CN114254458A - 一种往复式压缩机叠片联轴器的设计方法 - Google Patents

一种往复式压缩机叠片联轴器的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明专利公开了一种压缩机叠片联轴器的设计方法，所述的压缩机叠片联轴器包括曲轴侧安装盘、内六角螺栓、曲轴侧锁紧套、电机侧安装盘、开孔叠片、未开孔叠片、间隔套、六角螺钉、电机侧锁紧盘；所述的设计方法主要包括如下步骤：S1、根据曲轴系的结构参数确定固有频率ω；S2、建立叠片联轴器结构参数的多目标优化模型，确定曲轴侧安装盘厚度h1和直径d以及间隔套厚度h2；本发明根据曲轴系的结构参数以及工况条件，给出一种压缩机叠片联轴器的设计方法，在调整轴系固有频率避免发生轴系共振现象的同时，降低联轴器的振动速度，从而最大程度的降低轴系的扭振现象，保证压缩机的安全运行。

Description

一种往复式压缩机叠片联轴器的设计方法
技术领域
本发明涉及一种往复式压缩机叠片联轴器的设计方法，属于压缩机振动控制技术领域。
背景技术
往复式压缩机具有工作压力区间大，效率高等优点，被视为油气开采运输的重要装备，但在开采过程中，曲轴各列承受不同大小的扭转力矩，加之曲轴属于弹性体，使得曲轴系不可避免的发生扭转现象，尤其是页岩气开采过程中，压缩机需要满足多井次，变井况等复杂增压工况，使得压缩机受力情况更加复杂，扭转现象更加突出，若此时曲轴系固有频率与外界激励频率重合时，会导致曲轴系扭振现象的产生，而叠片联轴器结构简单，易于调整，可以作为改变调整曲轴系固有频率以及减小振动速度的重要手段。
叠片联轴器各参数之间相互制约，关系复杂，因此传统的设计方法，只以改变轴系的固有频率，避免轴系的共振现象为目标，并未兼顾轴系的振动速度，从而提高轴系的抗扭性能，同时当压缩机应用于不同工况时，传统的设计方法并不能快速的对联轴器结构做出精确的调整以满足曲轴的动态平衡，这可能带来烧瓦和断轴现象，进而引发安全事故。
发明内容
本发明针对曲轴系扭振问题，提供了一种往复式压缩机叠片联轴器的设计方法。该方法根据联轴器质量和刚度的变化从而影响轴系的固有频率和振动速度，通过调节曲轴侧安装盘的厚度和半径来改变曲轴系的质量从而改变轴系的固有频率，通过调节间隔套的厚度来改变轴系的刚度从而改变轴系的固有频率，同时兼顾联轴器的振动速度，尽可能的提升轴系的抗扭性能，本发明对涉及的曲轴侧安装盘厚度h1和直径d以及间隔套的厚度h2进行设计。
本发明所采用的技术方法是：
一种往复式压缩机叠片联轴器的设计方法，所述的叠片联轴器，主要包括曲轴侧安装盘(1)、内六角螺栓(2)、曲轴侧锁紧套(3)、电机侧安装盘(4)、开孔叠片(9)、未开孔叠片(5)、间隔套(6)、六角螺钉(7)、电机侧锁紧盘(8)；该结构的曲轴侧安装盘(1)和曲轴侧锁紧套(3)通过六角螺钉(7)固联；开孔叠片(9)通过内六角螺栓(2)和曲轴侧安装盘(1)以及间隔套(6)固联；未开孔叠片(5)通过内六角螺栓(2)和电机侧安装盘(4)以及间隔套(6)固联；电机侧锁紧盘(8)和电机侧安装盘(4)通过六角螺钉(7)固联。所述一种往复式压缩机叠片联轴器的设计方法包括：确定曲轴侧安装盘(1)的厚度和半径、间隔套(6)的厚度；通过增减圆盘轴向加厚块(11)改变曲轴侧安装盘(1)的厚度；通过增减圆环径向加厚块(15)改变曲轴侧安装盘(1)的直径；通过添加间隔套加厚块(17)改变间隔套的厚度，具体包括以下步骤：
S1.根据往复式压缩机轴系结构参数确定固有频率ω；
建立曲轴有阻尼扭转振动方程：
Figure BDA0003411410990000021
式中，[J]为轴系的转动惯量，[C]为轴系的阻尼矩阵，[K]为轴系的刚度矩阵，[T]为外部激励矩阵，x为轴系的位移矩阵；
利用有限元软件求解上述扭转振动方程，得到轴系的固有频率以及联轴器的振动速度；
