新型葉片鉸接滾動轉子壓縮機在做壓縮機耐久性試驗時,當速度提高到5500 r/min時,出現鉸接支座鉸接槽倒角處很快破裂的損壞現象,嚴重影響壓縮機的機械性能、使用壽命和可靠性。本文通過利用有限元分析軟件ANSYS對葉片鉸接滾動轉子壓縮機的隔離葉片和鉸接支座等主要運動部件進行了靜態強度分析,結合以前的運動分析和耐久性試驗,找到原因所在,提出了相應的改進措施,耐久性試驗的結果表明改進措施有效可行。

1、前言

　　新型葉片鉸接滾動轉子壓縮機是在傳統滾動轉子壓縮機的基礎上,對彈簧、滑片結構進行改進而得到的。這種新型壓縮機去除了彈簧、直線滑片變成了弧形葉片,葉片的兩端分別鉸接于缸體和與滾動活塞固接的鉸接支座上,從而使滑片與滾動活塞、滑片與滑片槽之間的滑動摩擦變成為葉片鉸接頭與鉸鏈支座及缸體上鉸接槽間的旋轉摩擦,如圖1所示。

　　通過對新型葉片鉸接滾動轉子壓縮機的簡化機構、主要零部件進行運動分析可見,由于它們結構的不同、主要零部件受力不同,使得它們的運動規律也不相同:葉片鉸接滾動轉子壓縮機的隔離葉片作平面旋轉擺動運動,比傳統滾動轉子壓縮機滑片的變加速直線往復運動要好。但傳統滾動轉子壓縮機滾動活塞的相對角速度很小,一般僅為偏心輪軸旋轉角速度的10%左右,而葉片鉸接滾動轉子壓縮機的滾動活塞的相對角速度比傳統滾動轉子壓縮機大出12倍以上。還有當傳動軸的轉速較高時,隔離葉片和滾動活塞的擺角、角速度和角加速度的最大、最小值所對應的傳動軸的轉角也是不變的 。但是,當傳動軸的角速度為5500 r /min和8500 r /min時滾動活塞和鉸接葉片的角速度和角加速度的曲線較陡,由此可見滾動活塞和鉸接葉片的角速度和角加速度的變化激烈,這種變化對壓縮機的機械性能、使用壽命和可靠性影響很大。因此,本文通過利用有限元分析軟件ANSYS對葉片鉸接滾動轉子壓縮機的主要運動零部件進行應力分析和強度校核,結合以前的運動分析和耐久性試驗,分析找出主要零部件潛在的可靠性問題及其原因,尋找應對策略和解決辦法,以提高壓縮機的效率、機械性能、可靠性和經濟性。

(a) 　改進結構　　　(b) 　傳統結構

圖1　傳統滾動轉子壓縮機和新型葉片鉸接滾動轉子壓縮機的結構示意

2、主要零部件的靜態強度分析

　　葉片鉸接滾動轉子壓縮機的主要運動部件是隔離葉片和鉸接支座。經計算它們的慣性力和摩擦力相對氣體壓力很小,所以不考慮零件本身的慣性力和摩擦力的影響,只分析在靜態氣壓作用下的應力分布和度校核。下面利用ANSYS對葉片鉸接滾動轉子壓縮機的隔離葉片和鉸鏈支座進行靜態強度分析。

2.1、隔離葉片的靜態強度分析

　　前處理:通過SOL IDWORKS 2006SPO創建隔離葉片的幾何實體,將模型存為IGES文件格式,把該模型通過ANSYS內置的IGES轉換過濾器輸入到ANSYS中。隔離葉片的幾何實體如圖3所示。隔離葉片的材料為Cr12,揚氏模量E = 2. 06×1011 Pa及泊松比NUXY = 0.3 。從ANSYS單元庫中選2 - D的PLANE42單元和3 - D的SOL2ID45單元 。接著進行網格劃分:先指示ANSYS程序對隔離葉片的末端截面自動劃分單元網格,再對可能產生應力集中的部位進行細化,劃分單元類型選擇為PLANE42;再利用ANSYS程序的體掃掠( Extrude)功能掃掠貫穿整個隔離葉片使其生成單元,單元類型為SOL ID45,為四邊形網格、六面體單元。劃分結果為: 節點數10832個,單元數9776個,隔離葉片的網格劃分模型如圖2所示。

圖2　隔離葉片的網格劃分模型圖3　隔離葉片的載荷模型

　　加載和求解: ANSYS程序中使用的載荷包括邊界條件(約束、支承等)和其外部、內部載荷。考慮隔離葉片只受氣體力的作用,因此在葉片的上表面施加排氣壓力為1. 5MPa;下表面施加吸氣壓力為0. 2MPa。隔離葉片的兩鉸接端的圓弧面施加對稱邊界條件(徑向約束) 。結構分析中,對稱邊界條件指平面外移動和平面內旋轉設置為0。隔離葉片與前后缸蓋接觸的兩個端面加垂直于端面方向位移的約束。隔離葉片加載后模型見圖3。

　　完成對隔離葉片的建模和加載后,便可進入ANSYS求解器開始求解。求解器運行結束后,在POST1后處理程序中查看結果。隔離葉片的變形如圖4所示,等效應力分布如圖5所示。

圖4　隔離葉片的位移變形圖5　隔離葉片的等效應力分布

　　隔離葉片的材料為Cr12的力學性能:名義屈服極限σ0.2 = 198MPa, 抗拉強度極限σb =365MPa。通過應力分析可以看出:最大的應力在隔離葉片上表面(施加的載荷為1. 5MPa)與隔離葉片后端的圓柱狀頭部(與缸體鉸接)之間的倒圓角處,其值為41. 183MPa,可見隔離葉片靜態只受氣壓作用時應力最大處的安全系數是4. 8,這證明了隔離葉片在只受靜態氣體壓力作用的條件下是較安全的。由此可見,隔離葉片的損壞不是由于靜態氣體壓力的緣故,但是隔離葉片的圓柱狀頭部與缸體鉸接的倒圓角處是應力敏感區。