CN112069624B - 储气库往复式压缩机活塞杆过渡圆角仿真优化方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种储气库往复式压缩机活塞杆过渡圆角仿真优化方法，包括通过三维建模软件中建立或修改活塞及活塞杆基础三维模型；通过有限元分析软件设定活塞及活塞杆材料，进行网格划分和边界条件设置；对活塞杆基础模型进行结构静力学分析、疲劳分析和热分析，得出活塞杆易断裂处的不同过渡圆角半径的最大拉力、压力应力值、最小安全系数及应力分布云图；对活塞杆模型进行修改，对比各条件下的应力分布云图和安全系数，以应力均匀的模型作为最终优化结果。本申请在建立或修改三维模型时，保留模型的圆角倒角，提高了仿真模型的精度；本发明方法中对活塞杆的材料、结构和约束条件进行优化设计，方便进一步加工和安装操作。
Description
技术领域
本申请涉及一种储气库往复式压缩机活塞杆过渡圆角仿真优化方法。
背景技术
地下储气库中使用的往复式压缩机的工况有自身的特点，压缩机出口压力随着注气的进行大幅变化；压缩机入口压力随着系统的管网压力变化；压缩机的排气量随着上游来气量大幅变化。这种动态连续变化的运行工况，对储气库压缩机的可靠性提出了极大挑战，在运行过程中活塞杆出现各种故障的概率增高，给储气库安全平稳运行带了严重威胁。往复式压缩机活塞杆一旦失效，则会造成生产停机，延误正常作业，造成资源浪费和环境问题。
活塞杆的主要失效形式是断裂，活塞杆断裂一般是在螺纹连接部位出现疲劳断裂，在工作过程中产生裂纹后经疲劳扩展导致活塞杆断裂（图1），活塞杆在往复运动过程中承受压缩介质气体力和往复部件的往复惯性力引起的剧烈变载冲击及振动等复杂工作载荷。通过对活塞杆进行力学分析，得到活塞杆在不同工况下的载荷变化特征，计算出活塞杆的疲劳寿命，分析和识别出对活塞杆寿命影响较大的危险运行工况，通过对运行工况的合理化规划和优化，为预防活塞杆失效提供有效的报警参数及运行工况阈值建议，是保证压缩机安全可靠运行的一种有效方法。
发明内容
本申请提供了一种提高活塞杆的疲劳寿命的储气库往复式压缩机活塞杆过渡圆角仿真优化方法。
本申请的目的是这样实现的：储气库往复式压缩机活塞杆过渡圆角仿真优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、在三维建模软件中建立或修改往复式压缩机活塞及活塞杆基础三维模型；
步骤2、通过有限元分析软件设定活塞及活塞杆材料，进行网格划分和边界条件设置；
步骤3、对活塞杆基础模型进行结构静力学分析、疲劳分析和热分析，得出活塞杆易断裂处的过渡圆角半径为1.5mm、3mm、4.5mm时最大拉力、压力应力值、最小安全系数及应力分布云图，观察应力分布集中情况；
步骤4、对活塞杆模型进行修改，主要修改活塞杆的结构、材料和约束条件参数，重复步骤2、3操作；
步骤5、对比各条件下的应力分布云图和安全系数，以应力均匀的模型作为最终优化结果。
本申请在建立或修改三维模型时，保留模型的圆角倒角，提高了仿真模型的精度，进而提高了仿真的效率与准确性；通过该方法进行活塞杆优化，节省了时间，避免了资金、人力的浪费；本发明方法中对活塞杆的材料、结构和约束条件进行优化设计，方便进一步加工和安装操作。
附图说明
本申请的具体结构由以下的附图和实施例给出：
附图1是活塞杆断裂位置示意图；
附图2是活塞杆结构-轴肩过渡圆角半径取值示意图；
附图3是施加预紧力及其他约束示意图；
附图4是本发明的流程框图；
附图5是渡圆角半径为 1.5mm时最大拉力应力分布云图；
附图6是渡圆角半径为1.5mm时最大压力应力分布云图；
附图7是渡圆角半径为3mm时活塞杆应力分布云图；
附图8是渡圆角半径为4.5mm时最大拉力应力分布云图；
附图9是渡圆角半径为4.5mm时最大压力应力分布云图。
具体实施方式
本申请不受下述实施例的限制，可根据本申请的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。
在本申请中，为了便于描述，各部件的相对位置关系的描述均是根据说明书附图的布图方式来进行描述的，如：上、下、左、右等的位置关系是依据说明书附图1的布图方向来确定的。
下面结合实施例及附图对本申请作进一步描述，实施例：如图4所示，储气库往复式压缩机活塞杆仿真优化方法包括以下步骤：
步骤一:如图1、2所示，在压缩机活塞杆模型建立过程中，通过实地考察，获得压缩机活塞杆的尺寸和材料，活塞杆总长1391.5mm，其中易断裂处的尺寸为：过渡圆角半径为1.5mm，轴肩直径为82.06mm，盖侧螺纹右侧小径直径为51mm。通过三维建模软件建立压缩机活塞杆模型，严格按照实际尺寸，保证模型的精度，进而提高仿真的效率和准确性；
步骤二：将压缩机活塞杆模型导入有限元分析软件（Ansys workbench）中，设置活塞杆材料为42CrMo，活塞材料选取灰铸铁，两种材料的物理性能如下表1所示。
表1两种材料的物理性能
| 材料 | 密度(kg/m3) | 屈服强度(MPa) | 抗拉极限强度(MPa) | 弹性模量(MPa) | 泊松比 | 导热系数(W/(m2·℃)) |
| 灰铸铁 | 7200 | / | 240 | 110000 | 0.28 | 52 |
| 42CrMo | 7850 | 950 | 1100 | 211000 | 0.28 | 62 |
