（化工过程机械专业论文）往复式压缩机大型盘形活塞应力研究及应用.pdf

往复式压缩机大型盘形活塞应力研究及应用 摘要 近年来，往复式压缩机不断向大型化发展，压缩机一级所采用的 盘形活塞尺寸不断增大。一些大型压缩机一级盘形活塞自运行以来， 频繁出现破裂现象，对压缩机运行企业的正常生产与经济效益产生了 严重的影响。 本文对往复式压缩机大型盘形活塞进行了应力研究。首先对往复 式压缩机曲柄连杆机构的运动规律以及活塞的受力进行分析，利用 v i s u a lb a s i c 语言开发了压缩机综合活塞力计算软件，确定活塞的危险 工况。然后通过a n s y s 有限元分析软件对其进行应力分析。结果表明， 活塞破裂处应力大。在此基础上，提出对活塞结构改进的方法，设计 一种开孔的新结构盘形活塞，并计算活塞开孔后其内部压力及开孔大 小。最后对新结构活塞进行 a n s y s 应力分析，分析结果表明，活塞最 大应力有较大幅度下降，且应力分布趋于合理。 新结构活塞已经应用于一系列大型压缩机活塞改造设计中，运行 结果表明该活塞具有良好的可靠性。本文所做的这些工作能用于指导 往复式压缩机盘形活塞的设计，对其他结构类型的活塞研究也有一定 的参考价值。 关键词：往复式压缩机盘形活塞应力研究a n s y s 分析应用 s t r e s sr e s e a r c ha n da p p l i c a n o no fl a r g es c a l e d i s kp i s t o n si nr e c r o c a t i n gc o n 砰r e s s o r s a b s t r a c t r e c e n t l y , t h ed e v e l o p m e n to f r e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r st e n d st ol a r g e - s c a l e t h es i z eo f t h ef i r s ts t a g ed i s kp i s t o n si n g 佗a s e sc o n t i n u o u s l y t h ef i r s ts t a g ep i s t o n so fs o m el a r g e - s c a l e r e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r sh a v er u p t u r e df r e q u e n t l ys i n c e i tw o r k e d t h e s eh a v es e r i o u s i n f l u e n c et on o r m a lp r o d u c t i o na n de c o n o m i cp e r f o r m a n c eo fc o m p r e s s o r so p e r a t i o n e n t e r p r i s e t h es t r e s s e so nt h el a r g e - s c a l ed i s kp i s t o no fr e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r sa r ea n a l y z e di n t h i sp a p e r f i r s t l y , m o t i o nr u l e so f t h ee r e n k - c o n n e c t i n gr o dm e c h a n i s ma n df o r c ea n a l y s i so f t h ep i s t o na r ea n a l y z e d t h e n , u s i n gv i s u a lb a s i ca sd e v e l o p m e n tp l a t f o r m , t h ea p p l i c a t i o n s o f t w a r eo ns y n t h e s i sf o r c ec a l c u l a t i o ni nt h ec o m p r e s s o ri sd e v e l o p e d d a n g e r o u so p e r a t i o n c o n d i t i o no f t h ep i s t o ni sc o n f o r m e d t h ep i s t o ni sa n a l y z e db ym e a n so f a n s y s ，w h i c hi sa l a r g es c a l ef i r t i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es t r e s so ft h ep i s t o na t t h ep o s i t i o no fr u p t u r ei sh i g h b a s e do nt h ea n a l y s i s 。