体的机械，应用十 分广泛，是化工、石油、矿山、冶金、机械、制冷以至国防工业中不 可缺少的关键设备，压缩机振动是压缩机产生故障的主要原因之一， 因而对压缩机进行动态特性分析具有重要意义。本课题对北京复盛压 缩机厂的t a - 8 0 型往复式空气压缩机分别进行了动态特性的有限元 数值分析和试验分析。主要研究内容和结论如下： l 、建立了压缩机整体结构有限元模型，采用有限元软件a n s y s 中的m p c 算法实现了压缩机储气罐与曲轴箱、电机箱的螺栓连接关 系，并用一个刚性平面代替地面来模拟实际的约束情况，对该压缩机 进行了模态分析。 2 、采用试验模态分析方法对压缩机整体的固有振动特性进行分 析，用敲击法测得了压缩机整体的固有频率和振型图。 3 、对比有限元分析结果与试验结果，从而对有限元模型进行修 正，最终确保有限元计算模型及计算结果的正确性，为该压缩机的故 障诊断提供参考。 4 、分析了曲轴正常状态及有裂纹状态下的振动模态，以此对曲 轴裂纹进行预测和诊断，为建立该压缩机的故障信号诊断表提供依 据。 本工作的研究成果将为有关压缩机整体的动态特性分析提供参 考依据；曲轴裂纹的动态特性分析为后续其他部件的故障分析奠定基 础。 关键词：往复式压缩机，模态分析，有限元，曲轴，横向裂纹 i i 摘要 m o d a la n a iy s i so ft h et a 8 0r e c i p r o c a t i n g c o m p r e s s o r a bs t r a c t c o m p r e s s o ri su s e dt oi n c r e a s et h eg a sp r e s s u r ea n dt r a n s p o r tg a s ， w h i c hi s w i d e l y u s e di i l c h e m i s t r y p e t r o l e u m ， m i n e ， m e t a l l u 唱y ， m e c h a n i s m ，r e 丘i g e r a t i o n 姐dn a t i o n a ld e f e n s ei 1 1 d l l s t r y i ti s o n eo ft h e i l l d i s p e n s a b l ek e ye q u i p m e n t s t h ev i b r a t i o ni sam a i nr e a s o nt om a k e c o m p r e s s o r f a i l u r e i t i s v e 巧i m p o i r t a n t t o s t u d yt h e o r e t i c a l l y a n d p r a c t i c a l l yt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fac o m p r e s s o lb a s e do nt h e f i n i t ee l e m e n ts i m u la t i o na n dm o d a lt e s t ，t h ed y n a m i cc h a r a c t e “s t i c so f t h e7 i a 一8 0r e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o ra r ed i s c u s s e di nt h i st h e s i s i h em a i n c o n t r i b u t i o n so ft h i st h e s i sa r es u m m a r i z e da sf 6 1 1 0 w s ： ( 1 )b y u s eo fb o t hs o f 帆a r es o l i d w ，o r k sa n da n s y s ，t h e t h r e e d i m e n s i o ns o l i dm o d e la n df i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h i sc o m p r e s s o r a r ee s t a b l i s h e dr e s p e c t i v e l y ：t h eb o l t i n ga s s e m b l yr e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h eg a sc o n t a i n e ra n dc r a n k c a s eo re l e c t r i cm a c h i n ei sh a n d l e db yu s i n g t h em p ca l g o r i t h m ，a n dt h ec o n t a c tb