S2.建立联轴器结构参数与轴系固有频率以及联轴器振动速度的优化模型，确定曲轴侧安装盘(1)厚度h1和直径d以及间隔套(6)厚度h2，使轴系扭转固有频率在满足相应规范下，减小联轴器的振动速度；
S3.叠片联轴器结构优化设计问题的多目标函数，由如下公式确定：
Figure BDA0003411410990000022
式中，y＝{h1,d,h2}表示曲轴侧安装盘(1)厚度和直径以及间隔套(6)厚度这三个设计变量的向量，R表示三个设计变量的可行域，z表示轴系固有频率和联轴器振动速度归一化后的函数和，f1(y)为轴系固有频率，f2(y)为联轴器振动速度；
在目标函数向量，f1(y)由如下公式确定：
Figure BDA0003411410990000023
在目标函数向量，f2(y)由如下公式确定：
Figure BDA0003411410990000024
S4.叠片联轴器结构优化设计问题的约束条件，由如下公式确定：
曲轴侧安装盘(1)厚度h1约束：
Figure BDA0003411410990000025
式中，
Figure BDA0003411410990000026
为工况允许下曲轴侧安装盘(1)的最小厚度，h1为设计变量，h1max为工况允许下曲轴侧安装盘(1)的最大厚度；
曲轴侧安装盘(1)直径d约束：
d1+L≤d≤dmax (6)
式中，d1为内六角螺栓(2)的直径，L为内六角螺栓(2)的中心距，d为设计变量，dmax为工况允许下曲轴侧安装盘(1)的最大直径；
间隔套(6)厚度h2约束：
Figure BDA0003411410990000031
式中，
Figure BDA0003411410990000032
为工况允许下间隔套(6)的最小厚度，h2为设计变量，D为电机轴直径；
S5.联立式(2)至式(8)，对叠片联轴器的结构优化模型进行求解，得到设计变量曲轴侧安装盘(1)的厚度h1和直径d，间隔套(6)厚度h2的值。
进一步地，所述设计方法还包括对凸台轴向加厚块以及圆盘轴向加厚块的设计：
凸台轴向加厚块的凸起处与曲轴侧安装盘相互配合，同时凸台轴向加厚块和圆盘轴向加厚块设置4个均布的螺栓孔用于曲轴侧安装盘进行固联，最后用圆盘轴向加厚块对曲轴侧安装盘的厚度进行调节，且不同的圆盘加厚块具有不同的厚度。
进一步地，所述设计方法还包括对圆环径向加厚块的设计：
圆环径向加厚块均布4个与曲轴侧安装盘直径相同的螺纹孔，可利用内六角螺栓将圆环径向加厚块与曲轴安装盘固联，且不同的圆环径向加厚块具有不同的厚度。
更进一步地，所述设计方法还包括对间隔套加厚块的设计：
间隔套加厚块均布4个与间隔套相同的螺纹孔，可利用内六角螺栓将间隔套与间隔套加厚块进行固联，且不同的间隔套加厚块具有不同的厚度。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下优点：
1、本发明专利提出的一种往复式压缩机的设计方法，实施方式简单，可以快速通过增添轴向加厚块、径向加厚块和间隔套厚度来调节轴系的固有频率和振动速度，来适应不同的井况，保持曲轴系的动平衡状态。
2、本发明专利提出的一种往复式压缩机的设计方法，不仅以轴系的固有频率为优化目标，同时兼顾了轴系的振动速度，使得所设计的联轴器结构参数更加合理，最大程度的提升了曲轴系的抗扭性能。
附图说明
图1为本发明实施联轴器结构示意图；
图2为本发明实施叠片联轴器几何映射关系图；
图3为本发明实施飞轮盘轴向加厚示意图；
图4为本发明实施飞轮盘径向加厚示意图；
图5为本发明实施间隔套径向加厚示意图；
图6为本发明实施联轴器联合调控固有频率及振动速度示意图；
图中：1.曲轴侧安装盘，2.内六角螺栓，3.曲轴侧锁紧套，4.电机侧安装盘，5.未开孔叠片，6.间隔套，7.六角头螺钉，8.电机侧锁紧盘，9.开孔叠片，10.凸台轴向加厚块，11.圆盘轴向加厚块，12.圆盘轴向加厚块-1，13.六角头螺栓，14.六角头螺母，15.径向加厚块，16.径向加厚块-1，17.间隔套加厚块，18.间隔套加厚块-1，19.间隔套加厚块-2。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
