往复压缩机连杆稳定性分析

便用维修ｌ　＆ｍ　ｅ＆Ｍａｉｍｅｎａｎｃｅ　ｌ　往复压缩机连杆稳定性分析　李艳玲　（沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁沈阳１１０８６９）　【摘要】：大型往复压缩机连杆在工作过程中，受到由活塞杆传递的周期性气体力和惯性力联合作用的交变栽荷。连杆的　动态稳定性和结构尺寸直接影响着整个传动系统运行的平稳性及其可靠性。对初始设计的连杆进行屈曲分析，由分析结果　可知连杆变形量较大，随着杆身厚度尺寸的增加变形量降低。在屈曲分析的基础上，进一步对连杆结构的尺寸参数进行改　进和优化。　【关键词】：往复压缩机；连杆；屈曲分析；模态分析；结构优化　中图分类号：ＴＨ４５７；ＴＫＨ４１３．３＋２　文献标志码：Ｂ　文章编号：１００６—２９７１（２０１８）０３—００３１—０３　Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｎｇ　Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ　Ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ　Ｒｏｄ　ＬＩ　Ｙａｎ－ｌｉｎｇ　（Ｓｈｅｎｙａｎｇ　Ｂｌｏｗｅｒ　Ｗｏｒｋｓ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ　１　１０８６９，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ　ｔｈｅ　ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ　ｌｏａｄ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｃｙｃｌｉｃ　ａｎｄ　ｉｎｅｒｔｉａｌ　ｆｏｒｃｅｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ　ｒｏｄ　ｏｆ　ｌａｒｇｅ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｎｇ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ，ｔｈｅ　ｗｈｏｌｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗａｓ　ａｆｆｅｃｔｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ　ｒｏｄ　ｄｉｒｅｃｔｌｙ．Ｂｕｃｋｌｉｎｇ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｉｎｉｔｉａｌ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ　ｒｏｄ　ｗａｓ　ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ，ｉｔ　ｓｈｏｗｅｄ　ａ　ｌｒｇｅｒ　ｄｅｆａｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｎｅｃｔ－　ｉｎｇ　ｒｏｄ．ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ　ｒｏｄ　ｉｓ　ｒｅｄｕｃｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ｏｆ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ　ｒｏｄ．Ｏｎ　ｔｈｅ　ｂｕｃｋｌｉｎｇ　ａｎａｌ—　ｙｓｉｓ，ｔｈｅ　ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ　ｒｏｄ　ａｒｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ａｎｄ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｎｇ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ；ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ　ｒｏｄ；ｂｕｃｋｌｉｎｇ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ｍｏｄｅｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　吴文伟［４１等人对某氢气压缩机发生连杆断裂重大故　１引言　大型往复压缩机连杆在工作中承受着非线性　交变负载，这将直接影响到压缩机的安全可靠性。　