o u n d a 巧c o n d i t i o nb e t w e e nt h e c o m p r e s s o ra n dr i g i dp l a n ei sb r o u g h ti n t os i m u l a t i n gt h es i n g l er e s t r a i n t b e t w e e nt h ec o m p r e s s o ra n dt h eg r o u n d t h en u m e r i c a lr e s u l tf o rm o d a l l i i 北京化t 大学硕i ：学位论文 a n a l y s i so ft h ec o m p r e s s o r i so b t a i n e d ( 2 ) as i m p l et e s tm e t h o di sd e v e l o p e dt om e a s u r et h em o d a lo ft h e c o m p r e s s o r b ye s t a b l i s h i n gm o d a l t e s ts y s t e m ，t h et e s tr e s u l tf o rm o d a l a n a l y s i so ft h ec o m p r e s s o ri sg i v e n ( 3 ) t h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h en u m e r i c a lr e s u l t a n dm o d a lt e s t r e s u l ts h o w st h a tt h ef o r m e rc o u l dp r o v i d eg o o dp r e d i c t i o nf o rt h e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co ft h e1 ：a - 8 0r e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r ，s ot h a tt h e f i n i t ee l e m e n tm o d e l i sv a l i da n dc o u l db ea d o p t e di 1 1t h ef a i l u r ed i a g n o s i s o ft h ec o m p r e s s o r ( 4 ) 1 晒m a k eu s eo ft h ec h a n g eo fn a t l l r a l lf r e q u e n c yt od i s c e mt h e f a i l u r ei nt h ec r a n k s h a f t ，s o m ef i n i t ee l e m e n tm o d e l sa r ep r o p o s e dt 0 s t u d yt h em o d a l so ft h ec r a n l 【s h a f tw i t ha n dw i t h o u tt r a n s v e r s ec r a c k i t m a d eaf o u n d a t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n to ft h ed i a g n o s i sa n df o r e c a s t t e c h n o l o g yo fc r a n k s h a r t h i st h e s i sc o u l dp r o v i d ea ni m p o r t a n tr e f e r e n c ef o rt h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i so ft h ew h o l ec o m p r e s s o r a n dt h er e s e a r c hf o rt h e i n n u e n c eo ft r a n s v e r s ec r a c ko nm o d a lo ft h ec r a n k s h a f tm a k e sa f o u n d a t i o nf o r t h eb u i l d i n go fat a b l eo fc o m p r e s s o rf a i l u r es i g n a l k e y w o r d s ：r e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r ，m o d a la n a l y s i s ，f i n i t ee l e m e n t ， c r a n k s h a f t ，t r a n s v e r s ec r a c k l v 北京化工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：聋盈亟 日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在三年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名： 导师签名：日期： 第一章绪论 1 1 课题背景及来源 第一章绪论 本课题来源于北京化工大学青年教师自然科学研究基金q n 0 5 1 0 资助项目， “往复式空气压缩机的结构动态特性分析及故障诊断。 压缩机是一种用来压缩气体提高气体压力或输送气体的机械，历史悠久，在 国民经济各部门和人民生活中的应用十分广泛，随着生产技术的不断发展，压缩 机的种类和结构形式也日益增多，是化工、石油、矿山、冶金、机械、制冷以至 国防工业中不可缺少的重要设备，其特点是高速、高压、高温或低温以及高功率、 高密度等，在工厂生产线上往往属于关键的设备i 。例如，在工厂、矿山、农田 水利的基本建设、国防科学实验等部门利用活塞式压缩机提供压缩空气，驱动各 种工具、机械、车辆和仪表装置；利用压缩机输送各种气体；为各类化工厂、石 油化工厂提供高压合成气体；利用活塞式压缩机制冷和分离各种气体等等。由于 它的使用广泛，因此种类繁多，结构形式各异，尺寸大小和压力高低差别很大， 在各种使用场合下都有一些特殊的要求和问题。保证压缩机的良好运行是设备状 态监测工作的重中之重，往复式压缩机工作性能的优劣直接影响着企业的生产任 务与经济效益i z j 。这些先进的机械设备，无论是引进的或国产的，从其设计、制 造、安装和运行的要求来讲，在一定程度上体现了当代的技术水平。另外，由于 活塞式压缩机结构复杂，零部件多，发生的故障也是多种多样，因此对压缩机各 部分的运行状态进行监测，相对来说比较困难，但是往复式压缩机基本上都是由 四部分组成：基础部分、传递动力部分、气体的进出及其密封部分、辅助部分【 圳。 它们所产生的故障都有共性方面，上述四部分是研究压缩机产生各类故障的主要 对象，也是压缩机振动的主要来源。为了加强对设备的维护和管理，提高其使用 可靠性，减少因故障而带来的直接与间接经济损失，开展机械设备的状态监测与 故障诊断技术的应用和研究工作，是提高设备管理水平，改善人与设备的技术状 态，推动技术进步和企业前进的主要途径，也是帮助企业获得最大经济效益的根 本措施之一，这也是压缩机技术的主要发展方向之一【酬。 振动现象是往复式压缩机经常遇到的问题之一，对于设备长期安全生产是一 个很大的威胁，可使活塞杆、曲柄、连杆以及其它连接部件发生松动和产生裂纹， 轻则造成停产，重则会由于裂纹而引起泄漏甚至爆炸，造成严重的事故。当激振 源频率和压缩机系统固有频率相重合时，会造成机械共振，所以必须了解其固有 频率及振型，避免激振源频率和固有频率相同或接近以防止共振现象1 7 j 。 由于往复式压缩机振源多、结构复杂、工作环境恶劣、信号存在较强的非线 北京化t 大学硕f ：学位论文 性和非平稳悔使得信号采集、状态监测、故障诊断难度很大。同时往复式压缩 机的外型及重量较大，气流易脉动，易损件多，增加了检修工作的难度，由于以 上特点，往复式活塞压缩机在使用过程中正确的检修及保养显得尤为重要。目前， 往复式压缩机故障诊断技术还不能很好的应用于实际生产中，或者说不能满足实 际生产的需要。这主要因为往复式压缩机自身的结构特点和工作原理，限制了一 些测试方法和分析方法的应用，使得在柴油机及旋转机械设备状态检测与故障诊 断中比较成熟的技术，不能很好地推广至往复式压缩机故障诊断中1 8 t 9 j 。因此， 开展往复式压缩机状态检测与故障诊断技术研究是十分重要和迫切的。 本文的研究课题正是在这种背景下提出的，针对北京复盛压缩机厂的1 a 8 0 往复式压缩机，希望通过有限元计算分析出压缩机的固有频率和振型，并通过试 验验证计算模态的正确，然后计算出压缩机主要运动部件曲轴在正常状况和裂纹 存在下的模态，为压缩机及曲轴裂纹的故障诊断技术奠定基础。 。 1 2 压缩机结构动态特性的研究及故障诊断技术的发展 1 2 1 往复式压缩机的振动机理分析 在往复式压缩机的工作过程中，相对运动的部件较多，而各个部件的振动是 对其内部激励力和故障的响应。在运行过程中，不仅故障会导致压缩机产生异常 振动，而且压缩机的许多部件的正常运动也会造成往复式压缩机的振动。长久、 强烈的振动必将引起压缩机部件的磨损、松动，部件之间的间隙增大、零部件过 热，进而有可能导致故障的发生。因此，有必要对振动机理及原因进行分析。 往复式压缩机的主要振动形式有以下两种【4 ，n 1 1 l 。 ( 1 ) 气流脉动及管道共振 往复式压缩机的工作特点是吸、排气流呈间歇性和周期性，因此不可避免的 要激发进出口管道内的流体呈脉动状态，使管内流体参数随位置及时间作周期性 变化，这种现象称为气流脉动。