首先对本发明提供的设计方法做进一步的说明：
S1.依据曲轴系结构参数、外界激励以及工况条件建立其扭振动力学模型，通过有限元法得到轴系的固有频率以及振动速度；
S2.确定联轴器设计变量的变化范围，如曲轴侧安装盘1厚度h1和直径d，以及间隔套6厚度h2的变化范围；
S3.根据联轴器设计变量的变化范围，建立联轴器设计变量的三因素三水平集合，并利用Box Behnken试验设计方法，对设计变量的三因素三水平集合进行抽样，得到不同设计变量所对应的固有频率以及振动速度，最后通过二次非线性回归方程分别拟合联轴器结构参数与曲轴系固有频率以及振动速度的关系式；
S4.确定以曲轴侧安装盘1厚度，曲轴安装盘厚度h1和直径d以及间隔套6厚度h2为优化变量，曲轴系固有频率和振动速度为优化目标，建立联轴器结构参数的多目标优化模型。若压缩机所处的井况发生变化，即曲轴系所受的外界激励和工况条件发生了变化，此时只需要重复步骤S1-S4，即可重新建立联轴器结构参数的多目标优化模型，得到适用于不同井况的联轴器结构，从而确保了曲轴系的抗扭性能。
其次对本发明提供的联轴器结构调整方式做进一步的说明：
联轴器结构改变从而对轴系固有频率及振动速度的调节可分为以下4种：
(1)当安装空间有限时，可选择改变曲轴侧安装盘1的厚度h1，如图1所示，首先根据联轴器多目标模型所得的结果，确定曲轴侧安装盘1的厚度h1后，将凸台轴向加厚块11的凸起处与曲轴侧安装盘1进行配合，若此时厚度等于设计厚度h1时，则利用六角头螺栓13和螺母14将两个部件进行固联，否则需要添加相应数量的圆盘轴向加厚块11，使曲轴侧安装盘1的厚度与设计厚度h1相等，再通过六角头螺栓13和螺母14将两个部件进行固联。
(2)当安装空间有限时，并且要求联轴器满足轻量化的要求时，可选择改变间隔套6的厚度h2，如图5所示，首先根据联轴器多目标模型所得的结果，确定间隔套6的厚度h2后，选择对应的间隔套加厚块17种类及数量，再通过内六角螺栓2将间隔套加厚块17与间隔套6进行固联。
(3)当安装空间没有要求时，可选择改变曲轴侧安装盘1的直径d，如图4所示，首先根据联轴器多目标模型所得的结果，确定曲轴侧安装盘1的直径d后，选择对应的径向加厚块15种类及数量，在通过内六角螺栓2将径向加厚块15与曲轴侧安装盘1进行固联。
(4)当需要更精确的对轴系固有频率及振动速度进行调节时，可选择同时改变曲轴侧安装盘1的厚度h1和直径d，以及间隔套6的厚度h2，如图6所示，首先根据联轴器多目标模型所得的结果，确定曲轴侧安装盘1的厚度h1和直径d，以及间隔套6的厚度h2的值，选择对应的凸台轴向加厚块种类及数量、对应的间隔套加厚块17种类及数量以及对应的径向加厚块15种类及数量，接着将其固联在相应的部件上。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种往复式压缩机叠片联轴器的设计方法，所述的叠片联轴器，主要包括曲轴侧安装盘(1)、内六角螺栓(2)、曲轴侧锁紧套(3)、电机侧安装盘(4)、开孔叠片(9)、未开孔叠片(5)、间隔套(6)、六角头螺钉(7)、电机侧锁紧盘(8)；该结构的曲轴侧安装盘(1)和曲轴侧锁紧套(3)通过六角头螺钉(7)固联；开孔叠片(9)通过内六角螺栓(2)和曲轴侧安装盘(1)以及间隔套(6)固联；未开孔叠片(5)通过内六角螺栓(2)和电机侧安装盘(4)以及间隔套(6)固联；电机侧锁紧盘(8)和电机侧安装盘(4)通过六角头螺钉(7)固联。所述一种往复式压缩机叠片联轴器的设计方法包括：确定曲轴侧安装盘(1)的厚度和半径、间隔套(6)的厚度；通过增减圆盘轴向加厚块(11)改变曲轴侧安装盘(1)的厚度；通过增减圆环径向加厚块(15)改变曲轴侧安装盘(1)的直径；通过添加间隔套加厚块(17)改变间隔套的厚度，具体包括以下步骤：S1.根据往复式压缩机轴系结构参数确定固有频率ω；
