CN108647460A - 迷宫往复压缩机弹性联接曲轴的参数化设计方法 - Google Patents

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汤赫男
孟宪松
王世杰
赵晶
乔景慧
刘设
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Abstract

一种迷宫往复压缩机弹性联接曲轴的参数化设计方法，其特征在于：利用参数转换进行迷宫往复压缩机弹性联接曲轴的参数化设计，通过确定扭转变形计算中的扭转角，得到曲轴材料的弹性模量E，泊松比δ与剪切弹性模量G之间的关系，获得曲轴系等效模型，再通过调整材料的E、δ来等效计算联轴器的扭转刚度；本方法属于迷宫往复压缩机曲轴的计算机辅助设计。具有求解效率高，计算结果准确等特点。

Description

迷宫往复压缩机弹性联接曲轴的参数化设计方法
技术领域：
本发明公开了一种迷宫往复压缩机采用膜片连轴器的曲轴设计方法，迷宫往复压缩机弹性联接曲轴的参数化设计方法。本发明属于迷宫往复压缩机曲轴的计算机辅助分析领域。
背景技术：
一般往复式压缩机曲轴与电机通常采用的是刚性联轴器(建模时可作为刚性连接)，现有压缩机设计计算机辅助设计软件都是基于刚性曲轴进行计算分析的。而立式迷宫压缩机采用的是膜片式联轴器(建模时应作为弹性连接)，其弹性联接曲轴的固有特性与刚性联接相差较大，如采用计算机软件辅助设计，会造成很大设计误差。对于采用膜片联轴器的曲轴系，本发明利用等效转化方法实现曲轴弹性模型的参数化设计方法，无需构建有限元弹性模型，直接通过参数转化进行计算机软件辅助设计。
大型往复压缩机曲轴同时受到电机动力输入端和气缸压力端的周期性冲击载荷，承受弯矩和扭矩等联合作用力，以及往复惯性力和旋转惯性力，在菲线性载荷的循环作用下，曲轴容易发生多种失效形式，可能产生烧瓦、轴颈损伤、共振断裂等现象。以往在考虑曲轴失效原因，主要考虑曲轴的材料、结构设计、可靠性和承受载荷能力等方面。迷宫往复式压缩机采用的是非接触、无油润滑的密封形式，要求曲轴具有较高的运转平稳性，从而保证迷宫密封系统的精确对中性，尤其是曲轴扭振分析至关重要。
专利申请号：201410380388.2，名称为“发动机曲轴系统扭振分析方法”，此发明的分析方法在发动机设计过程中通过对曲轴系统扭振进行分析计算，可快速确认发动机在各种运转工况下曲轴系统的扭振情况，再通过参数优化，可实现曲轴系统的优化设计，此方法是针对刚性联接曲轴的扭振分析参数化设计方法，无法进行弹性联接曲轴系的参数化计算。
专利申请号：201110142699.1，名称为“基于曲轴振动信号的活塞组件油膜力测试方法及系统”。其过程为：考虑了活塞—轴系各部件的润滑力学和动力学特性的强耦合性，并且使用了新的二维混合润滑模型，从而增强了油膜力在线预测的可操作性，同时可准确获取内燃机活塞组件二维油膜力(周向和轴向)，解决了传统方法获取内燃机活塞组件油膜力的准确性低的难题。此专利是利用振动信号进行活塞组件油膜力分析的测试方法，不属于参数化设计方法。
专利申请号：201310309011.3，名称为“往复式压缩机曲轴可靠性优化设计方法”，此方法为利用有限元软件进行建模，通过模拟分析进行数值分析得到应力分布和固有振型等结果。属于有限元软件模拟分析领域，计算工作量较大。
以上发明中，没有关于迷宫往复式压缩机曲轴系弹性联接的参数化设计，本发明将填补曲轴系弹性联接参数化设计的空白，实现高效，准确的参数化设计手段。
发明内容：
发明目的：
本发明的目的就在于解决现有曲轴参数化设计不完善的问题，针对现有计算机辅助设计中只能对刚性联接的曲轴进行设计，发明一种利用参数转化得到的弹性曲轴参数化设计方法。
技术方案：
一种迷宫往复压缩机弹性联接曲轴的参数化设计方法，其特征在于：利用参数转换进行迷宫往复压缩机弹性联接曲轴的参数化设计，通过确定扭转变形计算中的扭转角，得到曲轴材料的弹性模量E，泊松比δ与剪切弹性模量G之间的关系，获得曲轴系等效模型，再通过调整材料的E、δ来等效计算联轴器的扭转刚度；本方法属于迷宫往复压缩机曲轴的计算机辅助设计。具有求解效率高，计算结果准确等特点。
本发明给出的技术方案：
扭转变形计算中，扭转角为圆轴扭转时两截面相对转过的角度
其中，惯性矩
T—扭转力矩，单位N·m；
l—等效圆柱的长度，单位m；
d—等效圆柱直径。
曲轴材料的弹性模量E，泊松比δ，剪切弹性模量G之间的关系为
另根据扭转刚度的定义
T＝Kφ (4)
K—膜片联轴器的扭转刚度，单位N·m/rad。
利用上述关系，可以获得等效模型为f(l,d,E,δ,K)＝0，即在确定几何参数l、d的情况下，通过调整材料的E、δ来等效计算联轴器的扭转刚度。
迭代参数为ξ＝0.000001。
该优化方法对优化参数进行迭代计算求解，最终得到迷宫密封多参数耦合优化结果。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)针对现有计算机辅助设计中只能对刚性联接的曲轴进行设计，发明一种参数转化参数化设计方法。本方法利用弹性联接曲轴参数的等效转换，得到弹性联接曲轴系的准确固有特性。
(2)本方法等效转换的参数直接应用于压缩机曲轴计算机辅助设计，可以实现迷宫往复压缩机曲轴扭振分析和参数化设计。
(3)通过将此方法的参数化设计结果与有限元弹性建模模拟分析结果的对比，验证了本发明中参数转换参数化设计方法的准确性和有效性。本方法能有效应用于弹性联接曲轴参数化设计。
(4)本方法节省计算资源，求解速度比有限元建模分析具有明显的效率优势。
计算结果与迷宫往复压缩机设计要求进行对比，从而完成迷宫往复压缩机弹性联接曲轴的参数化设计。
附图说明：
图1弹性联接曲轴参数化设计流程图；
图2迷宫往复压缩机曲轴系结构简图(用于验证发明方法)；
图3迷宫往复压缩机曲轴系有限元模型(用于验证发明方法)；
图3中：其中：1-4.为第1到4列曲柄销；5.膜片联轴器；6.电机转子等转动惯量质量盘；7.电机轴。
具体实施方式：
下面对本发明做具体说明：
一种迷宫往复压缩机弹性联接曲轴的参数化设计方法，利用参数转换进行迷宫往复压缩机弹性联接曲轴的参数化设计，通过确定扭转变形计算中的扭转角，得到曲轴材料的弹性模量E，泊松比δ与剪切弹性模量G之间的关系，获得曲轴系等效模型，再通过调整材料的E、δ来等效计算联轴器的扭转刚度。本方法属于迷宫往复压缩机曲轴的计算机辅助设计，具有求解效率高，计算结果准确等特点。
通过确定扭转变形计算中的扭转角，扭转角为圆轴扭转时两截面相对转过的角度：
其中，惯性矩：
T—扭转力矩，单位N·m；
l—等效圆柱的长度，单位m；
d—等效圆柱直径。曲轴材料的弹性模量E，泊松比δ，剪切弹性模量G之间的关系为
另根据扭转刚度的定义
T＝Kφ (4)
K—膜片联轴器的扭转刚度，单位N·m/rad。
利用上述关系，获得等效模型为f(l,d,E,δ,K)＝0，即在确定几何参数L、d的情况下，通过调整材料的E、δ来等效计算联轴器的扭转刚度。
计算结果与迷宫往复压缩机设计要求进行对比，从而完成迷宫往复压缩机弹性联接曲轴的参数化设计。
(1)确定扭转变形中扭转角，扭转角φ为圆轴扭转时两截面相对转过的角度：
(2)计算曲轴惯性矩
(3)利用曲轴材料的弹性模量E，泊松比δ，确定剪切弹性模量G之间的关系：
(4)利用上述关系，可以获得等效模型为f(l,d,E,δ,K)＝0，即在确定几何参数L、d的情况下，通过调整材料的E、δ来等效计算联轴器的扭转刚度。
(5)利用(1)-(4)中各参数的关系，在曲轴计算机辅助设计软件中即可进行参数化设计。