脉动气流沿管道输送时，遇到弯头、三通、大小 头、分支管、阀门、孔板等元件将产生随时间变化的激振力，受该激振力作用管 系产生一定的机械振动响应。压力脉动越大，管道振动的振幅和动应力越大。强 烈的脉动气流会严重地影响阀门的正常开关，降低工作效率，还会引起管系的机 械振动，造成管件疲劳破坏，发生泄漏，甚至造成火灾爆炸等严重事故。 同时管道内的气体构成一个系统，称为气柱。气柱本身具有的频率为气柱的 固有频率，活塞的往复式机械运动的频率称为激发频率，管道及其组成件组成的 系统结构本身具有的频率称为管系机械固有频率细。通常把( o 2 1 2 ) f n 的频率 范围作为共振区，当气柱固有频率落在激发频率的共振区内时，将发生气柱共振， 2 第一章绪论 产生较大压力脉动。当管系机械固有频率落在激发频率的共振区或气柱固有频率 的共振区时，将发生结构共振。 ( 2 ) 机组自身振动 机组本身存在动平衡性能差，安装不对中，基础及支撑不当均会引起机组的 振动，从而导致管系振动。空气压缩机主机引起振动的原因主要有： 往复部分重量引起的惯性力。它是压缩机助振力的主要因素，从主轴承部 分进而通过曲柄箱传给基础( 地面) 。 具有不平衡旋转质量的曲柄和连杆等旋转部件运动时产生离心惯性力，也 会产生激励作用，使机体产生振动。 转矩变动。往复惯性力与活塞力合成，作为变动转矩，作用于曲轴系，带 来角速度变动。变动转矩频率与曲轴系固有频率也会引起共振。 滑动部分晃动、安装不良等机械异常。 由于各零部件的缺陷( 如疲劳点蚀、机械损伤等) 和运动件之间相互摩擦 及碰撞所引起的高频冲击等组成冲击振声源，也会对机体振动产生影响。 1 2 2 往复式压缩机振动的研究概况 对往复式压缩机振动方面的研究主要集中在整体振动和管道振动两个方面。 整体振动主要集中在理论和实验研究方面。而随着近二十年来有限元技术的进 步，有限元法被广泛应用于管道振动中，取得很多成果。 中铝山西分公司的陈秉礼，封文岗【1 2 】从整体上介绍了往复式空气压缩机振 动产生的两个主要因素，即压缩机本身的振动和压缩机管路的共振，从理论上提 出了防止振动产生的方法。他们提出防止压缩机本身振动可采取消除惯性力、隔 振、加固地基的办法，防止管路共振可采取设置贮气罐或安装异径管、装入过 滤器和安装缓冲罐的方法，把振动控制在一定范围内，从而保证安全生产。 天津大学韩割”j 在其硕士论文中对全封闭往复式压缩机的噪声、振动测试 和模态分析实验进行了研究，并提出了相应的减振降噪措施。通过模态实验测定 了压缩机外壳的振动模态，并通过有限元计算对改进后的机体进行了数值模拟， 确定了较好的减振方案。同时也对压缩机的管道和气阀都进行了相应的振动测试 和有限元计算，得到了影响管道振动的主要因素。 福州大学薛玮飞1 1 4 j 在其硕士论文往复式压缩机出口管系振动及减振的研究 中应用有限元方法对压缩机的管道进行了模态分析和谐响应分析，得到了与实验 值相符合的结果。并从主机设计、管道设计、衰减器和孔板等方面进行考虑，对 管道进行减振和消减，得出避免气柱共振和结构共振的方法、消减管道内压力脉 3 北京化工大学硕十学位论文 动的措施。应用以上措施，对实际复杂管系进行改造，达到减振目的。 福州大学郭金泉【”j 研究了6 h h e v e 6 型压缩机厂房噪声的产生机理，从试 验研究与数值模拟两方面对管道进行了分析模拟。并在考虑流固耦合情况下，应 用有限单元法对6 h h e v e 6 型压缩机管道系统振动引起的耦合辐射声场进行了 较为系统的分析研究，分别分析了管道外介质、管道振动振幅和相位、管数以及 管间距等因素对其耦合辐射噪声场的影响，得到了不同影响因素下，管道振动引 起的管壁外表面的辐射噪声场分布情况。从压缩机、压缩机管道系统、压缩机储 气罐以及压缩机厂房噪声的综合控制等几个方面提出了一些具体的减振降噪措 施，以达到减振降噪的目的。 中国寰球工程有限责任公司曲文海【1 6 j 对往复式压缩机的管道进行了振动计 算，论述往复式压缩机或泵装置管道振动的原因和危害性。并结合工程中高压和 超高压往复式压缩机的工程实践归纳出管道防振设计、计算及设计准则。对各种 管径进行了振动分析和校核，得出了管道合理的防振设计。 辽宁石油化工大学姜文全，王茂廷等人【1 7 l 通过对往复式压缩机管线振动原 因的分析，提出了减振优化设计思想。针对某炼油厂硒0 1 压缩机二级分离器以 后部分管线经过改变管线走向和管长、分离器出口加孔板、增加支承等设计方案， 压缩机出口管线的振动完全消除，满足了装置安全、稳定、长周期生产需要的实 际情况，使机组恢复了正常工作。 中油公司乌鲁木齐石化分公司和兰州石油机械研究所时俊杰、李军、曹维国 等【1 8 l 通过分析乌鲁木齐石化公司炼油厂连续重整k 2 3 0 4 空气压缩机振动问题， 对l 型往复式压缩机普遍存在的振动超标现象提出了缩短出口长度、增设缓冲 罐和增设管卡的解决方法，为该类压缩机振源的诊断、消振以及防振提供了新的 方法。 江汉石油管理局和长江大学何会兵、沈珍平和周思柱【1 9 】对大型往复式天然 气压缩机的块状基础进行了振动分析，采用了一种简化的模型进行了基础的动态 分析。