t h e 或n l 咖ei m p r o v e m e n tm e t h o d sa r e p r e s e n t e da n d an e w p i s t o nw i t ho p e n i n g si sd e s i g n e d t h ei n t e r n a lp r e s s u r eo f t h e n e w p i s t o n i sc a l c u l a t e d ，a n dt h es i z eo ft h eo p e n i n g si sc o n f o r m e d l a s t l y , t h es l a vp i s t o ni sa n a l y z e d w i t ha n s y s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eh i g h e s ts t r e s sd e s c e n d sb yab i g g e rm a r g i na n dt h e s t r e s s e sd i s t r i b m ep r o p e r l y t h en e wp i s t o n sa r eu s e di ns e r i e so fl a r g es c a l ec o m p r e s s o r sr e t r o f i t i tp r o v e st h a tt h e n e wp i s t o n sh a v eh i g h e rr e l i a b i l i t y t h e s ew o r k so ft h i sp a p e rc 眦g u i d et h ed e s i g no f r e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o rd i s kp i s t o n sa n dp r o v i d er e f e r e n v a l u et or e s e a r c ho t h e rp i s t o n t y p e s k e yw 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 ；d i s kp i s t o n ；s t r e s sr e s e a r c h ；a n s y sa n a l y s i s ； a p p l i c a t i o n 稿臼已叠o t 堋i 机，嘻j 弱活“越力研究_ 珏一矗t 取 符号说明 符号含义 a 面积 4活塞的有效受力面积 d气缸直径 五 弹性模量 f气体力 兄综合活塞力 盖侧气体力 e轴侧气体力 j 往复惯性力 三 连杆长度 m往复运动部件的质量 m z 膨胀过程指数 n e 压缩过程指数 p 活塞内部气体压力 置吸气压力 昱 排气压力 只任意日角时气缸内气体压力 9 0压缩机容积流量 s 活塞行程 瓯相对余隙容积折合长度 l活塞内气体温度 z气缸内气体温度 单位 m m 2 m p a n n n n n m k g p a p a p a p a m 3 m m m m k k 佳，b 毫a “机大互幻t 晃； 旨“s l 力习 i 。a j 芝用 符号含义 a 活塞的加速度 d开孔直径 k 气体绝热指数 刀 压缩机的转速 气体组分的物质量 流过开孔泄漏量 曲柄半径 活塞的速度 活塞到气缸盖之间的距离 相对余隙容积 曲柄半径与连杆长度之比，r l 泊松比 曲柄与气缸中心线之间的夹角 活塞内气体密度 气缸内气体密度 曲轴旋转角速度 2 单位 m s 2 m r m i n 血o l k g m 3 l ( g m 3 t a a f s n 伍 。 岔，m 叫 m g r v 口 a p 9 p 岛 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得 的成果和相关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名 单位发表或使用本论文的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人 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旋转运动转化为活塞的往复运动。活塞是往复式压缩机的关键运动部件之一，它与气缸 配合形成压缩容积。活塞设计的好坏与压缩机的性能( 如排气量等) 有很大的关系。活 塞与活塞环、刮油环、活塞杆或活塞销等主要零部件组成活塞组件。