[发明专利]往复式压缩机曲轴可靠性优化设计方法

说明书

技术领域

本发明属于压缩机部件的结构优化设计领域，具体涉及一种利用SolidWorks软件建立往复式压缩机曲轴三维实体模型，并将建立的曲轴三维实体模型生成有限元模型，以完成曲轴强度分析与曲轴过渡圆角的往复式压缩机曲轴可靠性优化设计方法。

背景技术

曲轴是往复式压缩机的主要运动件，其尺寸参数和性能的优劣直接影响到压缩机的工作可靠性、寿命等性能。随着压缩机的发展和强化指标的不断提高，曲轴的工作条件更加苛刻，曲轴承受着气缸内的气体压力及往复和旋转质量惯性力引起的周期性变化的载荷，并受到输入扭矩的作用而产生扭转振动，因此在曲轴内产生交变的弯曲应力和扭转应力，很可能引起曲轴疲劳失效。每年国、内外发生的往复式压缩机与曲轴相关的安全事故也不在少数，轻则有机组停转导致企业停产，重则有爆炸、引起火灾等恶性安全事故，给企业造成严重的经济损失，甚至造成人员伤亡。

由于曲轴结构和受力的复杂性，传统力学方法往往很难展开对压缩机曲轴的分析，而随着电子计算机运算速度的不断提高，极大促进了与数值计算密切相关的有限元理论的发展，使得有限元分析技术迅速得到了广泛应用，这为快速有效地研究曲轴等复杂受力零件或机构提供了理论基础。随着有限元理论的发展，人们也越来越多的利用有限元法来进行曲轴的强度分析。在国内外的学术会议和刊物上也有一些曲轴三维有限元分析的文献，对有限元法在曲轴强度研究中的应用起到了推动作用，但这些工作也都存在一些不足之处，如：有的计算模型只考虑单一受载情况、忽略了扭矩和惯性力作用；有的只计算了单一曲拐、边条件处理太简化，没有考虑曲轴在实际工作过程中载荷的变化，更没有从整根曲轴分析的角度考虑各曲拐的相互影响，因而只能研究曲轴应力集中部位圆角附近的应力分布规律，不能计算那里的工作应力。对于压缩机曲轴，如何比较准确地得到应力、变形的大小及分布和曲轴的固有频率及振型，以进行有效的强度计算和模态分析，对指导压缩机曲轴的设计和优化改进，具有重要意义。

发明内容

本发明的目的为解决上述现有技术的不足，提供一种易于实现的往复式压缩机曲轴可靠性优化设计方法，以从实际上提升曲轴乃至整个压缩机的工作可靠性。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种往复式压缩机曲轴可靠性优化设计方法，包括以下步骤：

1）、通过曲轴及压缩机原始参数，在SolidWorks软件上建立曲轴的三维实体模型；

2）、在SolidWorks软件上对曲轴三维实体模型进行网格划分，生成有限元模型；

3）、根据曲轴在不同转角时的受力状态数据，获得在离散工况下的曲轴受力数值，通过有限元计算各离散工况下曲轴的应力应变分布；

4）、根据曲轴的各离散工况中的应力峰值，确定曲轴的危险工况和危险节点；

5）、获得危险节点于各离散工况下的应力数值；

6）、根据5）步骤中获得的应力数值，针对各危险节点进行疲劳强度校核，如强度不满足，返回至步骤1），重新进行曲轴结构及尺寸优化；如满足，即进入下一步骤；

7）、进行曲轴的有限元模态分析，获得该曲轴的固有振型和固有频率；判定其激振力频率和其固有频率间是否存在共振；如是，则返回至步骤1），重新进行曲轴结构及尺寸改变和优化，如否，即该曲轴的工作可靠性设计满足要求。

步骤3）中，离散工况下的曲轴受力数值，以曲轴的每10°转角为间隔获取。

步骤4）中，确定曲轴的危险工况后，利用SolidWorks软件获得曲轴在该危险工况下的静强度安全系数云图，判断曲轴的静强度是否满足设计和运行工况要求。

在步骤7）完成后，可进行曲轴在不同圆角结构、圆角尺寸参数和曲柄厚度下的应力水平计算，并建立数据对比表，获得曲轴的最优化圆角结构、圆角尺寸参数和曲柄厚度。

步骤2）中，曲轴三维实体模型上轴颈圆角处网格的单元长度小于曲轴其他区域网格的单元长度。

危险节点取自曲轴的各轴颈与曲柄的过渡圆角处。

步骤6）中，疲劳强度校核公式采用下式：