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ZTY265天然气压缩机连杆对十字头作用力分析

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・机械研究与应用・２０１５年第１期（第２８卷，总第１３５期）　研究与分析　ＺＴＹ２６５天然气压缩机连杆对十字头作用力分析　罗渊仁，梁政　（西南石油大学机电工程学院，四川成都６１０５００）　

摘要：天然气压缩机主要动力机构可以简化为曲柄滑块机构，而十字头是连接连杆和活塞杆的构件，即是传递动力　的中间构件，它的安全稳定运行对整个压缩机的正常工作占有重要地位。大多数人对十字头研究工作做得比较少，　笔者主要研究曲柄销在不同位置时，连杆对十字头作用力，为十字头的后续研究打下理论基础。　关键词：压缩机；十字头；作用力；连杆　中图分类号：ＴＥ９７７　文献标志码：Ａ　文章编号：１００７－４４１４（２０１５）Ｏｌ—ｏ０５５—０４　Ｆｏｒｃｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ　Ｒｏｄ　ｔｏ　Ｃｒｏｓｓｈｅａｄ　ｉｎ　Ｚ　Ｉ　２６５　Ｎａｔｕｒａｌ　Ｇａｓ　Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ　ＬＵ０　Ｙｕａｎ－ｒｅｎ，ＬＩＡＮＧ　Ｚｈｅｎｇ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ　Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　Ｓｉｃｈｕａｎ　６１０５００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｐｏｗｅｒ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｎａｔｕｒａｌ　ｇａｓ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ　ｃａｎ　ｂｅ　ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ　ａｓ　ａ　ｓｌｉｄｅｒ　ｃｒａｎｋ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｒｏｓｓ・　ｈｅａｄ　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ａ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ｔｏ　ｃｏｎｎｅｃｔ　ｔｈｅ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ　ｒｏｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｉｓｔｏｎ　ｒｏｄ，ｉｓ　ｔｈｅ　ｍｉｄｄｌｅ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ｔｏ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｐｏｗｅｒ．Ｓａｆｅ　ａｎｄ　ｓｔａｂｌｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｒｏｓｓｈｅａｄ　ｏｃｃｕｐｉｅｓ　ａｌｌ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｉｎ　ｗｈｏｌｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ，ｂｕｔ　ｍａｎｙ　ｐｅｏｐｌｅ　ｔａｋｅ　ｌｅｓｓ　ｔｉｍｅ　ｔｏ　ｍａｋｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｉｔ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｍａｉｎｌｙ　ｓｔｕｄｉｅｓ　ｔｈｅ　ａｃｔｉｎｇ　ｆｏｒｃｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ　ｒｏｄ　ｗｏｒｋｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｒｏｓｓｈｅａｄ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｃｒａｎｋ　ｐｉｎ　ｉｓ　ｉｎ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｔｈｕｓ　ｔ０　ｌａｙ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｒｏｓｓｈｅａｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ；ｃｒｏｓｓｈｅａｄ；ａｃｔｉｎｇ　ｆｏｒｃｅ；ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ　ｒｏｄ　

Ｏ　引　言　压缩机按结构形式，可分为速度型和容积型　。　其中速度型又可分为轴流式、离心式、混流式，容积型　又可分为回转式和往复式。活塞式压缩机是往复式　中的一种，ＺＴＹ２６５天然气压缩机是往复式活塞压缩　机中的一种。根据排气量及排气压力来分类，它是一　种中型中压压缩机，主要应用在增压站中，为管输气　体补充损失的压力。相对其他压缩机而言，活塞式压　缩机具有以下优点：①压力范围广，从低压到超高压　都适用；②效率高，工作原理不同，比离心式压缩机效　率高得多；③适应性强，结构相对简单，制造技术较成　熟，对加工材料和加工工艺要求较低。活塞式压缩机　的动力机构采用曲柄连杆机构，也不可避免地有以下　缺点：机器体形大而重，且具有较大的噪声和振动，　气流有脉动型，以及易损零件较多。　活塞式压缩机十字头在机体柱面滑道上做往复　直线运动，它是动力传递的一个中间构件，一端连接　连杆另一端连接活塞杆，其动力传递路线为：动力活　塞杆一动力十字头一动力连杆一曲轴一压缩连杆一　压缩十字头一压缩活塞杆，以此往复循环，使压缩缸　体内完成天然气的吸气、膨胀、压缩、排气过程。从而　产生需求的高压气体。　１十字头运动学分析　ＺＴＹ２６５压缩机的动力缸和压缩缸对称平衡的分　