活塞设计时必须满 足下列要求：( 1 ) 必须有良好的密封性：( 2 ) 要有足够的强度和刚度；( 3 ) 活塞和活塞 杆( 或活塞销) 的连接与定位要安全可靠；( 4 ) 重量轻，以减少往复惯性力，两列以上 的压缩机中，应根据惯性力平衡的原理尽量使各列活塞重量平衡配置；( 5 ) 制造工艺性 好。 压缩机运行时，活塞处于气体力、惯性力、摩擦力引起的周期性交变载荷下工作。 因此，常导致活塞发生疲劳破坏，进而引起其它零件的失效【2 恻。随着现代工业的不断 发展，往复式压缩机不断大型化，传统活塞的弊端越来越突出。但是，因为受到轴功率 和往复惯性力等因素的影响，设计活塞时只好被迫取较小的安全系数，从而导致活塞在 正常运行状态下破裂现象逐渐增多，对往复式压缩机的安全、稳定、长期良好运行带来 严重威胁。为此，围绕如何使活塞在苛刻的工况条件下满足高性能指标要求进行多学科、 多技术领域的研究开发及科研攻关，如何开发多系列的高性能活塞形成独具特色的活塞 设计、精密成形和自动化制造技术，如何使活塞受力状态最佳化、应力分布均匀化及重 佳，：爿l 一卿审忱番l | t 舞结旨u 包力习 巴a j l 嘲 量最优化，如何对活塞进行优化设计成了压缩机活塞研究和发展的主要问题。 目前用有限元法对活塞进行分析的资料较多，但是主要限于是内燃机行业睁埘，有 关往复式压缩机活塞方面的报道很少见到。在查阅文献的过程中，尚未见到应用有限元 分析软件a n s y s 对往复式压缩机活塞进行分析的相关报道。因此本文应用大型通用有 限元分析软件a n s y s 对往复式压缩机大型盘形活塞进行有限元分析不仅具有重要的理 论意义和实际应用工程价值，同时对指导活塞结构优化设计和可靠性设计、促进往复式 压缩机的研究发展及提高企业经济效益都有重要意义。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 i 2 1 压缩机的研究发展现状 压缩机作为一种通用机械，为了适应用户的需要和激烈的市场竞争，研究与开发一 直在广泛而深入地进行着，这些研究状况与成果，通过许多刊物、国际性会议、专利与 新产品得到了充分体现。当今世界上最集中体现的是下列国际性的学术会议：( 1 ) 由美 国普度大学举办的“国际压缩机工程会议”( t h e n t e r n a t i o n a lc o m p r e s s o re n g i n c o r i n g c o n f e r e n c ea tp u r d u e ) ；( 2 ) 由西安交通大学举办的“国际压缩机技术会议”( t h e i n t e r n a t i o n a lc o m p r e s s o rt e c h n i q u ec o n f 盯铋c e ) ；( 3 ) 由英国流体机械工程学会与伦敦城 市大学举办的“国际压缩机及其系统会议”( t h ei n t e r n a t i o n a lc o m p r e s s o ra n di t ss y s t e m c o n f e r e n c e ) ( 4 ) 主要由德国德来斯登技术大学与奥地利贺尔碧格公司负责的“欧洲往 复压缩机论坛”( t h ee u r o p e a nf o r u mf o rr e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r ) 。此外还有俄罗斯流 体工程学会与彼得堡技术大学举办的国际压缩机会议的有关论文等。这些会议所发表的 论文基本上体现了当今世界上压缩机的研究状况和水平。总的来讲，压缩机研究都是围 绕下列方向进行的【l l 】：( 1 ) 不断提高压缩机的经济性和可靠性；( 2 ) 根据生产发展需要 开发新产品；( 3 ) 应用新工艺与新材料；( 4 ) 降低制造成本；( 5 ) 降低噪声。 目前，世界各国正在采用现代化技术( c a d 、c a m 等) 来降低制造成本。其中， 对气阀、阀腔流动阻力与阀室热交换的研究占有重要地位。在机构上，引人注目的则是 关于容积控制方面。在故障诊断上，美国普度大学利用压力传感器所测得信号的变化来 发现压缩机故障，并判断原因。在计算机模拟上，美国i r i s 公司引进多维空问解析，将 性能分析和部件设计综合在一起，为压缩机优化设计提供了一个极为有效的方法。当前 压缩机技术的研究工作，主要就是围绕提高产品的质量和效率两方面进行。谋求延长压 缩机寿命，包括两种情况，一是优化压缩机的结构设计、动力设计。二是优化材料制造， 机器部件加工等。提高压缩机效率的研究也包括两种情况，一是优化压缩机的内部因素， 二是变更压缩机结构。随着计算机技术的发展，使压缩机工作过程的数学模拟得以实现， 促进了压缩机性能预测及最优化工作的发展。在压缩机性能预测的研究中，实现了对几 何特征参数、膜腔曲线、压缩过程、排气过程、吸气过程、泄漏流量的计算预测，避免 4 1 - - 育大掣唾士学位馕支往：奠一日u 事。