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對星輪軸系進行有限元模擬以求取其最大應力及變形位移,驗證變形量是否影響嚙合副性能,以優(yōu)化星輪軸系設計及嚙合副間隙控制。

關鍵詞:單螺桿空壓機:星輪軸系:有限元:ANSYS:應變:仿真

0引言

CP型單螺桿壓縮機的基本結構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做回轉運動,螺桿齒槽、星輪齒與機殼內腔構成封閉容積,通過容積變化實現(xiàn)氣體壓縮。單螺桿壓縮機技術發(fā)展主要表現(xiàn)在嚙合副型線上,從直線包絡型線到直線二次包絡、圓柱二次包絡以及最新的多直線和多圓柱包絡型線都對轉子嚙合副的間隙控制有嚴格的要求。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,而在設計加工過程中如何保證轉子嚙合副良好的間隙是保證嚙合副性能的關鍵。在實際的設計開發(fā)中,國內各壓縮機制造企業(yè)及科研院所都采取經(jīng)驗法和計算法來設計星輪軸系的結構尺寸,再通過樣機試驗來驗證設計的合理性,這樣開發(fā)周期長、成本高,且缺乏對設計開發(fā)進度的可控性。

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構設計,并為單螺桿壓縮機主機設計提供依據(jù)。

1星輪軸系及受力分析

單螺桿壓縮機主要由星輪軸系、螺桿轉子、機殼組成,星輪與螺桿轉子相互嚙合,工作時依靠轉子與星輪的相互嚙合轉動實現(xiàn)對氣體的壓縮。單螺桿壓縮機主機內部尤其是轉子嚙合副對間隙控制有嚴格要求,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子卡死、星輪片磨損而引發(fā)事故。主要間隙為:螺桿轉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、螺桿轉子與機殼內壁間隙等,而星輪軸系在控制這些間隙時起著關鍵作用。

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

假設星輪勻速旋轉且受均勻載荷,根據(jù)幾何關系、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,求解后,得到模型的應變、應力、位移等數(shù)據(jù)結果。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重,藍色表示變形量小。模型中,星輪支架齒厚25mm,軸徑35mm。我們再結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,如表2數(shù)據(jù),星輪軸徑向的變形量遠小于偏差要求: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小于這一數(shù)值,這驗證了我們設計的星輪軸系的尺寸及材料滿足強度和抗變形的要求。這也進一步說明,在實際中,星輪軸系因受力會產(chǎn)生相應的變形和應變,但這些變形位移量對轉子嚙合副的間隙控制影響不大。

3結語

4NSYS/workbench是工程數(shù)值模擬、仿真領域典型的有限元分析軟件,在本文中我們運用了4NSYS中的結構靜力分析模塊,對星輪軸系進行工況下的數(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,結果顯示星輪支架及軸系滿足設計要求,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),也為下一步主機設計如軸承選型、轉子型線設計等提供參考。