基于ANSYS的單螺桿壓縮機星輪軸系的仿真分析

徐偉

(浙江上洋機械股份有限公司,浙江衢州324000)

摘要:單螺桿空氣壓縮機的轉(zhuǎn)子嚙合副對間隙控制的精度要求很高,星輪軸系是嚙合副的核心元件,作用在星輪軸系上的各力會引起軸系變形,變形集中于星輪齒嚙入螺槽部分及星輪軸軸承安裝處,運用ANSYS/workbench對星輪軸系進(jìn)行有限元模擬以求取其最大應(yīng)力及變形位移,驗證變形量是否影響嚙合副性能,以優(yōu)化星輪軸系設(shè)計及嚙合副間隙控制。

關(guān)鍵詞:單螺桿空壓機:星輪軸系:有限元:ANSYS:應(yīng)變:仿真

0引言

CP型單螺桿壓縮機的基本結(jié)構(gòu)形式是一個螺桿與兩個對稱分布的星輪嚙合,螺桿軸與星輪軸相互垂直,螺桿帶動兩個星輪在機殼內(nèi)做回轉(zhuǎn)運動,螺桿齒槽、星輪齒與機殼內(nèi)腔構(gòu)成封閉容積,通過容積變化實現(xiàn)氣體壓縮。單螺桿壓縮機技術(shù)發(fā)展主要表現(xiàn)在嚙合副型線上,從直線包絡(luò)型線到直線二次包絡(luò)、圓柱二次包絡(luò)以及最新的多直線和多圓柱包絡(luò)型線都對轉(zhuǎn)子嚙合副的間隙控制有嚴(yán)格的要求。嚙合副必須具有良好的流體動力、潤滑性能、密封性能及加工工藝性,而在設(shè)計加工過程中如何保證轉(zhuǎn)子嚙合副良好的間隙是保證嚙合副性能的關(guān)鍵。在實際的設(shè)計開發(fā)中,國內(nèi)各壓縮機制造企業(yè)及科研院所都采取經(jīng)驗法和計算法來設(shè)計星輪軸系的結(jié)構(gòu)尺寸,再通過樣機試驗來驗證設(shè)計的合理性,這樣開發(fā)周期長、成本高,且缺乏對設(shè)計開發(fā)進(jìn)度的可控性。

本文以本公司開發(fā)的oG160-18F單螺桿空氣壓縮機為研究對象,重點對星輪軸系進(jìn)行建模及受力分析,并利用有限元軟件ANSYS/workbench模擬實際工況下星輪軸系的受力及變形情況,驗證星輪軸系的變形量是否影響嚙合副的性能,以完善星輪軸系的結(jié)構(gòu)設(shè)計,并為單螺桿壓縮機主機設(shè)計提供依據(jù)。

1星輪軸系及受力分析

單螺桿壓縮機主要由星輪軸系、螺桿轉(zhuǎn)子、機殼組成,星輪與螺桿轉(zhuǎn)子相互嚙合,工作時依靠轉(zhuǎn)子與星輪的相互嚙合轉(zhuǎn)動實現(xiàn)對氣體的壓縮。單螺桿壓縮機主機內(nèi)部尤其是轉(zhuǎn)子嚙合副對間隙控制有嚴(yán)格要求,間隙直接影響壓縮機性能,間隙大則密封效果差,壓縮機效率低:間隙小則油膜不易形成且容易造成轉(zhuǎn)子卡死、星輪片磨損而引發(fā)事故。主要間隙為:螺桿轉(zhuǎn)子螺槽底部與星輪片端面間隙、星輪片上表面與機殼氣體密封面間隙、螺桿轉(zhuǎn)子與機殼內(nèi)壁間隙等,而星輪軸系在控制這些間隙時起著關(guān)鍵作用。

根據(jù)實際工況并忽略氣流脈沖及溫度場的影響,假設(shè)星輪軸系(包括星輪支架)的嚙合副加工、裝配精度符合設(shè)計公差要求,且軸承游隙在允許的偏差范圍內(nèi),我們重點分析星輪軸系模型工況下的受力情況及應(yīng)力、變形情況。

圖1表示了星輪(包括軸系)的受力情況,其主要受重力G、氣體力Fg、星輪工作齒面的法向力Fn、軸承處的支撐力Fa1和Fb2、軸向支撐力Fm及支撐點摩擦力矩MfA、MfB作用。

星輪面所受氣體力:

每個星輪受氣體力Fgi為:

式中,Ai為星輪齒嚙入齒槽的面積,其值可通過作圖法在CAD軟件中求得,也可以用解析法計算求得。

嚙入齒所受氣體壓力:

式中,v0為最大基元容積:p0為進(jìn)氣壓力:v為嚙入齒所在位置的容積,通過解析法求得。

2有限元模擬

2.1建模與分析

假設(shè)星輪勻速旋轉(zhuǎn)且受均勻載荷,根據(jù)幾何關(guān)系、力平衡及力矩平衡,求得星輪軸系所受各載荷。在Pro/E中繪制星輪軸系三維幾何模型并導(dǎo)入ANSYS/workbench,劃分網(wǎng)格并施加邊界條件如表1、圖2所示。

在分析過程中,我們做了一系列的簡化和假設(shè),求解后,得到模型的應(yīng)變、應(yīng)力、位移等數(shù)據(jù)結(jié)果。下面主要分析模型的變形即節(jié)點位移情況,如圖3所示。

2.2數(shù)據(jù)分析

從結(jié)果看,模型最大節(jié)點位移值約為8.8×10-6m即0.0088mm,變形大的位置分布在星輪齒受氣體力作用點附近,星輪齒半徑邊緣變形最大:另外,星輪軸受支持力點附近變形也較大。在圖3中顏色靠近紅色表明變形嚴(yán)重,藍(lán)色表示變形量小。模型中,星輪支架齒厚25mm,軸徑35mm。我們再結(jié)合嚙合副的配合公差要求或配合間隙要求,對各數(shù)據(jù)加以闡述。

本設(shè)計中,中心距即螺桿直徑與星輪直徑距離的偏差要求228即允許變動范圍為+0+25mm以內(nèi),如表2數(shù)據(jù),星輪軸徑向的變形量遠(yuǎn)小于偏差要求:其次,我們要求星輪齒外徑與螺槽底的間隙≥+0+.mm,星輪齒面軸向的最大變形量也遠(yuǎn)小于這一數(shù)值,這驗證了我們設(shè)計的星輪軸系的尺寸及材料滿足強度和抗變形的要求。這也進(jìn)一步說明,在實際中,星輪軸系因受力會產(chǎn)生相應(yīng)的變形和應(yīng)變,但這些變形位移量對轉(zhuǎn)子嚙合副的間隙控制影響不大。

3結(jié)語

4NSYS/workbench是工程數(shù)值模擬、仿真領(lǐng)域典型的有限元分析軟件,在本文中我們運用了4NSYS中的結(jié)構(gòu)靜力分析模塊,對星輪軸系進(jìn)行工況下的數(shù)值模擬,校核星輪軸系的強度和剛度是否滿足嚙合副對于間隙控制的要求,結(jié)果顯示星輪支架及軸系滿足設(shè)計要求,綜合工況下其各個方向的變形量對嚙合副的配合影響不大。

分析過程中雖然做了諸多簡化,但整個分析過程基本反映了真實情況,可為優(yōu)化嚙合副間隙提供依據(jù),也為下一步主機設(shè)計如軸承選型、轉(zhuǎn)子型線設(shè)計等提供參考。