弋主幻t ，睹l 直力研，毫矗l 了多工况下的实机运转实验，大幅度节约了时问和费用。 国外压缩机专业的科研工作，在各类压缩机的性能和可靠性已基本妥善解决的基础 上，仍主要围绕提高产品的寿命和性能两大方面开展工作。特别是电子计算机在研制中 的广泛应用，使数理模型取代了“经验凑试”，使科研工作向自动化、最优化方向发展。 今后压缩机的发展前景不仅仅在于努力提高技术性能指标，更应着力于应用近代先进计 算机技术进行性能模拟和优化设计。促成最佳机型的系列化、通用化、机组化和自动化， 降低生产成本，完善辅助成套设备，扩大应用领域，提高综合技术经济指标。从整体上 看，压缩机产品将向结构紧凑、能耗少、噪声低、效率高、可靠性高以及排气深度净化 方向发展。 1 2 2 往复式压缩机的研究发展觋状 国内外专业人士公认，公元前l s 0 0 年我国商代劳动人民发明的木质风箱，是往复活 塞式压缩机的雏形。近代空气压缩机械的鼻祖，当推公元1 6 4 0 年在德国制造成功的( 机 械式) 真空泵。7 0 年代初期，( 原民主) 德国德累斯顿技术大学提出了著名的各类压缩 机技术演化完善度评估曲线，标明往复活塞式压缩机的历史最久远、变革进程最长、完 善度最蒯。终为开发早、完善度高的往复式压缩机，其技术进展近年虽然不及回转式 压缩机迅速，但并未停滞，仍不断有所创新。具体表现如下【1 3 - 1 4 】： ( 1 ) 在石化领域，往复式压缩机主要是向大容量、高压力、低噪声、高效率、高 可靠性等方向发展；不断开发变工况条件下运行的新型气阀，提高气阀寿命；在产品设 计上，应用热力学、动力学理论，通过综合模拟，预测压缩机在实际工况下的性能；强 化压缩机的机电一体化，采用计算机自动控制，实现优化节能运行和联机运行， ( 2 ) 在动力领域，往复式压缩机目前占有主要市场。但随着人们对使用环境及能 耗、环保等方面要求的提高，螺杆和涡旋空气压缩机开始占有一定的市场。 ( 3 ) 在制冷空调领域，往复式制冷压缩机作为一种传统的制冷压缩机，适用于制 冷量较广范围内的制冷系统。目前冰箱( 包括小型冷冻与冷藏装置) 制冷系统的主机仍 以往复式压缩机为主。经过多年设计改进和技术进步，往复式冰箱压缩机效率大大提高。 同时在与环境保护密切相关的制冷莉替代技术上也取得了可喜的进步。进步提高往复 式冰箱压缩机的效率、降低系统噪声是它的主要发展方向。 ( 4 ) 线性( 直线) 压缩机，线性压缩机是往复式压缩机的一种型式，由于电动机 的直线运动可以直接带动活塞的往复运动，从而避免了曲柄连杆机构的复杂性和由此带 来的机械功耗。线性压缩机关键技术是压缩机油路系统的设计、电动机线性位移极限点 的有效控制，以及相应的防撞技术。 ( 5 ) 斜盘式压缩机，斜盘式压缩机也是往复式压缩机的一种变型结构，主要用于 车用空调系统。经过几十年的发展，斜盘式压缩机已经成为一种非常成熟的机型，在车 用空调压缩机市场占有7 0 以上的份额。但它的效率低于回转式压缩机，且体积较大。 由于斜盘式汽车空调压缩机的工艺成熟，加上技术的进一步改进，在可预见的将来，仍 佳，：武| u 囊韧夫霉u 强，皤t 力研_ 竞a 一矗l 一 将保有一定的市场份额，但在定的排量范围内被逐渐替代是必然之路。 此外，往复式压缩机在气阀技术、气流脉动、振动和噪声、摩擦与润滑以及新工艺 与新材料的应用等多个研究方向也获取了较大的进展。“十一五”期间，压缩机行业 重点发展的关键产品是特大型往复式压缩机组。特大型往复式压缩机组是大型石化项目 的关键设备，也是一个国家压缩机技术水平高低的集中体现。经过多年的发展，我国大 型往复式压缩机制造技术得到很大的提升，国内产品在稳定质量的基础上正向特大型 化、集成化和智能化方面发展。随着我国工业整体水平的不断提高，综合实力的不断增 强，可以预测在未来的5 1 0 年间，我国大型往复式压缩机技术水平将走向世界前列。 1 2 3 活塞的研究发展现状 活塞产品设计和开发是集材料学、摩擦学、机械动力学、计算机科学等多学科、多 领域于一体的研究开发成果。围绕着提高压缩机的经济性和可靠性两大方向，国内外学 者在研究压缩机活塞时，除了研究其材质和制造工艺外，较着重开展对压缩机活塞的理 论和实验研究”j 。在往复式压缩机中，活塞处于交变载荷下工作，因此它的各部分必 须具有足够的强度和刚度。关于活塞的强度问题，国内外许多研究人员进行了大量的研 究，但主要限于是内燃机行业。鉴于国内压缩机活塞研究甚少，而内燃机活塞的结构型 式和压缩机中的活塞颇为相似，因此，其研究成果对压缩机活塞的研究有一定参考价值。 目前对活塞强度研究大致有两类，类是静强度研究，另一类是疲劳强度研究。文 献【例提出，对于双端面盘形活塞，如果端面之间有加强筋，为方便其见，计算时常以 一个面积与扇形面积相等的当量圆来代替扇形面积，简称“当量圆法”。孤立采用“当 量圆法”不一定能正确地全面地反映活塞整体的强度，尤其是大直径、低轴向的活塞。 为此，施恩明等人【i9 j 把盘形活塞视为毂部支撑、端面上受均匀分布载荷的悬臂梁受力状 态来分析，简称“悬臂梁法”。