建立曲轴有阻尼扭转振动方程：
Figure FDA0003411410980000011
式中，[J]为轴系的转动惯量，[C]为轴系的阻尼矩阵，[K]为轴系的刚度矩阵，[T]为外部激励矩阵，x为轴系的位移矩阵；
利用有限元方法求解上述扭转振动方程，得到轴系的固有频率以及联轴器的振动速度；
S2.建立联轴器结构参数与轴系固有频率以及联轴器振动速度的优化模型，确定曲轴侧安装盘(1)厚度h1和直径d以及间隔套(6)厚度h2，使轴系扭转固有频率在满足相应规范下，减小联轴器的振动速度；
S3.叠片联轴器结构优化设计问题的多目标函数，由如下公式确定：
Figure FDA0003411410980000012
式中，y＝{h1,d,h2}表示曲轴侧安装盘(1)厚度和直径以及间隔套(6)厚度这三个设计变量的向量，R表示三个设计变量的可行域，z表示轴系固有频率和联轴器振动速度归一化后的函数和，f1(y)为轴系固有频率，f2(y)为联轴器振动速度；
在目标函数向量，f1(y)由如下公式确定：
Figure FDA0003411410980000013
在目标函数向量，f2(y)由如下公式确定：
Figure FDA0003411410980000021
S4.叠片联轴器结构优化设计问题的约束条件，由如下公式确定：
曲轴侧安装盘(1)厚度h1约束：
Figure FDA0003411410980000022
式中，
Figure FDA0003411410980000023
为工况允许下曲轴侧安装盘(1)的最小厚度，h1为设计变量，h1max为工况允许下曲轴侧安装盘(1)的最大厚度；
曲轴侧安装盘(1)直径d约束：
d1+L≤d≤dmax (6)
式中，d1为内六角螺栓(2)的直径，L为内六角螺栓(2)的中心距，d为设计变量，dmax为工况允许下曲轴侧安装盘(1)的最大直径；
间隔套(6)厚度h2约束：
Figure FDA0003411410980000024
式中，
Figure FDA0003411410980000025
为工况允许下间隔套(6)的最小厚度，h2为设计变量，D为电机轴直径；
S5.联立式(2)至式(8)，对叠片联轴器的结构优化模型进行求解，得到设计变量曲轴侧安装盘(1)的厚度h1和直径d，间隔套(6)厚度h2的值。
2.根据权利要求1所述的一种往复式压缩机叠片联轴器的设计方法，其特征在于，所述设计方法还包括对凸台轴向加厚块(10)以及圆盘轴向加厚块(11)的设计：凸台轴向加厚块(10)的凸起处与曲轴侧安装盘(1)相互配合，同时凸台轴向加厚块(10)和圆盘轴向加厚块(11)设置4个均布的螺栓孔用于曲轴侧安装盘(1)进行固联，最后用圆盘轴向加厚块(11)对曲轴侧安装盘(11)的厚度进行调节，且不同的圆盘加厚块(11)具有不同的厚度。
3.根据权利要求1所述的一种往复式压缩机叠片联轴器的设计方法，其特征在于，所述设计方法还包括对圆环径向加厚块(15)的设计：圆环径向加厚块(15)均布4个与曲轴侧安装盘(1)直径相同的螺纹孔，可利用内六角螺栓(2)将圆环径向加厚块与曲轴安装盘(1)固联，且不同的圆环径向加厚块(15)具有不同的厚度。
4.根据权利要求1所述的一种往复式压缩机叠片联轴器的设计方法，其特征在于，所述设计方法还包括对间隔套加厚块(17)的设计：间隔套加厚块(17)均布4个与间隔套(6)相同的螺纹孔，可利用内六角螺栓(2)将间隔套(6)与间隔套加厚块(17)进行固联，且不同的间隔套加厚块(17)具有不同的厚度。
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CN115182937A (zh) * 2022-07-18 2022-10-14 西南石油大学 一种用于曲轴振动控制的变刚度叠片联轴器

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