叶片铰接滚动转子压缩机主要零部件的强度分析
新型叶片铰接滚动转子压缩机在做压缩机耐久性试验时,当速度提高到5500 r/min时,出现铰接支座铰接槽倒角处很快破裂的损坏现象,严重影响压缩机的机械性能、使用寿命和可靠性。本文通过利用有限元分析软件ANSYS对叶片铰接滚动转子压缩机的隔离叶片和铰接支座等主要运动部件进行了静态强度分析,结合以前的运动分析和耐久性试验,找到原因所在,提出了相应的改进措施,耐久性试验的结果表明改进措施有效可行。
1、前言
新型叶片铰接滚动转子压缩机是在传统滚动转子压缩机的基础上,对弹簧、滑片结构进行改进而得到的。这种新型压缩机去除了弹簧、直线滑片变成了弧形叶片,叶片的两端分别铰接于缸体和与滚动活塞固接的铰接支座上,从而使滑片与滚动活塞、滑片与滑片槽之间的滑动摩擦变成为叶片铰接头与铰链支座及缸体上铰接槽间的旋转摩擦,如图1所示。
通过对新型叶片铰接滚动转子压缩机的简化机构、主要零部件进行运动分析可见,由于它们结构的不同、主要零部件受力不同,使得它们的运动规律也不相同:叶片铰接滚动转子压缩机的隔离叶片作平面旋转摆动运动,比传统滚动转子压缩机滑片的变加速直线往复运动要好。但传统滚动转子压缩机滚动活塞的相对角速度很小,一般仅为偏心轮轴旋转角速度的10%左右,而叶片铰接滚动转子压缩机的滚动活塞的相对角速度比传统滚动转子压缩机大出12倍以上。还有当传动轴的转速较高时,隔离叶片和滚动活塞的摆角、角速度和角加速度的最大、最小值所对应的传动轴的转角也是不变的 。但是,当传动轴的角速度为5500 r /min和8500 r /min时滚动活塞和铰接叶片的角速度和角加速度的曲线较陡,由此可见滚动活塞和铰接叶片的角速度和角加速度的变化激烈,这种变化对压缩机的机械性能、使用寿命和可靠性影响很大。因此,本文通过利用有限元分析软件ANSYS对叶片铰接滚动转子压缩机的主要运动零部件进行应力分析和强度校核,结合以前的运动分析和耐久性试验,分析找出主要零部件潜在的可靠性问题及其原因,寻找应对策略和解决办法,以提高压缩机的效率、机械性能、可靠性和经济性。
(a) 改进结构 (b) 传统结构
图1 传统滚动转子压缩机和新型叶片铰接滚动转子压缩机的结构示意
2、主要零部件的静态强度分析
叶片铰接滚动转子压缩机的主要运动部件是隔离叶片和铰接支座。经计算它们的惯性力和摩擦力相对气体压力很小,所以不考虑零件本身的惯性力和摩擦力的影响,只分析在静态气压作用下的应力分布和度校核。下面利用ANSYS对叶片铰接滚动转子压缩机的隔离叶片和铰链支座进行静态强度分析。
2.1、隔离叶片的静态强度分析
前处理:通过SOL IDWORKS 2006SPO创建隔离叶片的几何实体,将模型存为IGES文件格式,把该模型通过ANSYS内置的IGES转换过滤器输入到ANSYS中。隔离叶片的几何实体如图3所示。隔离叶片的材料为Cr12,扬氏模量E = 2. 06×1011 Pa及泊松比NUXY = 0.3 。从ANSYS单元库中选2 - D的PLANE42单元和3 - D的SOL2ID45单元 。接着进行网格划分:先指示ANSYS程序对隔离叶片的末端截面自动划分单元网格,再对可能产生应力集中的部位进行细化,划分单元类型选择为PLANE42;再利用ANSYS程序的体扫掠( Extrude)功能扫掠贯穿整个隔离叶片使其生成单元,单元类型为SOL ID45,为四边形网格、六面体单元。划分结果为: 节点数10832个,单元数9776个,隔离叶片的网格划分模型如图2所示。
图2 隔离叶片的网格划分模型图3 隔离叶片的载荷模型
加载和求解: ANSYS程序中使用的载荷包括边界条件(约束、支承等)和其外部、内部载荷。考虑隔离叶片只受气体力的作用,因此在叶片的上表面施加排气压力为1. 5MPa;下表面施加吸气压力为0. 2MPa。隔离叶片的两铰接端的圆弧面施加对称边界条件(径向约束) 。结构分析中,对称边界条件指平面外移动和平面内旋转设置为0。隔离叶片与前后缸盖接触的两个端面加垂直于端面方向位移的约束。隔离叶片加载后模型见图3。
完成对隔离叶片的建模和加载后,便可进入ANSYS求解器开始求解。求解器运行结束后,在POST1后处理程序中查看结果。隔离叶片的变形如图4所示,等效应力分布如图5所示。
图4 隔离叶片的位移变形图5 隔离叶片的等效应力分布
隔离叶片的材料为Cr12的力学性能:名义屈服极限σ0.2 = 198MPa, 抗拉强度极限σb =365MPa。通过应力分析可以看出:最大的应力在隔离叶片上表面(施加的载荷为1. 5MPa)与隔离叶片后端的圆柱状头部(与缸体铰接)之间的倒圆角处,其值为41. 183MPa,可见隔离叶片静态只受气压作用时应力最大处的安全系数是4. 8,这证明了隔离叶片在只受静态气体压力作用的条件下是较安全的。由此可见,隔离叶片的损坏不是由于静态气体压力的缘故,但是隔离叶片的圆柱状头部与缸体铰接的倒圆角处是应力敏感区。
