[發明專利]一種往復式壓縮機曲軸系統扭振計算方法

在審

• 申請號: 202210019416.2
• 申請日: 2022-01-10
• 公開（公告）號: CN114357840A
• 公開（公告）日: 2022-04-15
• 發明（設計）人: 黃志強;王杰;李濤;陳振;張克海;馬亞超;李剛
• 申請（專利權）人: 西南石油大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F119/14
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種往復式壓縮機曲軸系統扭振計算方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1：確定壓縮機實際工作情況下的循環P-V圖，掌握氣缸內壓力隨曲柄轉角的變化規律；對曲軸系統簡化后的曲柄連桿機構進行受力分析，掌握軸系阻力矩和驅動力矩隨曲柄轉角的變化規律；

S2：根據往復式壓縮機軸系結構參數，利用三維建模軟件SolidWorks建立往復式壓縮機軸系的三維幾何模型，其中包括：電機、聯軸器、曲軸；

S3：根據S2中建立的三維幾何模型，結合往復式壓縮機軸系結構特點，建立軸系的集中參數模型；

S4：根據S3中的集中參數模型，利用三維建模軟件SolidWorks、有限元軟件ANSYS和理論公式計算各圓盤對應轉動慣量、扭轉剛度以及各圓盤間相對扭轉阻尼及外部阻尼，得到軸系結構參數；

S5：在S3中所得軸系集中參數模型的基礎上，建立軸系廣義坐標，利用拉格朗日法，建立軸系扭振動力學模型，將軸系扭振動力學模型進行拆解，表達成一階微分方程組的形式，得到軸系扭振響應方程組：

式中：J為各圓盤轉動慣量，c為圓盤間阻尼，k為圓盤扭轉剛度，T為激勵力矩，θ為位移向量；

S6：在S5中所建立的軸系扭振動力學模型的基礎上，忽略阻尼的影響，令得到軸系無阻尼自由振動微分方程：

式中：J為轉動慣量矩陣，K為剛度矩陣，θ為角位移向量；

在無阻尼多自由度系統引入軸系各圓盤振動解析解求軸系特征方程[[K]-p²[J₁]][A_P]＝0的特征向量和特征值，利用Matlab軟件計算軸系前十階非零固有頻率，繪制軸系對應前十階振型圖，找到最大振動幅值出現的部位；根據API618標準，所得軸系頻率應在十倍基頻正負5％以外，利用Matlab軟件繪制前三階Campbell圖，判斷軸系是否共振；

S7：分析軸系強迫振動，利用龍格庫塔法求解S5中得到的軸系扭振響應方程組，求得軸系扭轉角度及角速度隨時間變化曲線，掌握軸系扭振響應規律，為其結構優化提供依據。

2.根據權利要求1所述的一種往復式壓縮機曲軸系統扭振計算方法，其特征在于，所述步驟S1中，活塞在氣缸內受到氣體力、往復慣性力以及摩擦力，合成綜合活塞力：

F_P＝F_g+F_j+F_f (3)

式中：F_g為氣體力，F_j為往復慣性力，F_f為摩擦力；

綜合活塞力在十字頭處分解為連桿力F_L和側向力F_N，計算得到數值解；將連桿力分解為徑向力F_R及切向力F_T，切向力在曲柄銷處形成阻力矩和旋轉摩擦阻力矩一同阻礙曲軸旋轉；其中，曲柄銷阻力矩：

式中，h為曲軸中心線到連桿中心線的垂直距離；

旋轉摩擦阻力矩：

式中，P_i為第i列的指示功率；η_m為壓縮機的機械效率；S為活塞行程；n為壓縮機轉速；

不考慮電機滯后效應，驅動力矩可視為曲柄銷阻力矩和旋轉摩擦阻力矩之和：

M_r＝M_y+M_f (6)

最后掌握阻力矩和驅動力矩隨曲柄轉角的變化規律。

3.根據權利要求2所述的一種往復式壓縮機曲軸系統扭振計算方法，其特征在于，利用傅里葉級數展開的方式，計算不同展開級數與原函數的誤差，即激勵力矩的RMSE值，當展開級數n＝20、RMSE值為14.19時，所得擬合曲線能較好描述力矩隨曲柄轉角的變化規律。

4.根據權利要求1所述的一種往復式壓縮機曲軸系統扭振計算方法，其特征在于，所述步驟S3中，集中參數模型的建立包括以下步驟：

1)將每一列曲柄銷處的連桿、十字頭以及活塞作為附加的轉動慣量施加在對應曲柄銷處；

2)將電機軸上附加的內外風扇、平衡環、擋風圈作為附加的轉動慣量施加在對應部位；

3)將聯軸器簡化為用彈簧連接的主、從動端兩種形式的轉動圓盤。

5.根據權利要求1所述的一種往復式壓縮機曲軸系統扭振計算方法，其特征在于，所述步驟S4中，劃分壓縮機聯軸器—曲軸轉動圓盤，利用儀器測得聯軸器—曲軸各圓盤對應轉動慣量；劃分聯軸器—電機軸的轉動圓盤，采用三維建模軟件SolidWorks自帶轉動慣量測試功能，獲得電機軸各圓盤對應轉動慣量；根據軸系形狀劃分軸段，包括光軸段、曲拐段、鍵槽軸段、聯軸器段及其配合軸段，采用有限元軟件ANSYS計算各軸段的扭轉剛度；結合各轉盤間扭轉剛度和軸系旋轉角速度，利用理論公式確定各圓盤間相對扭轉阻尼：

c_ri＝0.03K_i/ω (7)

式中，K_i為轉動圓盤間的扭轉剛度；ω為電機的旋轉角速度；

依靠經驗公式，計算各圓盤部件外表面與外界發生摩擦產生的外部阻尼：

c_oi＝0.05I_jω (8)

式中，I_j為圓盤的轉動慣量。