基础动力分析的常见方法是按几种独立振动和耦合振动分别进行分析讨 论，研究了几种可能的振动模式。使用矩阵方法对几种振动模式进行了综合，同 时研究了压缩机基础的质量矩阵和刚度矩阵，并解析计算了基础的几种振动模式 及其固有频率，给出了对称平衡型天然气压缩机基础振动的幅频响应的表达式。 宁波职业技术学院骆江锋【冽在保证总体结构不变的情况下，分析了往复式 压缩机活塞直径大小和曲轴偏心量的配合造成的不平衡力变化对压缩机振动与 噪声的影响，并通过试验结果进行了验证。结果表明：选择较小的活塞直径配较 大的曲轴偏心量，能有利于降低不平衡力，是比较优秀的设计方案。 管道振动发展到今天已经日趋成熟，但在对压缩机整体的有限元分析还有待 4 第一章绪论 大家一起研究和发展。 1 2 3 往复式压缩机故障诊断技术的发展 往复式压缩机事故一般分成机械故障和燃烧、爆炸事故。由于运动件较多， 事故中大多数还是机械故障( 有些燃烧、爆炸事故也是由于机械故障引起) ，典型 的机械故障有阀片碎裂、十字头及活塞杆断裂、汽缸开裂、汽缸盖破裂、曲轴断 裂、连杆断裂和变形、连杆螺栓断裂、机身断裂和烧瓦、电机故障等。据统计， 往复式压缩机有6 0 以上的故障发生在气阀上，能够及时发现气阀故障对往复式 压缩机故障诊断是相当重要的；曲轴断裂、裂纹事故也较常见，占重大事故的 2 5 左右。曲轴断裂，不仅损坏曲轴本身，使机组的其它零部件产生连锁性破坏， 而且还会引起爆炸，造成重大人员伤亡和严重经济损失；其它事故及故障的发生， 同样影响着生产的正常运行和安全。因此，往复式压缩机状态检测与故障诊断的 研究主要针对以上的典型机械故障1 2 。 现有的往复式压缩机的故障诊断方法，大部分基于振动信号分析。利用振动 信号进行往复式压缩机故障诊断的出发点，是建立在机械动力特性分析、信号特 征分析的基础上，研究往复式压缩机的工作性能i 凋。基于振动信号的诊断方法 覆盖面广，有研究表明机械振动产生的故障占所有故障的6 0 左右。振动测量的 测试仪器、传感器比较丰富，选择的余地大。振动具有良好的传递性，利于进行 监测和测量。振动信号的采集通常可以在设备工作的状态下完成，不影响生产的 顺利进行。因此，基于振动信号的分析、特征提取以及故障分类方法一直是研究 的重点【6 l 。 经典信号分析理论的特征提取主要有两种方法：时域法和频域法。 从时域波形上可以对设备运行状态做出粗略的判断，这也是利用振动信号对 往复式压缩机状态监测与故障诊断的早期方法。随着技术的发展，时频分析p 彩j 着眼于真实信号组成成份的时变谱特征，将一个一维的时间信号以二维的时间一 频率密度函数形式表示出来，旨在揭示信号中包含多少频率分量，以及每一分量 是怎样随时间变化的。正是由于时频分析方法可以有效分析信号的时变特征，使 其成为往复式压缩机故障信号特征提取的有力工具。主要方法有：小波分析、 w i 印e r - l l e 分布、局域波法。 频域分析借助于f o u r i e r 变换把时域信号转换到频域中，然后根据频率分布 的特征和变化趋势来判定故障类型和故障程度1 2 6 】。这种方法在特定条样下或许 对某一类故障有一定的效果，但是不适用于整体性能的判断。由于其理论基础为 f 0 u r i c r 变换，只适于平稳信号的分析，对于往复式压缩机表面非平稳振动信号 北京化工大学硕十学位论文 的分析存在较大的局限性。 虽然在2 0 世纪7 0 年代对非平稳随机信号时变参数模型已有一些开创性工 作，后来却没有进展，直到1 9 8 3 年y g r e n i e r 对其进行了深入研究，将一些熟知 的时不变参数模型法如a r 模型法、a r m a 模型法及p r o n y 法等扩展为时变参数 模型弘丌。大连理工大学将现代谱估计中的a r 模型应用于往复式空压机非平稳振 动信号的分析诊断中，通过相同结构的压缩机振动信号的a r 谱之间的对比分 析，证实了a r 模型分析法在其故障诊断中的有效性和对其振动信号分析的适 用性，为往复压缩机故障诊断的研究提供了一种有效的方法，同时他们也将小波 包应用于该种振动信号的分析诊断中，通过对往复式压缩机气阀振动信号能量特 征的提取和图谱的分析，证实了小波包在其故障诊断中的有效性和适用性，为往 复式压缩机故障诊断的研究提供了另一种有效的方法【2 8 ，2 9 l 。 2 0 世纪9 0 年代，基于神经网络的往复式压缩机故障诊断方法被提出并广泛 应用。s p o r l 【l l i a l 等人详细分析了往复式压缩机响应的瞬态特征，根据相应研究 成果来降低压缩机的能耗【删。g al o n 9 0 等人分析了压缩机振动信号的非平稳特 征，建立了气阀的运动模型来替代原有的模型用以评价压缩机的效率【3 1 1 。 j r i 9 0 l a 、c d p e r e z s e g a m 、a o l i v a 等人建立了描述压缩机工作状态的数字模 型，通过一组试验验证了该模型的有效性，通过这个模型可以更好的了解压缩机 的工作状况，并为设计及改进提供依据【3 2 l 。