随着计算数学和计算机技术的迅猛发展，有限元法在压 缩机领域获得广泛应用。目前国内外已经有不少学者采用有限元方法对压缩机主要零部 件进行结构设计和强度分析，如气缸。、曲轴瞄洲、阀片f 2 蝴以及阀座等，而对压缩 机活塞进行有限元分析的楣关报道甚少，黎作平和林鼹等人【2 9 】曾采用编制的有限元软件 对压缩机鼓形活塞进行三维有限元应力分析。 由于计算机技术的飞速发展，压缩机活塞的参数化设计和优化设计方面也有很大的 进展。山东滨州渤海活塞股份有限公司自行开发了高性能活塞c a d c a m 设计技术、新 材料技术、专有制造技术及设备所构成的完整核心技术体系。涂淑平【3 0 】介绍了基于p c 平台的高效参数化设计系统m d t ( a m o d e s km e c h a n i c md e s h o p ) 的强大功能和优异的 特性，并在m d t 平台上对压缩机筒形活塞进行了实体建模分析；通过数据交换方法，可 以将m d t 实体信息转换为c a m 软件及各类分析软件能够识别的数据，为进一步的分析 和制造提供便利。郑永刚和马学军等人【3 1 】应用a n s y s 结构分析和f b s a f e 疲劳分析 软件，对柴油机活塞结构进行了三维有限元计算，求得活塞温度场和综合应力场；分析 结果经疲劳分析软件处理，以云图方式显示出活塞的疲劳循环次数和安全系数。李玉珍 6 ，。蕾r ，叫羹习i - b 掌位静文稿a 【嗣0 匿靖机，d 芝，日眵滔重力司 己a 巨月一 和马震等人【3 2 】论述t h s 7 0 0 型发动机活塞裙部型面的优化设计，使发动机的动力性、经 济性和可靠性提高，同时其磨损、振动和噪声也有所减小。 对往复式压缩机活塞的研究，国内外研究人员还提出了新型压缩机活塞。胡祖汉和 贺运初等人【3 3 】提出一种往复式压缩机盘形活塞，其特点是在活塞的端壁上增设一个只能 向活塞内部空问进气的进气阀。但是迸气阀结构型式有许多不足，如结构复杂，设计繁 琐等缺点。为此，胡祖汉、贺运初和戴新西等人【驯提出了一种带螺塞孔的往复式压缩机 鼓形活塞，在活塞内部空间装入适量的固态或液态物质，然后再安装好螺塞。一般的焊 接活塞简体两端都带有曲边，简体与端壁间的焊缝位于端壁表面，而活塞工作时，端壁 受力较大，从而使焊缝容易疲劳破裂。为了避免不足之处，张新民、胡祖汉等人f 3 5 j 提出 一种往复式压缩机焊接活塞，其特点是筒体两端无曲边，使简体与端壁闻的焊缝不承受 或只承受交小的应力，防止该焊缝疲劳破裂。 随着现代科学技术的发展，对压缩机功率、油耗、噪声以及寿命等要求愈来愈高， 从而对活塞材质及其性能的要求也愈来愈高。活塞对材料性能的基本要求是：( 1 ) 在一 定的压力和温度范围内，具有适当的机械性能；( 2 ) 热膨胀系数要小( 3 ) 具有良好的 减磨性、耐磨性和耐热性；( 4 ) 较小的比重；( 5 ) 价格便宣，成型性好，热处理简单， 加工性能好。近年来出现了铝硅合金、铝合金、高磷含硼铸铁【3 6 3 s 以及s i c p a 1 s i 【3 1 1 等 新型活塞材料。但就目前的整体情况来看，复合材料制品的生产成本还显得有些偏高， 且有些新型活塞材料仍处于实验室研究阶段，大规模应用于工业生产还有相当一段距 离。因此，从短期发展来看，铸铁和铝合金仍是活塞的主导材料，但从长期发展战略来 看，随着复合材料制备技术的日臻成熟及成本的不断降低，新型活塞材料将具有广阔的 应用前景m l 。 对于活塞目前所进行的研究有：活塞的动态研究，活塞的参数化设计和优化设计， 新型压缩机活塞结构设计，影响活塞可靠性的新材料和新工艺的研究。采用电子计算机 这个有力工具，对活塞进行最优化、经济性和可靠性的设计研究是当前活塞技术的科研 动向。 1 3 项目由来及本文所做工作 1 3 1 项目由来 近年来，化工、化肥行业一些企业希望通过扩大生产以降低成本，提商经济效益及 竞争力，要求采用的压缩机单机的生产能力大。压缩机生产企业适应这一要求，推出了 一系列大型往复式压缩机，这些压缩机容积流量大，一级气缸及活塞直径大。其中一些 型号的压缩机如6 m 5 0 - 0 4 0 3 2 0 - - b x 氮氢气压缩机、6 m 4 0 _ - 3 0 5 3 1 4 氮氢气压缩机等在 一些化工、化肥企业实际运行过程中，频繁出现活塞破裂现象，严重影响了这些企业的 正常生产，给这些企业带来了较大的经济损失。应这些压缩机运行企业的要求，对压缩 g - 西，掣鐾习e 士学位论文佳，：式量瀚机大蓦幻t 秃储，u 自。参研究a 一五t 月一 机一级活塞进行应力研究，并提供其一级活塞的改造方案与改造设计图纸。下面以较为 典型的6 m 5 0 _ q 4 0 3 2 0 - b x 氮氢气压缩机为例来说明。 6 m 5 0 _ - 3 4 0 ，3 2 0 _ - 日l x 氮氢气压缩机是沈阳气体压缩机厂引进德国原b a b e o e k - b o r s i g 公司专有技术设计制造的六列六级对称平衡型压缩机，该型号压缩机轴功率4 5 9 3 k w ， 单机年产合成氨可达4 万吨，是当时国产同类型氮氢气压缩机中生产能力最大的机组之 一。