Ｍ．Ｎ．Ｉｌｍａｎ［　等分析了一种空气压缩机中连杆据失效　原因，对失效的连杆从结构设计、材料类型和动　障的原因进行排查，并提出了相应的改进措施。　文中以某大型４ｙｌＪ往复压缩机连杆为例，研究其厚　度尺寸参数对稳定性的影响规律。　２连杆模型　对连杆实体进行建模，连杆模型做适当简化　处理，忽略细油孔、螺栓孔等微小细节，并将小　表１　连杆的几何参数　名称　参数　态负载等疲劳性能方面进行了评估，使用正弦载　荷恒定负载下的对压缩机振幅进行了测试；文献　【２】中分析了连杆惯性对活塞裙内衬系统的润　单位：　滑效果所产生的影响，并通过一个早期模型对活　塞动力学、油膜和摩擦损耗进行了数值分析；验　证了其影响程度；马瑞红【３１等人对１５００　ｋＮ大型压　缩机组连杆在不同工况下的受力情况进行分析。　收稿日期：２０１８—０３—１５　连杆大头孔直径　连杆小头孔直径　杆身厚度　中心距　３６０　２０ｏ　１ｏｏ　１００ｏ　ｌ　２０１８年０３期（总第２６９期）　使用维修　ｎ：ｂ－　＆，ＩＩａｉｎ　ｆ１，２Ⅳｎｆ　表２连杆属性　材料　４０ＣｒＭＯ　弹性模量（ＭＰａ）　２ｅ　泊松比　０．３　密度（ｋｇ／ｍ　）　７．８２×１０　————／，＼　图２连杆１阶屈曲分析云图　·　．．　·／＼　图１连杆模型　头瓦与衬套合、大头瓦与连杆轴视为一个整体。　连杆儿何参数及连杆材料属性参数如表１及表２所　＿＿　’－￣．．－－－－．　示，连杆模型见图１。　图３连杆２阶屈曲分析云图　３连杆屈曲分析　３．１　连杆初始结构屈曲分析　连杆初始设计尺寸的杆身厚度为１００　ｍｍ，按　照受力最大值对初始结构进行屈曲分析，得到连　杆前　阶屈曲分布情况，见图２～４。　由图２可见，连杆发生较大幅度的弯曲变形，　变形量沿连杆大头瓦至小头瓦方向越来越大，连　杆最大屈曲变形发生在小头瓦一端，变形量达到　９　ｍｍ以上；从图３可以看出，靠近连杆小头端的发　图４连杆３阶屈曲分析云图　通过模拟分析，得到连杆发生屈曲的临界载　荷为８．５４８３ｘ１０　Ｎ，由连杆受力范围可知，初始设　计尺寸的连杆在正常工况下是相对比较稳定的。　３．２连杆厚度尺寸参数改进　生了十分严重的弯曲变形，变形量可达１０　ｍｍ，变　形方向垂直于杆身，反复疲劳状况下可造成杆身　折断；而在４图中，连杆的弯曲变形变成沿Ｘ—ｚ平　面方向，小头瓦同样发生了失圆状况。　为进一步确定杆身厚度增加后的稳定性，现　对拟定改进方案中的杆身结构进行屈曲分析，从　表３不同杆身厚度下的屈曲分析结果　杆身尺寸／ｍｍ　一最大变形位置　阶　沿　一＇，方向，变形量沿着连杆大头到小头逐渐增大，小头有非常　明显的失圆现象最大的屈曲变形发生在连杆的小头端部。　，最大变形量／ｍｍ　临界载荷，Ｎ　１０ｏ　１０　８．５４８３×ｌ　二阶　—ｙ平面　三阶　一—ｚ平面方向弯曲，小头孑Ｌ有明显的失圆现象　阶　连杆小头端部　沿　一ｚ方向　１．５　２．３３７　Ｘ　１０　ｌ４０　二阶　三阶　一沿　—ｚ方向，最大变形发生在杆身与小头的连接处　最大变形仍然发生在连杆小头端部　沿ｘ—ｚ方向，最大变形区域在小头端部　１．０　６．３８９３×ｌＯ　阶　二阶　ｌ８Ｏ　三阶　小头处出现了明显弯曲，弯曲方向沿　—ｙ方向　３２　ｉ瓣黧翘　，　２０１８年ｏ３期（总第２６９期）●　便用维修‘　ｎ　＆Ｍｔｌｉｌｉｔｐｍ口Ｈ　ｒ　一一／．＼　一一　卜　一一　｝＾．　（ａ）一阶　（ｂ）二阶　（ｔ、）二＝三阶　图５杆身厚度为１４０　ｍｍ屈曲分析　——一　——一　卜　（ａ）一阶　（ｂ）二阶　（ｒ）ｊ阶　图６杆身厚度为１８０　ｍｍ屈曲分析　中得到杆身厚度对临界载荷及变形量的影响效果。　通过对杆身厚度为１４０　ｒｎｍ和１８Ｏ　ｍｍ的尺寸进行屈　连杆最大变形量区别不大。考虑到杆身尺寸加大　将带来转动惯性力变大、制造成本增加等因素，　曲分析，得到了不同杆身参数下对应的屈曲变形　云图（图５－６）。其最大变形位置、临界载荷及变　形量对比结果如表３所列。　