p s t o u 抵、m 忱e r o u t 、 p w a u t e r s 利用热力学知识建立了往复式压缩机的评价模型，以此来评估不同状态下往复式 压缩机的工作情况【3 3 j 。 近来，基于专家系统和故障树的故障诊断方法和基于不确定性的粗糙集和模 糊逻辑理论的诊断方法也被提出，并取得了很多成果，成为目前压缩机故障诊断 的主流方法l 刈。徐善祥、将其昂等研究了基于专家知识的往复式压缩机在线故 障诊断系统，并将知识库分为压缩机专家知识库和检测仪器仪表专家知识库两类 【3 引。杜海峰、王孙安、丁国锋利用粗糙集理论对数据样本进行浓缩，形成初步 的诊断规则，并基于该结果形成模糊神经网络，再利用网络的分类逼近能力，建 立从故障状态空间至解释空间的精确映射，从而达到故障诊断的目的【3 6 1 。 1 3 本文的主要内容 从以上综述可以看出，压缩机的振动及故障分析对于压缩机的安全可靠运 行具有极其重要的作用。通过对往复式压缩机进行结构动态特性分析，可加强对 压缩机不同结构层的振动特性、振动的频谱特征，主要的频率成分及异常振动的 成因的了解，弄清楚各组成部分的振动特性及差异，建立压缩机振动状态的基本 6 第一章绪论 档案，将为压缩机故障诊断预测测试分析以及结构的优化设计提供参考依据。 根据研究现状，本课题以北京复盛压缩机厂的一台t a 8 0 往复式压缩机为研 究对象，主要研究以下内容： ( 1 ) 建立了压缩机整体结构有限元计算模型，并模拟实际的约束情况，对 该压缩机进行了模态分析： ( 2 ) 采用试验模态分析方法对压缩机整体的固有振动特性进行分析，得到 了压缩机整体的试验模态结果； ( 3 ) 对比有限元分析结果与试验结果，从而对有限元模型进行修正，最终 确保有限元计算模型及计算结果的正确性； ( 4 ) 分析了曲轴正常状态及有裂纹存在下的振动模态，为曲轴裂纹的预测 和诊断奠定了基础。 7 北京化t 大学硕j ：学位论文 第二章t a 8 0 往复式压缩机的工作原理及力学分析 2 1t a 8 0 往复活塞式压缩机概述 如图2 1 所示为往复活塞式压缩机的结构示意图，图中表示出了压缩机的主 要零部件及其组成。压缩机的机体由气缸体和曲轴箱组成。气缸体中装有活塞， 曲轴箱中装有曲轴，通过连杆与活塞连接起来。在气缸体顶部装有吸气阀和排气 阀，通过吸气腔、排气腔分别与吸气管、排气管相连。当电动机通过皮带轮带动 曲轴而旋转时，将带动连杆的传动，从而使活塞在气缸内作上下往复运动，在吸、 排气阀的配合下，完成对工作气体的吸入、压缩和输送。 图2 1 往复活塞式压缩机结构示意图 f i 9 2 - ls m 咖化o fr e c i p r o c a t i n gc o m p r e s r 本文研究的t a - 8 0 型往复压缩机的实体模型如图2 2 所示。参考北京复盛压 缩机厂提供的压缩机图纸和相关数据资料( 基本参数见表2 1 ) ，并实地测绘其具 体尺寸，采用功能强大的三维c a d 建模软件s o l i d w r o r k s 精确建立压缩机整机装 配的实体模型。 表2 11 a - 8 0 型往复式压缩机技术参数 t a b l e2 - lp a r a m e l c 璐o ft a 一8 0 r e c i p r o c a t j n gc o m p r e s s o r 型号1 a 8 0 使用压力 0 7 i p a 实际排气量 o 5 2 m 3 ，n l i n 储气罐容积 0 1 3 i n 3 额定转速8 7 5f 腼n行程 6 0 m m 外形尺寸 1 4 1 0 4 6 0 9 6 0 m m净重 2 0 3k g 8 第二章1 a - 8 0 往复式联缩机的t 作原理及力学分析 图2 - 2w 卜8 0 型往复式空气压缩机实体模型 f 磁- 2m 0 d e lo ft a 8 0r e c i p 僦a t 吨c o m p r e s s o r t a 8 0 型压缩机属于微型往复活塞式空气压缩机的一种，机体是该压缩机中 最重要的承载部件。曲轴箱内的曲轴从电机通过皮带轮输入全部有效功率，并将 其旋转运动通过连杆带动活塞在气缸内进行往复运动，来改变气缸工作腔的容 积，将周期性吸入的定量气体压缩至一定压力排出。曲轴在活塞、连杆传递的交 变载荷作用下不仅自身产生强烈的振动，并通过主轴承把振动能量传递给机体。 而其机体则由曲轴箱、电机和储气罐三部分组成，是压缩机的骨架，各种激励力 ( 其中主轴承反力是机体最重要的激励力) 都以不同的方式作用在机体上，引起机 体以及装在机体上的各种附件的复杂振动。所以说压缩机曲轴、电机和机体的振 动不仅影响自身的强度和可靠性，而且对压缩机整体的振动也有重要的影响。 2 2 往复活塞式压缩机的热力学原理 2 2 1 压缩过程与膨胀过程 单组分理想气体的过程方程为： p y “= 常数或p 妙= 常数( 2 1 ) 式中：p 为压力；v 为比体积；y 为容积；n 为压缩或膨胀过程指数。理想 混合气体的过程方程与单组分理想气体过程方程相同，但n 需应用混合气体等熵 指数。 