Claims (4)

1.一种迷宫往复压缩机弹性联接曲轴的参数化设计方法，其特征在于：利用参数转换进行迷宫往复压缩机弹性联接曲轴的参数化设计，通过确定扭转变形计算中的扭转角，得到曲轴材料的弹性模量E，泊松比δ与剪切弹性模量G之间的关系，获得曲轴系等效模型，再通过调整材料的E、δ来等效计算联轴器的扭转刚度；本方法属于迷宫往复压缩机曲轴的计算机辅助设计。
2.根据权利要求1所述的迷宫往复压缩机弹性联接曲轴的参数化设计方法，其特征在于：
通过确定扭转变形计算中的扭转角，扭转角为圆轴扭转时两截面相对转过的角度：
其中，惯性矩：
T—扭转力矩，单位N·m；
l—等效圆柱的长度，单位m；
d—等效圆柱直径。
3.根据权利要求2所述的迷宫往复压缩机弹性联接曲轴的参数化设计方法，其特征在于：
曲轴材料的弹性模量E，泊松比δ，剪切弹性模量G之间的关系为
另根据扭转刚度的定义
K—膜片联轴器的扭转刚度，单位N·m/rad；
利用上述关系，获得等效模型为f(l,d,E,δ,K)＝0，即在确定几何参数l、d的情况下，通过调整材料的E、δ来等效计算联轴器的扭转刚度。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的迷宫往复压缩机弹性联接曲轴的参数化设计方法，其特征在于：计算结果与迷宫往复压缩机设计要求进行对比，从而完成迷宫往复压缩机弹性联接曲轴的参数化设计。
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