布在曲轴两端。以压缩端为例，建立十字头在机体滑　道上运动示意图，对其进行运动学分析，其运动简图　如图１。　

∞　，一～、、　

图１十字头运动示意图　１．曲柄销（半径Ｒ）２．连杆（长度￡）３．十字头　４．活塞杆５．活塞６．压缩缸　

为了方便运动学分析，引入一个连杆长径比（曲　柄销的半径与连杆长度的比值）公式：Ａ＝Ｒ／Ｌ，活塞　式压缩机的Ａ取值范围基本为０．１６７～０．２８６，通常　情况下，曲轴转速越高，Ａ取值也越大。由于天然气　压缩机压缩端连杆长度Ｌ＝６０３．２５　ｍｍ，对应的曲柄　销半径Ｒ＝１３９．７　ｍｍ。则此时Ａ取值为：Ａ＝０．２３２。　从图３（ａ）中可得到以下几何关系：　Ｒ・ｓｉｎ　ａ＝Ｌ・ｓｉｎ届或ｃｏｓ卢＝√　＝　为了方便十字头运动学计算，以十字头在外止点　为零时刻，此时曲柄销转角　与　轴正向之间的夹　角为０。，当曲柄销转角转过一定角度　时，取相关构　件建立运动学分析简图【１］，如图２。　

收稿日期：２０１４—１２—１８　作者简介：罗渊仁（１９８５－），男，Ｉ￣１）ｑ南充人，主要从事压缩机的安全评价与相关构件的力学计算工作。　

・５５・　研究与分析　２０１５年第１期（第２８卷，总第１３５期）・杌械研究与应用・　图２十字头运动学分析示意图　．ｓ＝（Ｒ＋Ｌ）一（Ｒｃｏｓａ＋Ｌｃｏｓ　）　Ｊｓ＝　［（１－ｃｏｓ　ａ）＋．（１－￣／　１－Ａ２一ｓｉｎ２ａ）］　（１）　

对位移Ｓ相对于时间ｔ求一阶导数，得到十字头　在水平方向上的速度　：　

：ｉｄＳ一（ｓｉ＝ｔｏ／Ｌ　ｎ　‘咖　（２）　

对位移Ｓ相对于时间ｔ求二阶导数得到十字头　的水平加速度ｎ：　

口＝　ｄ２Ｓ＝　［ｃ。ｓ　＋Ａ×　

ＣＯＳ　２　０ｃ（１一Ａ　ｓｉｎ　０ｃ）＋÷Ａ。ｓｉｎ　２　—————＝＝＝＝＝＝—　———一］　（３）　￣／（１一Ａ　ｓｉｎ　）　。　

以上的十字头位移公式、速度公式以及加速度公　式都是数学上的精确解，为了使以上各式具有明确的　物理意义，将￣／１一Ａ　ｓｉｎ　按二项式展开得到无穷级　数，并略去高阶项。　

：１一　一　……（４）　略去高阶项后：　＝丽：１一　ｋＺｓｉｎ￣ａ　（５）　二　省略高阶项后，进一步得到十字头位移公式、速　

度公式以及加速度公式的另一种表现形式，表１中的　近似解即为略去高阶项后有真实物理意义的各物理　量，并制作相应的表１。由表１知，当十字头的各个　量用近似解表达时，十字头的位移、速度、加速度均可　以看作是一阶简谐运动和二阶简谐运动的合成［２］。　

