程寿国

摘 要：为了研究往复压缩机曲轴出现裂纹后十字头对机体作用力的变化规律，建立了往复压缩机动力学仿真模型，通过对曲柄中间位置开一个2mm宽的槽模拟开裂纹，对曲轴顺、逆时针旋转时有无裂纹两种条件的往复压缩机进行刚柔耦合分析，对比分析了十字头对机体作用力变化规律。研究结果表明：曲轴顺时针旋转时无裂纹条件下作用力的峰值大于有裂纹条件下作用力的峰值，曲轴逆时针旋转时无裂纹条件下作用力的峰值小于有裂纹条件下作用力的峰值。

关键词：裂纹 曲轴 往复压缩机 刚柔耦合

1 引言

往复压缩机是石油石化行业最重要的生产设备之一。曲轴是往复压缩机中动力传递的重要零件，长期工作在扭转、拉压等交变力的作用下。裂纹是曲轴发生故障的最危险、最频繁的故障之一。由于曲轴工作在密闭的箱体之中，出现裂纹的曲轴早期状态变化不明显，曲轴裂纹很难被发现。这给往复压缩机安全运行埋下了安全隐患。文献1分析了曲轴的力学性能并建立了曲轴有无裂纹的安全评价和剩余寿命的评价模型。文献2分析了曲轴开裂的原因，通过调整轴系固有频率的方法消减了开裂的概率。本文通过刚柔耦合分析的方法研究曲轴有无裂纹时十字头处作用力的变化规律。

2 往復压缩机模型简介

本文对某型号压缩机进行简化，图1为考虑曲轴柔性的往复压缩机示意图。十字头移动的方向与X轴方向平行。OB为简化的柔性曲柄，视曲轴为柔性体时，在工作中曲轴发生一定的变形。当曲柄中间开一个槽后（模拟裂纹）曲柄的变形变大，受力足够大或者槽较深时曲柄折断。简化后的曲轴三维图形见图2。往复压缩机的主要参数与文献3中参数一致。

3 刚柔耦合仿真及结果分析

将简化后的压缩机三维模型在CATIA软件中建模，利用SIMDESIGNER软件直接调用模型文件，分别建立曲轴有无裂纹的柔性体文件，调用NASTRAN求解器求解，在仿真前激活柔性体文件。分析十字头与滑轨之间移动副所受的力，即为十字头对机体的作用力。

3.1 曲轴顺逆时针旋转时X轴方向力的变化规律

图3为曲轴顺逆时针旋转X方向的作用力变化图。从图3（a）中可以看出顺时针旋转无裂纹刚柔耦合仿真时峰值大于有裂纹时的峰值。有裂纹时在曲轴旋转到139°左右时出现很大的波动且波动是“周期”存在的。从图3（b）中可以看出逆时针旋转有裂纹刚柔耦合仿真时峰值大于无裂纹时的峰值。逆时针旋转波动范围与顺时针旋转波动范围类似。

3.2 图4曲轴顺逆时针旋转Y方向的作用力变化图

图4为曲轴顺逆时针旋转Y方向的作用力变化图。从图4（a）中可以看出顺时针旋转无裂纹刚柔耦合仿真时峰值大于有裂纹时的峰值。有裂纹时在曲轴旋转到138°左右时出现很大的波动且波动是“周期”存在的。从图4（b）中可以看出逆时针旋转有裂纹刚柔耦合仿真时峰值大于无裂纹时的峰值。逆时针旋转波动范围与顺时针旋转波动范围类似。

综合图3和图4的图上信息，曲轴顺时针旋转时，X方向、Y方向的作用力无裂纹时的峰值大于有裂纹时峰值。曲轴逆时针旋转时，X方向、Y方向的作用力无裂纹时的峰值小于有裂纹时峰值。

4 结语

本文利用动力学仿真软件进行含裂纹曲轴的往复压缩机的刚柔耦合分析，能够计算出十字头对机体的作用力，并分析了曲轴转向对作用力的影响。本文的研究为含裂纹故障的往复压缩机故障诊断提供参考。

基金项目：江苏高校青蓝工程资助（苏教师[2019]3号）;江苏省高等学校自然科学基金（20KJB530008）;江阴职业技术学院院级课题（XJ2019LG004）。

参考文献：

[1]董超群. 整体往复式压缩机曲轴力学性能研究与安全评价[D].西南石油大学，2014.

[2]贺运初，胡祖汉，戴新西，潘树林.大型往复压缩机曲轴开裂的原因及改造[J].流体机械，2005（04）：39-41+8.

[3]周禹，王金东，吴玲，赵海洋.含轴承间隙的往复压缩机刚柔耦合模型仿真分析[J].压缩机技术，2015（05）：16-19+29.