该型号的第一台机组于1 9 9 8 年1 月7 日在湖南金信化工有限责任公司正式投入生产。 该机型具有排气量大，能耗低，维修方便等优点，但其零部件，特别是一级活塞可靠性 极差，严重影响了机器的运转和企业的正常生产。据统计，该公司的6 m 5 0 压缩机一级 活塞平均使用寿命为2 6 5 0 j 、时，最长的为5 7 6 0 j 、时，最短的仅为3 6 0 d , 时。活塞的主要 破坏方式是：环板与筒体、轮毂焊缝处破裂。受湖南金信化工有限责任公司委托，对该 6 m 5 0 压缩机一级活塞进行结构强度分析，以分析该活塞破裂的原因，在此基础上，进 一步提出活塞的改造方案，提出新结构活塞，并对新结构活塞进行应力分析，以验证该 改造方案的正确性。 1 3 2 本文所做工作 基于以上愚路，本文主要做了以下几方面的工作： ( 1 ) 提出往复式压缩机新型活塞，对其结构特点及工作原理进行阐述，并与其它 结构类型活塞进行比较，分析其优点。 ( 2 ) 对往复式压缩机曲柄连杆机构的运动规律及活塞的受力进行分析，以w m d o w x p 操作系统和v i s u a lb a s i c 作为开发平台，开发压缩机综合活塞力软件，确定活塞的危 险工况。 ( 3 ) 对弹性有限元理论基础进行研究，以三维弹性体为例，给出弹性力学的基本 方程，并简单介绍有限元法分析问题的一般过程，为活塞强度有限元分析提供理论依据。 ( 4 ) 应用有限元分析软件a n s y s 对往复式压缩机大型盘形活塞进行结构静力分 析，得出活塞的最大等效应力值及其位置，并分析活塞破裂的原因，为活塞结构设计和 改造提供依据。 ( 5 ) 计算活塞开孔后其内部压力以及开孔大小，用来指导活塞的设计。在此基础 上提出改造方案，并采用有限元技术对改造后的新结构活塞进行分析计算，以验证该改 造方案的正确性。 ( 6 ) 介绍往复式压缩机新型结构活塞的实际应用情况。 本文所做工作能用于指导往复式压缩机大型盘形活塞的设计，对其他结构类型的活 塞研究也有一定的参考价值。 8 广冒，“蚌习n b 掌位饨文往，：式h 占e h 慨量缸t j 瞄活，u 包力研舅：a j 屯用 2 1 引言 第二章往复式压缩机盘形活塞结构特点 活塞是往复式压_ 缩祝的主要零件之一，它与气缸配合形成压缩容积。活塞设计的好 坏与压缩机的性能( 如排气量等) 有很大的关系。往复式压缩机中采用的活塞按形状分 有：筒形、盘形、鼓形、柱塞形等。盘形活塞主要用于具有十字头结构而由活塞杆带动 的单作用、双作用低压或中压气缸中。盘形活塞多数是铸成整体式，有时也采用组合式 铝制盘形活塞，而直径较大的活塞常采用焊接结构。为了减轻活塞重量，一般制成空心， 两个端面用加强筋互相连接，以增加剐性【4 3 】。 目前使用的盘形活塞空间内部压力均为制造时的大气压力，虽然活塞运行时随着的 温度升高其内部空间的压力有所上升，但是其上升量与活塞外部的压力相比较小。因此， 活塞在运行过程中，气缸工作腔内与活塞内部空间的压力差较大，使活塞承受的应力大， 容易出现破裂，大大降低了活塞的可靠性，对往复式压缩机的安全、稳定、长期性运行 造成危害。很多场合下，需要活塞自身有较高的强度和刚度，以提高活塞的使用寿命， 同时活塞工作过程中应力又不能太大，以免导致活塞可靠性下降。 一些大型往复式压缩机一级大型盘形活塞可靠性极差，严重影响了机器的运转和企 业的正常生产。活塞的主要破坏方式是：环板与筒体、轮缎焊缝处破裂。为提高活塞的 运行寿命，本文以湖南金信化工有限责任公司6 m 5 0 一3 4 0 3 2 0 _ b x 氮氢气压缩机一级 活塞为例，对其一级活塞进行应力计算，以分析该活塞破裂的原因，在此基础上，进一 步提出活塞的改造方案，并对改造后的新结构活塞进行应力分析，以验证该改造方案的 正确性。下面简单阐述新型活塞的结构特点。 2 2 新型活塞的结构特点 本文在避免传统活塞缺点的基础上，提出一种结构筠单、制造方便的大型盘形活塞。 图2 一l 为大型往复式压缩机的一级新括塞剖面图，图2 2 为新活塞三维立体图。结构 型式为焊接盘形活塞，由轮毂、环板、筋板、筒体组成。简单制造工艺如下；首先将筋 板和轮毂组焊在一起，随后将环板与筋板、轮毂组焊成一体，最后将筒体和两环板进行 焊接。筋板与环板、筋板与轮毂为角焊缝连接，轮毂与环板、环板与筒体为对接焊缝连 接，活塞加工好后，在上、下环板各自对称开2 个夺3 锄孔，并相互错开。活塞的驱 动力输入活塞杆，由括塞杆带动活塞往复压缩气体做功( 为双作用式) 。活塞杆与活塞通 过螺母联接，活塞杆上无螺纹，降低了应力幅值，可提高括塞杆的疲劳强度及安全可靠 性，该联接具有结构紧凑、操作方便、安全可靠的特点。活塞与活塞杆联接紧固所需扭 矩经详细计算转化成角度，标记在活塞体和螺母上，采用电加热方式使活塞杆伸长，将 9 ，- 百，掣攀司士学位键r 支 往蔓蓝医一朝六删盘形活囊皿力| 井定a 应用 螺母转至规定的角度，冷却后自行紧固。这种联接方式操作简单方便，预紧力准确可靠。 