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浅析裂纹对往复压缩机曲轴模态的影响

2021-09-07 102 上传者：管理员

摘要：为了研究裂纹对往复压缩机曲轴的影响,分别对有裂纹曲轴和无裂纹曲轴进行了有限元分析,经仿真计算求得有无裂纹两种情况下的曲轴模态频率、变形和应力值,研究结果和研究方法可以为往复压缩机的故障诊断和在线状态监测提供参考。

关键词：
往复压缩机
曲轴
模态分析
裂纹
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曲轴是发动机、往复压缩机中的关键运动部件。在工作循环中受到交变力的作用下，是较难加工且易损坏的常见零件。文献[1]利用材料力学金相实验的方法分析了柴油机曲轴网状裂纹缺陷的成因。文献[2]运用ADAMS和ANSYS等软件分析了轴颈圆角处产生裂纹后的剩余寿命。文献[3]运用ADAMS软件工具，在考虑到裂纹深度和长短轴比两个因素影响下，建立了内燃机曲轴几何形状因子的表达式。文献[4]对比分析了曲轴含裂纹时往复压缩机十字头在旋转方向不同时对机体的作用规律。本文通过有限元仿真分析裂纹有无两种情况下曲轴的模态特性。

1、含裂纹的往复压缩机曲轴建模

以某型号的压缩机曲轴为研究对象并对其进行适当简化，采用CATIA软件进行建模，假设裂纹位于靠近动力输入一侧的曲柄中间位置上，如图1所示。

图1存在裂纹的曲轴示意图

2、仿真计算及结果分析

由于CATIA软件和ADAMS软件都集成于SIMDESIGNER软件，可以通过在SIMDESIGNER中定义曲轴的负载，将模型导入到SDStructuresWorkbench平台中进行模态分析，本文Elementtype选择为Parabolic。

曲柄宽度60mm，分别对曲轴无裂纹和曲轴裂纹长度为55mm两种情况仿真分析。曲轴无裂纹时的变形最大值为0.905mm，最大变形的位置位于曲轴的顶端，如图2所示，求得前四阶模态频率分别为710.361Hz（第一阶），1798.53Hz（第二阶），2154.81Hz（第三阶），2969.3Hz（第四阶），对应的平移位移量如图4所示，图中蓝色区域的代表的位移量最小，红色区域代表的位移量最大；对应的应力（VonMisesstress）图如图5所示，图中蓝色区域的代表的应力最小，红色区域代表的应力最大。

图3裂纹长度为55mm时的变形

2曲轴无裂纹时的变形图

曲轴裂纹长度为55mm时，变形最大值为0.873mm，位于曲轴的顶端，如图3所示，与无裂纹相比最大变形区域（红色区域）和最小变形区域（蓝色区域）都变小了，仿真变形图如3所示，求得前四阶模态频率分别为397.655Hz（第一阶），514.324Hz（第二阶），1351.59Hz（第三阶），1480.6Hz（第四阶），对应的平移位移量如图6所示，图中蓝色区域的代表的位移量最小，红色区域代表的位移量最大；对应的应力（VonMisesstress）图如图7所示，图中蓝色区域的代表的应力最小，红色区域代表的应力最大。

图4无裂纹时曲轴前四阶的平移位移量(translationaldisplacementmagnitude)

图5无裂纹时曲轴前四阶的应力图（VonMisesstress)

3、结束语

由于往复压缩机的曲轴在生产加工误差、装配误差、使用时的交变应力等因素的影响，裂纹成为曲轴故障的一种常见形式，故障特征不易于被发现，通过有限元方法对其进行模态分析后发现，出现裂纹后模态频率较无裂纹时有很大的减少，这是一个重要的故障特征，对往复压缩机的在线监测有一定的参考价值。

图6裂纹长度为55mm时曲轴前四阶的平移位移量(translationaldisplacementmagnitude)

图7裂纹长度为55mm时曲轴前四阶的应力图(VonMisesstress)

参考文献：

[1]刘耀辉，王云飞，魏彩丽，刘岩，冯银平.柴油机曲轴表面网状裂纹缺陷分析[J]热加工工艺，2019,48(16)174-176,180.

[2]陈波，肖祥，何畏，杨志勇，张自立.含裂纹曲轴动力学分析及裂纹扩展剩余寿命研究J.塑性工程学报，2016,23(04)154-159.

[3]何畏，肖祥，陈波，杨志勇，张自立.基于EQ4H型内燃机含裂纹曲轴的应力强度因子计算[J].机械强度，2016,38(02):369-373.

[4]程寿国.含曲轴裂纹的往复压缩机十字头对机体的作用力分析[J].时代汽车，2021(07):148-149.

文章来源：裂纹对往复压缩机曲轴模态影响分析[J].内燃机与配件,2021(17):54-55.