9 北京化t 大学硕：i j 学位论文 单组分实际气体的过程方程有以下两种表达式分别为： p y h = 常数，如= 彬( 2 2 ) p 等肛撒等等( 1 + 胁( 2 - 3 ) 式中：如为容积等熵指数；七为温度等熵指数；z 为压缩性系数；g 为比定 压热容；z 、y 为与气体温度压力有关的系数。 以上各式是对于气体质量不变的情况，而在实际压缩中，压缩与膨胀过程中 都有气体自工作腔中向外或自外界向工作腔中泄漏，因此都是变质量过程。变质 量过程中每瞬时的状态方程仍为跆袱r ，但在整个过程中的质量历为变数，需 要修正。在容积式压缩机的一般热力计算中，通常把变质量过程当成定质量过程 处理，有关质量变化对过程中热力参数的影响用复杂的指数式来表示： !j-_ p y l + 肚一= 常数，劢h 一常数( 2 4 ) 式中：、矿为考虑泄露所引入的指数。 2 2 2 理想循环与实际循环 为了更清楚地了解往复活塞式压缩机的热力学原理，下面我们首先将其实际 工作过程，简化成理想过程进行分析。压缩机的理想工作过程是假设：( 1 ) 进、 排气过程中无阻力损失，无热交换；( 2 ) 压缩过程及排气过程无气体泄漏；( 3 ) 压缩过程为等温或绝热过程；( 4 ) 工作腔内无余隙容；( 5 ) 定压缩容积比的回转 式压缩机中，容积比恰好满足压力要求；( 6 ) 所压缩的气体为理想气体。理想循 环表示在p - y 图2 3 上，它由等压进气过程4 _ 1 ，定指数压缩过程1 2 ，等压 排气过程2 _ 3 组成。图中表示了活塞运动时气缸内的气体压力与容积的变化， 活塞式压缩机对气体的压缩，是活塞在气缸内的往复运动来完成的。 1 0 第二章1 1 a 8 0 往复式压缩机的工作原理及力学分析 3 4 图2 3 压缩机理想工作循环图 f i 9 2 3i d e a jo p e m t i n gc i r c u l a t i o no f m p r l e 渤r k = 举( 2 6 ) 式中：4 为活塞面积，s 为活塞行程。k 在往复压缩机中称为行程容积或 联= e 脚“2 7 ) 纠吒=jl，；ji!与(二鲁)南-1】。：；， 彬2a k l n ( p ：a ) ( 2 9 ) 北京化工大学硕一i ：学位论文 p 一一 2 p 、 【2j d 。 j 、 ”。 4 ，喜， l f 。 4 l - vv 图2 4 压缩机实际工作循环图 f i 9 2 4 r e a l 叩盯a i i n gc 施u l a t i o fc o m p 嘲r 因为实际压缩机不可避免地存在有余隙容积，使得活塞运动到上止点开始向 下运动时，吸气阀在压差作用下不能打开，吸气管内的低压气体不能进入气缸， 只有首先当残留在气缸内的高压气体体积膨胀，压力下降至稍低于吸气管中压力 p n 时吸气阀自动打开。从图2 4 中可以看出，压缩机实际工作过程是由膨胀过程 3 叫，吸气过程4 _ l ，压缩过程1 - 2 和排气过程2 q 组成。实际压缩机 的工作过程中气体同气缸、活塞间还有热量交换和摩擦，同时通过气缸与活塞之 间的间隙以及吸、排气阀还有气体泄漏等复杂的因素。 2 3 往复活塞式压缩机的动力学分析 往复活塞式压缩机的动力学分析，主要是曲柄连杆机构的动力学研究。它所 涉及的主要内容为分析压缩机曲柄连杆机构的运动规律和受力情况，这将为后面 进行曲轴系统动力学分析提供理论依据。 曲柄连杆机构中活塞、连杆以及曲柄的运动关系可以根据图2 5 求得。 曲柄处的受力与曲柄、连杆、活塞、活塞销的运动( 加速度) 有关。要知道 彼此间的作用力，必须先对运动件作运动分析，再作动力分析。对曲轴的分析可 以得到曲轴对曲轴箱的作用力。 1 2 第二章1 卜8 0 往复式压缩机的t 作原理及力学分析 2 3 1 r a 8 0 的基本参数 压缩机的转速：。8 7 5 印坍= 9 1 6 3 r 口d s 2 ，- 2 5 1 8 8 小s 2 连杆长度：f 1 3 5 胁小 曲柄半径：，3 0 删 曲柄半径与连杆长度之比：a ；手一罢一o 2 2 2 连杆质心距曲柄销的距离：l = 0 0 5 所 2 3 2 曲柄活塞运动方程的建立和求解 曲柄活塞运动分析见图2 5 的模型： 图2 - 5 曲柄活塞运动图 f i 9 2 - 5m o v e n l e n ts k e t c ho fc r a m p i s t o no 略a n i z a t i o n 几何关系如下所述： s i n s i n ( 万一9 )s i n 9 2 r 。丁 s i n 卢= a s i n 驴 c o s 卢= 1 一a 2s i n 2 驴 塑，兰垒竺坠。( 2 1 0 ) 二_ i ；= = = = = = 三= = lz l uj 出 1 一a 2s i n 2 妒 活塞的离轴位移： 1 3 北京化_ t 人学硕： = 学位论文 活塞速度： 活塞加速度： s = ( z c o s 一，c o s 伊) 一( z 一，) ( 2 1 1 ) = 鲁= 一s m 卢警咖妒 = ， s m 妒一 ，1 a 乏s l n 印 ( 2 一1 2 ) 驴誓材，卜a 甜】 连杆的运动分析： 活塞销端 曲轴端 k = ；= o ( 2 1 4 ) 场叫知) 一测n 妒 场5 研嘶n ( 三+ 9 ) 2 饼c o s 妒c 2 一- 5 ， 以活塞销中心为动点： y 渊，。