进一步地，通过有限元分析软件对压缩机活塞杆模型进行网格划分，并针对活塞杆易断裂处的过渡圆角处和轴肩处进行加密以提高计算精度；加密是指加大活塞杆易断裂处的过渡圆角处和轴肩处的网格密度。
进一步地，通过有限元分析软件设置边界条件：边界条件包括活塞杆与活塞连接端接活塞杆易断裂处的温度、压力、摩擦系数等条件，还包括在活塞螺母与活塞杆的螺纹连接中，需要施加的预紧力。
由于对使用的液压拉伸器的结构以及作用活塞面积不了解，所以选用通过螺栓扭矩来计算预紧力的方法。在压缩机活塞杆模型中，必须将预紧力施加在一个圆周面上，施加的面如图3中标识，该圆周面直径为51mm。在螺栓扭矩表中选取M52的数据，材料为AISI4140，摩擦系数为0.2，对应的扭矩为6143Nm。
预紧力计算公式如下：M力矩=d直径×F×0.2；直径d直径为51mm，力矩M力矩为6143Nm，计算的力F为602kN，选取70%～80%的力F作为预紧力，即在范围422kN～482kN里，选取444kN作为预紧力。
步骤三、对活塞杆易断裂处进行结构静力学分析、疲劳分析和热分析：得出活塞杆易断裂处的过渡圆角半径为1.5mm、3mm、4.5mm时最大拉力、压力应力值（表2），最小安全系数值（表3）和应力分布云图，附图5、6、7、8、9。
预紧应力一般达到活塞杆屈服极限的50%-70%，以步骤一中压缩机活塞杆模型为例，预紧应力范围一般为475MPa-665MPa。
表2不同过渡圆角半径的最大应力值
| 工况 | 最大拉力应力 | 最大压力应力 |
| R1.5最大应力(MPa) | 872.46 | 881.40 |
| R3最大应力(MPa) | 661.32 | 648.31 |
| R4.5最大应力(MPa) | 567.01 | 543.68 |
表3不同过渡圆角半径的安全系数
| 工况 | 安全系数 |
| R1.5 | 1.2381 |
| R3 | 1.6372 |
| R4.5 | 1.8783 |
步骤四、修改活塞杆的结构：修改活塞杆上过渡圆角的半径，每次只变动活塞杆易断裂处的过渡圆角半径，同时修改活塞杆材料和约束条件等，约束条件的修改包括对于预紧力的调整，预紧力的修改遵循每次降低5%的原则，随后重复步骤二、三，得到若干不同条件下的应力分布云图和安全系数。
步骤五：对比各条件下的应力分布云图和安全系数，选择应力分布均匀的模型和安全系数较大时的预紧力作为最优解。
本申请通过上述仿真优化方法，对轴肩处过渡圆角的半径和预紧力的选取进行了初步计算，结果显示，过渡圆角的半径在4.5mm时可有效的缓解过渡圆角处的应力集中现象，提高最小安全系数；预紧力缩小20%时，安全系数相对提高了23%以上，大大增加了活塞杆的疲劳强度。即通过本申请能够方便、快捷地得到往复式压缩机活塞杆优化设计与安装的最优解，得到最优的活塞杆结构与材料和最优的安装约束力，避免了盲目设计安装，使压缩机在实际运行时能够有效地降低应力集中现象，并提高最小安全系数和整个机组的耐久性。
上述说明仅仅是为清楚地说明本申请所作的举例，而并非是对本申请的实施方式的限定。凡是属于本申请的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本申请的保护范围之列。
Claims (6)
1.一种储气库往复式压缩机活塞杆过渡圆角仿真优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、在三维建模软件中建立或修改往复式压缩机活塞及活塞杆基础三维模型；
步骤2、通过有限元分析软件设定活塞及活塞杆材料，进行网格划分和边界条件设置；边界条件包括活塞杆与活塞连接端接活塞杆易断裂处的温度、压力、摩擦系数条件，还包括在活塞螺母与活塞杆的螺纹连接中，需要施加的预紧力；
步骤3、对活塞杆基础模型进行结构静力学分析、疲劳分析和热分析，得出活塞杆易断裂处的过渡圆角半径为1.5mm、3mm、4.5mm时最大拉力、压力应力值、最小安全系数及应力分布云图，观察应力分布集中情况；
步骤4、对活塞杆模型进行修改，主要修改活塞杆的结构、材料和约束条件参数，约束条件参数的修改包括对于预紧力的调整，重复步骤2、3操作；
步骤5、对比各条件下的应力分布云图和安全系数，以应力均匀的模型作为最终优化结果。
2.根据权利要求1所述的储气库往复式压缩机活塞杆过渡圆角仿真优化方法，其特征在于：步骤2中，设置活塞杆材料为42CrMo，活塞材料选取灰铸铁。
3.根据权利要求1或2所述的储气库往复式压缩机活塞杆过渡圆角仿真优化方法，其特征在于：步骤2中，通过有限元分析软件对压缩机活塞杆模型进行网格划分，并针对活塞杆易断裂处的过渡圆角处和轴肩处进行加密以提高计算精度。
4.根据权利要求1所述的储气库往复式压缩机活塞杆过渡圆角仿真优化方法，其特征在于：压力应力值达到活塞杆屈服极限的50%-70%。
5.根据权利要求1或2所述的储气库往复式压缩机活塞杆过渡圆角仿真优化方法，其特征在于：步骤4中，预紧力的修改遵循每次降低5%的原则。
6.根据权利要求1或2所述的储气库往复式压缩机活塞杆过渡圆角仿真优化方法，其特征在于：步骤4中，修改活塞杆的结构包括修改活塞杆上过渡圆角的半径，每次只变动活塞杆易断裂处的过渡圆角半径。
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