图2 - 1 新活塞剖面图 f i d 2 1c u t a w a yd i a g r a mo f t l l en e wp i 咖 该新型活塞的结构特点是：在活塞豹上、下环板各自对称开设2 个枣3 m m 孔，当 活塞运行时，气体从气缸工作腔流入活塞内部空间，使活塞内部空间也具有较高的压力， 从而使活塞承受的内外压力差大幅度下降，改善了活塞的受力情况，活塞的应力也相应 减少。这种活塞具有下列优点：安全可靠，结构简单、制造方便，活塞空间内部也具有 相对稳定的较高压力，平衡活塞外部的绝大部分压力，大幅度降低活塞运行时所承受的 内外压差，使活塞的受力状态大大改善。新型结构活塞有效地减小活塞的设计壁厚、质 量及运行时的往复惯性力，大幅度提高活塞的可靠性和使用寿命。 焊接盘形活塞材料可以是2 0 4 钢、1 6 m n 和q 2 3 5 b 等金属材料。为了消除焊接时产 生的残余应力，焊接活塞在机械加工前应经过6 5 0 7 0 0 的退火处理【l 】。 目前该新型活塞在6 m 5 0 _ _ 3 4 0 3 2 肚- b x 氮氢气压缩机、6 m 4 0 - - 3 0 5 3 1 4 氮氢气压 缩机中应用，活塞运行状态良好，表明该活塞具有较好的可靠性及经济性。 1 0 r 冒r ，“煳士t 位簧- 文 往，艺量o 机大型臼昏活u 也力研，巴a u i 【月一 围2 - 2 新活塞三维立体田 f i g 2 - 2t h r e e - d i m e n s i o n a ld i a g r a ma f t h en e w 脚 2 3 与其它结构类型活塞的比较 通过分析往复式压缩机新型盘形活塞的结构特点。与其它类型往复式压缩机活塞桶 比具有很多结构上的特有优点。 ( 1 ) 结构简单。相对于气阀布置在活塞顶上的盘形活塞而言，这种盘形活塞只有 轮毂、环扳、筋板、简体组成，结构简单的多。 ( 2 ) 制造方便。避免了铝活塞制造工艺上存在的一系列困难和其它缺点：与胡祖 汉等人提出一种带进气阀活塞相比，零部件加工精度要求相对不高，一般制造和组装后 很容易达到设计的要求。 ( 3 ) 安全可靠。当活塞运行时，气体从气缸工作腔流入活塞内部空间，使活塞内 部空间亦具有较高的压力，从而使活塞承受的内外压力差大幅度下降，改善了活塞的受 力情况，活塞的应力也相应减少。与带进气阀活塞相比，在承受一定的交变载荷下，易 损件( 弹簧或弹片) 较少，大大提高了活塞的可靠性。 ( 4 ) 维修方便。胡祖汉等人提出一种带进气阀活塞，由于受到结构和空间的限制， 检修和更换施工相对网难，而该新型盘形活塞维修比较方便。 2 4 本章小结 本章对新型盘形活塞的结构特点进行了阐述，并简单介绍了新型盘形活塞与其它类 型往复式压缩机活塞相比具有的优点。 佳复0 匪一和l 大量幻t 舞赭，l 直力研究覆善u 啊 第三章往复式压缩机大型盘形活塞的有限元分析 3 1 引言 目前在工程技术领域内常用的数值模拟方法主要有：有限元法、边界元法、离散单 元法和有限差分法，但就其实用性和应用的广泛性面言，主要还是有限元法。数值模拟 技术通过计算机程序在工程中得到越来越广泛地应用。这些工程数值模拟软件，主要是 有限元分析软件，不断吸取计算方法和计算机技术的最新进展，将有限元分析、计算机 图形学和优化技术相结合，使用方便，计算精度高，其计算结果已成为各类工业产品设 计和性能分析的可靠依据，已成为解决现代工程学问题必不可少的有力工具i 辨j 。 有限元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。几十年 来，有限元法的应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力问题扩 展到稳定性问题、动力问题和波动问题，分析的对象从弹性材料扩展到塑性、粘塑性和 复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、传热学、电磁学等领域，在工程分析中的作 用已从分析和校核扩展到优化设计，并和计算机辅助设计技术结合越来越紧密。经过不 断改进，到现在，基于有限元技术的大型通用程序己发展的非常完善，广泛地应用于各 个工程领域。 目前市场上已经有大量优秀的专用商业软件包，可以直接完成复杂结构的有限元单 元划分、计算分析及结果输出，并同多种c a d 软件直接进行数据交换。因此有限元法 在工程上和科学研究方面的地位越来越重要，求解问题的效率也提高了很多。比较有名 的商业软件主要有a n s y s 、a d i n a 、n a s t r a n 等，技术人员可以直接使用这些软件， 对于特殊问题，则自行开发有关软件。 a n s y s 有限元分析软件是一个利用计算机技术进行工程分析的大型通用软件，可 在大多数计算机及操作系统中运行，从p c 机到工作站直至巨型计算机。a n s y s 程序能 满足从汽车、电子到航天、国防等大多数工业领域的有限元分析需要，其功能己为全世 界所公认。