基于ANSYS的单螺杆压缩机星轮轴系的仿真分析

基于ANSYS的单螺杆压缩机星轮轴系的仿真分析

徐伟

(浙江上洋机械股份有限公司,浙江衢州324000)

摘要:单螺杆空气压缩机的转子啮合副对间隙控制的精度要求很高,星轮轴系是啮合副的核心元件,作用在星轮轴系上的各力会引起轴系变形,变形集中于星轮齿啮入螺槽部分及星轮轴轴承安装处,运用ANSYS/workbench对星轮轴系进行有限元模拟以求取其最大应力及变形位移,验证变形量是否影响啮合副性能,以优化星轮轴系设计及啮合副间隙控制。

关键词:单螺杆空压机:星轮轴系:有限元:ANSYS:应变:仿真

0引言

CP型单螺杆压缩机的基本结构形式是一个螺杆与两个对称分布的星轮啮合,螺杆轴与星轮轴相互垂直,螺杆带动两个星轮在机壳内做回转运动,螺杆齿槽、星轮齿与机壳内腔构成封闭容积,通过容积变化实现气体压缩。单螺杆压缩机技术发展主要表现在啮合副型线上,从直线包络型线到直线二次包络、圆柱二次包络以及最新的多直线和多圆柱包络型线都对转子啮合副的间隙控制有严格的要求。啮合副必须具有良好的流体动力、润滑性能、密封性能及加工工艺性,而在设计加工过程中如何保证转子啮合副良好的间隙是保证啮合副性能的关键。在实际的设计开发中,国内各压缩机制造企业及科研院所都采取经验法和计算法来设计星轮轴系的结构尺寸,再通过样机试验来验证设计的合理性,这样开发周期长、成本高,且缺乏对设计开发进度的可控性。

本文以本公司开发的oG160-18F单螺杆空气压缩机为研究对象,重点对星轮轴系进行建模及受力分析,并利用有限元软件ANSYS/workbench模拟实际工况下星轮轴系的受力及变形情况,验证星轮轴系的变形量是否影响啮合副的性能,以完善星轮轴系的结构设计,并为单螺杆压缩机主机设计提供依据。

1星轮轴系及受力分析

单螺杆压缩机主要由星轮轴系、螺杆转子、机壳组成,星轮与螺杆转子相互啮合,工作时依靠转子与星轮的相互啮合转动实现对气体的压缩。单螺杆压缩机主机内部尤其是转子啮合副对间隙控制有严格要求,间隙直接影响压缩机性能,间隙大则密封效果差,压缩机效率低:间隙小则油膜不易形成且容易造成转子卡死、星轮片磨损而引发事故。主要间隙为:螺杆转子螺槽底部与星轮片端面间隙、星轮片上表面与机壳气体密封面间隙、螺杆转子与机壳内壁间隙等,而星轮轴系在控制这些间隙时起着关键作用。

根据实际工况并忽略气流脉冲及温度场的影响,假设星轮轴系(包括星轮支架)的啮合副加工、装配精度符合设计公差要求,且轴承游隙在允许的偏差范围内,我们重点分析星轮轴系模型工况下的受力情况及应力、变形情况。

图1表示了星轮(包括轴系)的受力情况,其主要受重力G、气体力Fg、星轮工作齿面的法向力Fn、轴承处的支撑力Fa1和Fb2、轴向支撑力Fm及支撑点摩擦力矩MfA、MfB作用。

星轮面所受气体力:

每个星轮受气体力Fgi为:

式中,Ai为星轮齿啮入齿槽的面积,其值可通过作图法在CAD软件中求得,也可以用解析法计算求得。

啮入齿所受气体压力:

式中,v0为最大基元容积:p0为进气压力:v为啮入齿所在位置的容积,通过解析法求得。

2有限元模拟

2.1建模与分析

假设星轮匀速旋转且受均匀载荷,根据几何关系、力平衡及力矩平衡,求得星轮轴系所受各载荷。在Pro/E中绘制星轮轴系三维几何模型并导入ANSYS/workbench,划分网格并施加边界条件如表1、图2所示。

在分析过程中,我们做了一系列的简化和假设,求解后,得到模型的应变、应力、位移等数据结果。下面主要分析模型的变形即节点位移情况,如图3所示。

2.2数据分析

从结果看,模型最大节点位移值约为8.8×10-6m即0.0088mm,变形大的位置分布在星轮齿受气体力作用点附近,星轮齿半径边缘变形最大:另外,星轮轴受支持力点附近变形也较大。在图3中颜色靠近红色表明变形严重,蓝色表示变形量小。模型中,星轮支架齿厚25mm,轴径35mm。我们再结合啮合副的配合公差要求或配合间隙要求,对各数据加以阐述。

本设计中,中心距即螺杆直径与星轮直径距离的偏差要求228即允许变动范围为+0+25mm以内,如表2数据,星轮轴径向的变形量远小于偏差要求:其次,我们要求星轮齿外径与螺槽底的间隙≥+0+.mm,星轮齿面轴向的最大变形量也远小于这一数值,这验证了我们设计的星轮轴系的尺寸及材料满足强度和抗变形的要求。这也进一步说明,在实际中,星轮轴系因受力会产生相应的变形和应变,但这些变形位移量对转子啮合副的间隙控制影响不大。

3结语

4NSYS/workbench是工程数值模拟、仿真领域典型的有限元分析软件,在本文中我们运用了4NSYS中的结构静力分析模块,对星轮轴系进行工况下的数值模拟,校核星轮轴系的强度和刚度是否满足啮合副对于间隙控制的要求,结果显示星轮支架及轴系满足设计要求,综合工况下其各个方向的变形量对啮合副的配合影响不大。

分析过程中虽然做了诸多简化,但整个分析过程基本反映了真实情况,可为优化啮合副间隙提供依据,也为下一步主机设计如轴承选型、转子型线设计等提供参考。