表１十字头位移、速度、加速度公式　

将表１中各个物理量用函数图象表示，分别得到　十字头的位移、速度、加速度的函数图象，如图３所　示。　

・５６・　曲柄销转角　（ａ）位移图像　曲柄销转角　

（ｂ）速度图像　

＼一洳　柏　：＝＝＝＝＝　～　

图３十字头运动学函数图象　

２连杆对十字头作用力学分析　十字头在水平方向的受力主要是活塞杆的拉力、　压力以及连杆在水平方向分力，自身与滑道的摩擦　力；铅垂方向受力主要是连杆在铅垂方向分力以及自　身重力。要分析连杆对十字头作用力，首先就要分析　压缩缸体内天然气的吸气、膨胀、排气、压缩过程。　天然气在压缩缸内的压缩排气过程也就是活塞　从一个止点向另一个止点的运动过程。这里以活塞　从外止点向内止点运动过程为例进行分析，活塞从外　止点向内止点运动过程中，活塞右侧气体压力为恒　定，大小为缸体的进气压力，活塞左侧气体压力随活　塞位置相对内止点的距离　的减小而增大，达到排　气压力时为定值，大小等于气缸排气压力值，由气体　状态方程可知：　Ｐｉ（ｘ＋Ｓ　）　＝Ｐ。（Ｓ。＋Ｓ　）“　（６）　・机械研究与应用・２０１５年第１期（第２８卷，总第１３５期）　研究与分析　式中：Ｐｉ为轴侧气体压缩时，活塞相对内止点距离为　时的压强；ｓ　为活塞行程，２７９．４　ｍｍ；Ｓ　为轴侧余　隙容积折合长度，ｍｍ；Ｓ　为盖侧余隙容积折合长度，　ｍｍ；　为活塞相对外止点的距离，ｍｍ；／／，为压缩过程　指数（查资料　取值为１．３６）；Ｐ　为考虑压力损失后　的实际进气压力。如表２所列。　

表２　ｚｔｙ２６５型天然气压缩机压缩缸以及活塞参数表　

由图４可知，在活塞左侧气体压缩过程刚刚开始　时活塞位于外止点，随着距离量　的减小，活塞左侧　气体被压缩，当活塞左侧压缩气体压强达到排气压力　时，压缩过程结束，即此时Ｐ　＝５．４　ＭＰａ，此后压缩气　体完成排气过程。由表２可知Ｐ　的值为１．７　ＭＰａ，　则由式（６）可计算出　的值为１ｌ７．７　ｍｍ。从图３可　知此时活塞的位移ＳＨ＝Ｓ　一Ｘ＝１６１．７（ｍｍ），由于活　塞的位移　与十字头的位移Ｉｓ是一致的，则由图３　（ｂ）（十字头位移与曲柄销转角的关系）可知活塞左　侧气体刚刚完成压缩过程时对应的曲柄销转角　的　值为９２．４。，即当０＜ｃｔ＜９２．４。时，活塞左侧气体处于　压缩过程；当９２．４。＜ａ＜１８０。时，活塞左侧气体处于排　气过程。　

—　Ｉ　

图４活塞位移、行程、余隙容积折合长度之间的关系　按照以上方法，同理可知当活塞从内止点向外止　点运动过程中，曲柄销转角　为２８４．５ｏ时，活塞右侧　气体完成压缩，即当１８０。＜ａ＜２８５．５。时，活塞右侧气　体处于压缩过程；当２８５．５。＜ａ＜３６０。时，活塞右侧气　体处于排气过程。　完成以上过程分析，即可得到曲柄销转动一周过　程中，压缩缸体内气体压强跟曲柄销转角　之间的　变化关系：　

：————　———　，　：１．７　ＭＰ　［Ｊｓ　＋｜ｓ　一Ｒ（１一ｃ。ｓ　）一　（１一ｃ。ｓ　２ａ）　Ａ］　

Ｐ左＝５．４　ＭＰａ，Ｐ右＝１．７　ＭＰａ　Ｐ右　—Ｒ　—１—二　Ｒ　ｐ＿１　－＿　２ａ／ＩｔＳ，Ｐ左　１．７　ＭＰ右一　、　＇　左一川　ｌ＇　ａ　［（一ｃｏｓ　）＋（一ｃｏｓ　）　＋　］　