a n s y s 软件是第一个通过i s 0 9 0 0 i 质量认证的分析设计软件，是美国机械 工程师学会( a s m e ) 、美国核安全局( n q a ) 认证的标准分析软件之一。由于a n s y s 软件具有建模简单、快速、方便的特点，因而成为大型通用有限元程序的代表【4 5 州。 本文在前面的第二章中，阐述了往复式压缩机大型盘形活塞结构特点和应用范围， 这些都为往复式压缩机活塞的动力学分析提供了依据。往复式压缩机的动力学分析主要 是对曲柄连杆机构的动力学研究，它涉及的主要内容为压缩机曲柄连杆机构的运动规律 分析及受力情况分析等。同时，往复式压缩机的动力学分析为后面活塞强度有限元分析 提供依据。本章首先讨论往复式压缩机动力学分析，然后阐述弹性有限元理论基础，最 后利用大型通用有限元分析软件a n s y s 对往复式压缩机大型盘形活塞进行有限元分 析。 1 2 ，1 可，叫筘硬士掌位论文幸乞，：武_ 暑t r 审l ：气蓦幻t 竟辨膏u t 力习 t a 一五l 3 2 往复式压缩机的动力学分析 具有曲柄连杆机构的往复式压缩机，由于运动状态反复变换的零件上受力情况较为 复杂，因而需要进行动力学计算。往复式压缩机动力计算的基本内容，在于分析活塞组 件的运动特性，以及气缸内气体压力随活塞行程的位置或按曲柄转角面变化的规律，进 而获得往复式压缩机的往复惯性力、气体力、活塞力、连杆力、侧向力、切向力和法向 力等，并绘制出与之相应的一系列曲线图。 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3 1 求得。图中曲柄 旋转通过连杆带动活塞洽直线c d 作往复运动，连杆的运动是由随曲柄的旋转运动和随 活塞的往复运动合成，其中活塞离曲柄旋转中心的最远位置c 点为外止点，最近位置d 点为内止点。曲柄销中心b 至旋转中心0 距离为r ，即曲柄销旋转半径。 另外，为了便于计算，我们这里规定，当曲柄与气缸中心线的夹角0 = 0 时，活塞 位于外止点处，此时活塞的位移j = 0 。当曲柄与气缸中心线之间的夹角为任意8 角时， 活塞的位移x 参见图3 1 。则： x o c o a 一( 1 - c o s o ) + ( 1 一正瓦而) l ( 3 - 1 ) 当o = 0 时，x = 0 ，活塞位于外止点处；当0 = 1 8 0 时，x = s = 2 r ，活塞位于内止 点处。由式( 3 - 1 ) 可以求出任意0 角时活塞的位移工。设相对余隙容积折合长度为 s o = s x a ，其中，s 为活塞行程，口为相对余隙容积。 通常认为压缩机的转速胛是等速的，故旋转角速度为 对位移x 求一阶导数，得活塞的速度v 为： v ：鱼：r fs i n o + 一垒墅丝1 ( 3 2 ) 西 l2 4 1 一a 2s i n 2 0j 对位移石求二阶导数，得活塞的加速度口为： 口：jdf2x：。2|。+a：!jj；兰茅1f c s s ， 为了使 正碲 轴r f o - c o s e ) + ；- t o - c ：。s 2 e ) j 忙m ( s i n s + 去衄2 e ) 口2 坳2 ( c o s e 。a c o s 2 9 ) 观2 = ：噍蝴嘞呦懒。 3 2 ，2 活婆的受力情况分析 1 ”姆明叼合运动。 意义，可将 ( | 3 - 4 ) ( 3 - 5 ) ( 3 - 6 ) 住，：黛l j 瑚书。弋蚕缸t ，眵活囊o l 力司”乞a j t 月一 j = 砌2 ( c o s o + j = i c o s 2 0 ) = 一m r c 0 2 c o s o 一) 。m r c 0 2 c o s 2 0 ( 3 7 ) 式中厨往复运动部件的质量，k g ； ，曲柄半径，m ； 。曲柄角速度，n 鄙s ； a 曲柄半径与连杆长度之比，r l 。 式中，第一项为一阶往复惯性力，它的变化周期等于曲柄旋转一周的时间；第二项 为二阶往复惯性力，它的变化周期等于曲柄旋转半周的时间。从数值上看，一阶往复惯 性力的最大值为二阶往复惯性力最大值的l a 倍。在往复式压缩机中。a 通常在1 3 5 1 6 范围内选择，所以一阶往复惯性力的最大值一般为二阶往复惯性力最大值的3 5 6 倍，这就说明一阶往复惯性力在往复惯性力中起主要作用。 、 3 2 2 2 计算气体力 作用在活塞上的气体力，为活塞两侧气体压力与相应活塞有效面积的乘积的代数 和。这里规定，轴侧气体力使曲柄连杆机构受拉伸为正，盖侧气体力使曲柄连杆机构受 压缩为负。由热力学知识可知，气缸内的气体压力在整个工作循环中是随着曲柄转角0 的周期变化而变化的，因此活塞在压缩、膨胀过程中任意0 角时气体力的大小就可用下 式计算： ，= 只a 。 ( 3 - 8 ) 式中只任意0 角时气缸内气体压力，p a ； 彳。活塞的有效面积，m 2 。 计算盖侧气体力时，用一堙代替；计算轴侧气体力时，f 用见代替。 因为在压缩机整个工作过程中，气缸内气体压力是变化的，所以压缩机中的气体力 也是变化的，为