故选取备选尺寸参数中的较小值，即杆身厚度尺　寸为１４０　ｍｍ。　参考文献：　［１】　Ｍ．Ｎ．１ｌｍａｎ，Ｒ．Ａ．Ｂａｆｚｙ．Ｆａｉｌｕｒｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　Ｆａｔｉｇｕｅ　Ｐｅｒ＿＿　ｆｏｒｍａｎｃｅ　Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　Ｆａｉｌｅｄ　Ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ　ｒｏｄ　ｏｆ　Ｒｅｃｉｐ—　可见，随着连杆厚度参数的增加，抗屈曲能　力显著增强。杆身尺寸由１４０　ｍｍ增加到１８０　ｍｍ　后，其变形量变化并不大，连杆处于相对稳定的　状态。然而连杆厚度尺寸的增加必将带来连杆质　量的增加，这不但增加了运转过程中的惯性力还　提高了装置的制造成本，故在满足动态特性的基　础上应优先选择较低的厚度尺寸参数。　ｒｏｃａｔｉｎｇ　Ａｉｒ　Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ【Ｊ】．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｆａｉｌｕｒｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ，　２０１５（５６）：１４２—１４９．　ｆ２】Ｘｉａｎｇｈｕｉ　Ｍｅｎｇ，Ｙｏｕｂａｉ　Ｘｉｅ．Ａ　Ｎｅｗ　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｆｏｒ　Ｐｉｓｔｏｎ　Ｓｋｉｒｔ－ｌｉｎｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ　Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　Ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ　Ｒｏｄ　Ｉｎｅｒｔｉａ【Ｊ１．Ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，２０１２　（４７）：２３５—２４３．　４结论　通过对某大型４列往复压缩机连杆进行屈曲分　析，得出以下结论：　（１）通过对压缩机连杆在不同尺寸参数下的　屈曲分析结果研究得出，连杆最大变形均发生在　小头瓦一端，原设计尺寸下变形量较大，达到　１０　ｍｍ。当加大杆身尺寸值后，连杆抗屈曲能力明　【３】马瑞红，刘守信，王刚．１５００　ｋＮ大型往复压缩机连杆有　限元分析［Ｊ］．压缩机技术，２０１６，ｌ：２２—２６．　【４】吴文伟，汤毓红，王金红．制氢加氢联合装置氢气压缩机　连杆断裂故障分析［Ｊ］．化工装备技术，２０１５，２：５８—６１．　［５１　Ｐ．Ｃｈａｒｌｅｓ，Ｊｙｏｔｉ　Ｋ．Ｓｉｎｈａ，Ｆ．Ｇｕｂ，ｅｔ　ａ１．Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｃｒａｎ—　ｋｓｈａｆｔ　Ｔｏｒｓｉｏｎａｌ　Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｄｉｅｓｅｌ　Ｅｎｇｉｎｅｓ　ｆｏｒ　Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　Ｒｅｌａｔｅｄ　Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ『Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｏｕｎｄ　ａｎｄ　Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ，２００９，（３２１）：ｌ１７ｌ—ｌｌ８５．　显增强，当杆身厚度增加至１４０～１８０　ｍｍ之间时，　最大变形量可以降低到１　ｍｍ左有，连杆具有更好　的抗压能力。　【６】程明．基于振动测试的往复式压缩机的故障诊断【ＪＪ．现代　机械，２０１０，６：８９—９０．　（２）对不同杆身厚度下的连杆进行屈曲分析　作者介绍：李艳玲（１９６５一），女，高级工程师，现在沈阳鼓风机集团有　限公司从事压缩机研究工作。　对比，发现当杆身厚度增加至１４０～１８０　ｍｍ之间时，　囊２０１８年Ｏ３期（总第２６９期）