（０＜　＜９２．４。）　（９２．４。＜　＜１８０。）　（１８０。＜ｏ／＜２８５．５。）　

Ｐ右＝５．４　ＭＰａ，Ｐ左＝１．７　ＭＰａ　（２８５．５。＜ｏ／＜３６０。）　分析完缸内气体压强变化规律，就可以很方便的　计算活塞作用力，　（活塞左右侧气体压强与作用面　积的乘积），查阅参考文献　可以很方便地得到十字　头的惯性力，以及往复运动摩擦力的计算方法，最终　得到连杆对十字头水平作用力可用式（８），即计算：　Ｆ＝（Ｇ＋Ｎ）ｆ＋　＋Ｆｆ＋Ｆ：一Ｆｇ　（８）　式中：Ｃ为十字头重力；　为系统惯性力；Ｆｆ为活塞受　到的摩擦力　为摩擦系数，取值０．３；Ｆ　为活塞右侧　气体压力；Ｆ：为活塞左侧气体压力；Ｎ为连杆对十字　头作用力铅垂分量，大小Ⅳ＝Ｆ・ｔａｎ口　十字头在机身上做往复运动过程中，建立连杆对　（７）　其作用力的简图，其中式（８）中各个力的方向如图５。　

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第4章-活塞式压缩机中作用力分析2

第4章-活塞式压缩机中作用力分析2


飞轮轮缘截面重心所组成圆的直径 飞轮轮绿部分的重力，它约等于整个 飞轮重力的0.9倍

来表示一转中角速度变化的大小
m =
n
30
可以近似地取
max +min
Xi’an Jiaotong University
Xi’an Jiaotong University
各力对压缩机的作用 b
M N Fp r sin( ) cos
M N FP sin sin( ) (l cos +r cos )=Fp r cos cos
2 rFTm n rFTm n = 60 30 平均切向力 由热力计算而得的压缩机轴功率(W) 30 N Z FTm = rn 压缩机转速(r／mi n) NZ
Wy
2
0
M y d
2
0
FTZ rd
驱动力矩 M d 是常数
M d FTm r
驱动力矩在压缩机一转中所做的功为
180 360
sin
1 2 sin 2
顺旋转方向压向气缸(或十字头 导轨)的侧向力为正
为负值
连杆力Fl沿着连杆轴线传到曲柄销中心点B，它对曲轴产生 两个作用 一个作用是连杆力相对于曲轴中心构成一个力矩，其值为
连杆力 连杆是摆动的，设它和气缸轴线间摆动的夹角为 ，并假定向曲 轴旋转的同方向摆动为正值，向旋转的相反方向为负值，活塞力 分为两个力，连杆力Fl和侧向力FN
为压缩机组中的全部旋转质量的转动惯量 为曲轴瞬时角加速度
，所以
cos( ) cos
切向力和法向力的大小及方向均随曲柄 转角 而变化，这里规定与曲轴旋转 方向相反的切向力为正、由曲轴中心向 外指向的法向力为正
十字头相关资料