函+ k2v 劣+ 。一 连杆角速度： 连杆角加速度： 1 1 一 芝a s l n 印 相y = 一岛= 饼c o s 伊( 2 1 6 ) 姊：；丝! 竺( 2 一1 7 )r = f 2 = = = = 三= l z l ，j 1 一a 2s i n 2 妒 z；-：=-。，。晴2，。i。：【：!)。：赫jc：。s；， 设连杆质心距曲柄销中心是之。 连杆质心速度： 第二章1 a 8 0 往复式压缩机的工作原理及力学分析 = k 一( ，一t ) 吡s ；nj 6 f = 一n 旷s ；n 驴+ 鬻 一( ，一乞) 吼c o s 卢- ( ，一l ) 锨c o s 妒( 2 1 9 ) 连杆质心加速度： ”警一西c o s 妒彤2 2 c o s 2 驴+ a 2 s i n 4 驴 ( 1 一a zs i n z 缈) 一鲁a 一( ) 积s i l l ( 2 _ 2 0 ) 动力分析： 以连杆为对象建立三个方程。设连杆质量，质心到q 端t ( 到活塞销s 端z 一乞) ，对质心轴之转动惯量，则： 啄+ 疋一( 2 2 1 ) f + j 一，吼口9 ( 2 2 2 ) 一f & f cs i n 卢+ ，0 f c c o s 卢+ f 二( z 一之) s i n 一f ( z 一乞) c o s 一正占工( 2 2 3 ) 将活塞、活塞杆、活塞销列为另一对象。设活塞系质量为研日，活塞系在缸 内受力为昂，以指向曲轴为正 兄一o ；一m h 口j ：r ( 口日以一x 为正) ( 2 2 4 ) 将式( 2 2 1 ) 、式( 2 2 2 ) 、式( 2 2 3 ) 代入式( 2 2 4 ) ，求得： = 2 ， 唧以罱 口a 一一2 ，c o s 驴+ 2 f c a 2 ( 2 2 5 ) c o s 2 舛2 s i n 4 妒 ( 1 一a 2s i n 2 妒) 口a = 一( z i ) 2 a s i n 妒( 2 2 6 ) z；工=-a92j。i，：(：!l：芬c：z。：-r， 1 5 北京化丁大学硕上学位论文 ， 2 f + ，靠h 2 厂 c o s 妒一a 高】 卅渤妒卜r p 掣+ 卜忱沪十机字卜 f ，出。聍吃口口一0 目一麒t缈2，c。s9+聊工ta22篱】一，二 一一f 一2 ，( 历工c o s 驴+ 历日c o s 驴一争a 2 c 0 s 却一川日a c o s 2 妒) = 历工一名 - 耐砷- f c ) 咖州s 访巾叫知华慨+ 啊扣妒 讥+ 争枷s 却 ) 一凼驴卜2 ，睁忱华+ 卜啊铲伊 一( 朋日a + 历专；a ) c o s 2 驴】 一：c 2 2 9 ， 活塞受力分析时，主要分析9 为这四个角度时的应力状况。 2 4 本章小结 本章首先介绍了往复式压缩机的结构和本文所研究的t a 8 0 往复压缩机的 结构设计特点和技术参数，然后简要介绍了压缩机工作过程的热力学原理，最后 对往复压缩机的动力学原理进行了详细分析研究。通过分析可以知道，作用在曲 轴与机体上的载荷非常复杂，包括气缸气体压力、往复惯性力、旋转惯性力以及 由这些惯性力所引起的主轴承载荷和活塞导向轴承载荷等，而且这些载荷随曲轴 的转动周期地变化。 1 6 第三章1 a 8 0 往复式压缩机的计算模态分析 第三章t a 8 0 往复式压缩机的计算模态分析 3 1 模态分析概况 3 1 1 模态分析技术的发展 模态是结构系统的一种属性，表征模态的特征参数是振动系统各阶固有频 率、振型、模态质量、模态刚度和模态阻尼掣3 7 l 。结构按照某一固有频率振动 时的变形形式，就是该固有频率对应的固有振型。固有频率和固有振型是由结构 的几何形状、材料特性以及约束形式所决定的，与外载条件无关1 3 剐。 模态分析的理论基础是在机械阻抗与导纳的概念上发展起来的，早在2 0 世 纪3 0 年代就已形成。模态分析技术的发展可以分为频域和时域技术的发展变化。 至5 0 年代末，模态分析技术仅限于离散的稳态正弦激励方法。6 0 年代初， 跟踪滤波器的问世使得频响函数的测试可大大节约时间，成为切实可行的技术； 同时开始了使用数字计算机对模态参数进行识别的努力，频域技术迅速地发展成 为现代模态分析技术中模态参数识别的唯一有效手段【捌。7 0 年代中期以前发展 成熟的模态分析频域方法，有多点稳态正弦激振和单点激振频响函数法【删。对 单点激振频响函数法发展最有影响的是于6 0 年代末问世的快速傅立叶变换计算 方法( f i 可) 。8 0 年代中后期先后推出了许多实用的商品化系统模态分析软件中， 其中有代表性的要算是美国s d r c 公司的多参考点复指数法( m u l t i p l er c f c r e n c e c o m p l e x