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第7期
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往复式压缩机组轴系扭转振动分析
于洋,钱则刚,张和平,鲍军,喻志强
合肥通用机械研究院,压缩机技术国家重点实验室,安合肥230031)
[摘要]本文建立了典型的石化行业用多列大型往复式压缩机轴系扭转振动数理模型,以实际机型为例,采用集中质量数值
计算方法,获取了压缩机轴系无阻尼自由担振下的若干阶固有频率和强迫振动下的扭振响应,可为制定针对性的预防措施提
供理论基础
[关键词]往复式压缩机;曲轴;扭转振动;固有频率;数値计算
往复式压缩机广泛应用于石油、化工等行
美国石油学会API618标准规定,供应方应
业。近年来,随着我国装备制造业国产化的推对用于石油、化学和天然气工业的往复式压缩机
进,部分国内企业通过技术引进的方式,先后研整个驱动系进行扭转振动分析(皮帯驱动机组除
制成功6列及8列压缩机,往复式压缩机呈现多
外)。
列、大型化发展趋势。
本文从往复式压缩机轴系动态特性出发,
同汽轮机、离心压缩机等直轴系压缩机相借鉴内燃机领域曲轴轴系扭振分析经验,采用集
比,石化行业用大型往复式压缩机转速通常较中质量数值计算方法获取往复式压缩机轴系自由
低,一般情况下,当列数等于或少于4列时,轴振动特性和强迫振动的扭振响应,得到具有实效
系固有频率远高于激励频率,当轴系固有频率高的减振措施。该方法对石油、化工等行业用大型
于10倍轴速度时,轴系发生扭转共振的可能性很往复式压缩机组轴系扭振分析具有广泛的应用价
低,一般认为是安全的,传统静强度和疲劳强度
值
计算即可满足设计需求。随着压缩机列数、轴系
长度、机组转速和功率的增加,轴系固有频率降1往复式压缩机轴系扭振分析技术现状
低,激励频率和振动能量升高,扭转共振的风险1.1曲轴轴系扭振分析技术现状
随之加大,由轴系扭转振动引起的事故时有发
20世纪50年代,国外往复式压缩机技术理论
生,给用户造成重大经济损失,甚至人员伤亡。已发展到较成熟阶段,随着计算机技术的发展
大型往复式压缩机组在引进、设计或轴系改造阶至80年代后,国外轴系动力学分析理论愈发成
段对轴系进行扭振分析环节不可或缺。图1为典型熟,数值分析与实际测试吻合度非常高,往复式
的由扭转共振导致断轴的案例。
压缩机轴系动力学分析主要采用基于集中质量法
和传递矩阵法的专用动力分析软件进行。
我国压缩机制造业于上世纪60年代后逐渐
发展起来,80年代以前,石化行业用大型往复压
缩机主要依赖进口,90年代开始引进国外先进技
术,至本世纪初,石油、化工等行业用往复式压
缩机基本实现国产化,但目前国内尚未发现较成
熟且具广泛适用性的动力学分析技术的应用案
例
在船舶用内燃机、汽车发动机等行业领域,
作者简介:于洋(1979-),男,蒙古族,辽宁沈阳人,大学
图1因扭转其振造成断轴
本科,学士,工程师。在合肥通用机械研究院从事压缩机技术研
究工作
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石油和化工设备
2013年第16卷
早在20世纪60~70年代,国内就开始了轴系扭转
国内曲轴轴系扭振分析技术在内燃机领域起
振动分析与研究。但在往复式压缩机领域,直到步较早,主要分析方法为集中质量法和传递矩阵
上世纪90年代,在石化行业用大型往复式压缩机法,发展方向为探求变惯量和非线性部件因素影
组和驱动设备等配套设备国产化过程中,电机转响下的轴系耦合振动研究。
子一曲轴轴系振动或断轴问题频发,轴系扭振分
石化等行业用往复式压缩机种类较多,但
析技术才逐渐为用户和制造企业重视起来。
般转速较低,额定工况下以恒定转速工作,工况
目前,国内往复式压缩机用户和制造企业在变化较少,以单支轴系结构较为常见,驱动设备
产品设计阶段或轴系改造前,多委托国内外有关多为柴油机、同步或异步电动机,连接形式通常
研究机构对轴系扭转振动情况进行专业分析,少为刚性联轴节直联或采用膜片式等弹性联轴节连
数企业采用进口大型动力学软件或有限元分析软接,轴系扭转振动特性主要受低阶固有频率和振
件对本公司产品进行个例分析,以保证设备长周型影响,鉴于以上特点,集中质量等数值计算方
期可靠运行,合肥通用机楲研究院曾先后多次承法具有较高的适用性
接并圆满完成此类委托任务。
2往复式压缩机轴系扭振分析
1.2曲轴轴系扭振分析常用方法
2.1无阻尼自由振动特性
轴系振动模型主要有集总参数模型和分布质2.1.1物理模型
量模型,常见动力学分析方法主要有基于结构动
力学的 Holzer?法、集中质量法、传递矩阵法、有限
大型往复式压缩机组曲轴轴系结构复杂,承
元法;基于弹性波传播理论的弹性波传播法,基
受周期性交变载荷,对轴系振动特性分析前需建
于复杂系统动力学的动态子结构法、虚拟样机技
立合适的数理模型。图2至图4分别为石化等行业
术
用典型4列、6列和8列往复式压缩机组曲轴轴系结
构图。
Q
图2典型4列往复式压缩机轴系结构
图3典型6列往复式压缩机轴系结构
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111,
後:品
图4典型8列往复式压缩机轴系结构
图5典型8列往复式压缩机轴系扭振数理模型