十字头相关资料

4.5十字头4.5.1十字头组十字头组是船用十字头低速柴油机特有的部件。

它的作用是：连接活塞和连杆、承受侧推力并给活塞在气缸中的运动导向。

十字头组包括：十字头本体，十字头滑块和十字头轴承（即连杆上端轴承）等。

图4-10为十字头组的装配图。

图4-10 十字头组装配图十字头组的工作条件是比较差的。

十字头本体和轴承要承受周期性的气体爆发压力；十字头滑块则承受侧推力（大小和方向都周期地变化）的作用。

与此同时，各零件的尺寸则由于结构上的原因往往受到限制，因此，受力比较严重。

特别是十字头轴承，工作条件更差。

随着柴油机增压度和最高爆发压力的不断增加容易发生故障，成为船用低速柴油机可靠性的一个薄弱环节。

因此，在管理和维护上应予以足够的重视。

4.5.2十字头本体十字头销一般用优质碳钢（40、45号钢）锻造，有时也采用合金钢。

在设计中除保证有足够的强度外，目前的趋势是增加其刚度。

十字头销一般都做得粗而短（有较大的d/l）不但提高了刚度，而且可增加销表面相对运动的线速度，有利于轴承油膜的形成。

十字头销的表面往往采用滚压或镀铬等方法来提高其耐磨性；对其表面粗糙度的要求也很高，以保证工作可靠性。

十字头销和活塞杆的连接方式有两种[17]。

一是活塞杆穿过十字头销上的孔并用螺帽（海底螺帽）固定。

另一则是用活塞杆下部的凸缘用螺栓和十字头销相接。

后一种连接方式可将整个十字头销的下半部作为十字头轴承的承压面（全支承式），从而使轴承的比压降低，工作条件得到改善。

为了提高可靠性和便于维修，采用前一种连接方式的柴油机把十字头本体设计成对称的，当十字头销表面受到某些损伤时，可将本体销旋转180°继续使用。

4.5.3十字头滑块十字头滑块的结构形式有两种，即双滑块（双导板）结构和单滑块（单导板）结构。

双滑块结构。

双滑块结构（图4-11）是十字头销的两端套上滑块，并用压板将其定位。

每一滑块的两侧工作面上都浇有减磨合金，并开设油槽。

润滑用的滑油来自十字头销。

连杆分析报告

连杆分析报告

4.创建轴瓦和曲柄销活塞销
在孔中创建轴瓦和曲柄销活塞销，如图。（假设过盈量为0.001m）
5.划分网格
对该模型进行网格划分。由于结构复杂，采用四面体单元。同时由于结构大小存在差异，网格的大小也不相同，以保证网格数量少。划分网格后如下：
6.创建接触单元
把接触的面创建接触单元，对于所有存在螺栓的区域，均使用绑定约束。由于轴瓦和曲柄销之间存在油膜，将其摩擦系数设为0.1，其余皆为0.3。接触单元如下：
1.工作情况
连杆受力状况：
在最大惯性力引起的拉伸力工况：连杆大、小头孔内作用的拉伸载荷PY = 187.66 KN；连杆长螺钉预紧PC =182.92 KN；连杆短螺钉预紧力Pd = 178.59 KN；来自轴瓦的过盈配合力。
连杆材料属性：
2.根据图纸建模
3.导入ANSYS有限元
将模型导入ANSYS中，如下
7.约束和加载
对于连杆螺栓要施加预紧力。约束曲轴销的两个面。并在活塞销上施加力。在曲柄销上施加约束，在活塞销上施加力。力的加载是一个比较复杂的问题，但在实际情况中，活塞销往往不易变形。因此耦合其对应节点的所有自由度，如下：
并在编号最小的节点施加载荷。最终模型如下：
8.求解
结果收敛。
9.应力分析
查看整体的等效应力如下：
活塞销应力如下：
活塞销上应力也较小。但由于没有耦合自由度（也接近真实情况），侧面存在应力比较大的单元如下：
曲轴销轴瓦应力：
从数值上可以判断，模型中的最大应力在曲轴销轴瓦上。
其外侧：
内侧：
可见最大应力在曲轴销轴瓦内侧。
活塞销轴瓦应力：
连杆下盖应力：
内部应力：
可知最大应力在孔边。
上盖：
主体：
连杆受力分析

连杆受力分析

连杆受力分析实例1、问题描述如图4-2所示为汽车连杆的几何模型，连杆的厚度为0.5m，在小头孔的内侧90°范围内承受P=1000N的面载荷作用，利用有限元分析该连杆的受力状态。

由于连杆的架构和载荷均对称，因此在分析时只要采用一半进行分析。

采用由底向上的建模方式，有20节点的SOLID95单元划分网格并用PCG求解器求解。

3、操作步骤（1）定义工作文件名和工作标题①定义工作文件名：执行Utility Menu > File > Change Jobname命令在对话框【Change Jobname】中输入“c-rod”并选择【New log and error files】复选框，单击OK按钮。

②定义工作标题：Utility Menu > File > Change Title,在对话框【Change Title】中输入“The Stress calculating of c-rod”，单击OK按钮。

（2）定义单元类型及材料属性①设置单元类型：Main Menu > Preprocessor > ElementType >Add/Edit/Delete，在【Element Type】对话框中单击Add...按钮，在之后的【Labrary of Element Type】对话框中选择“Not Solved”和“Mesh Facet 200”选项，单击Ok按钮。

②设置单元选项：单击【Element Type】对话框中的Options...按钮，在【MESH200 element type option】设置“K1”为“QUAD 8-Node”，单击OK按钮。

单击Add...按钮，在【Labrary of Element Type】中选择“Structural Solid”和“Brick 20node95”选项，单击Ok按钮，单击Close按钮。

③设置材料属性：Main Menu > Preprocessor > Material Props > Material Models，在【Define Material Models Behavior】窗口中双击【Material Model > Available】列表中的“Structural﹨Linear﹨Elastic﹨Isotropic”选项，在弹出【Linear Isotropic Material Properties For Material Number 1】对话框中输入“EX=30e6，PRXY=0.3”，单击OK按钮，执行Material > Exit命令，完成材料属性的设置。