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基于螺杆转子啮合接触线加载气体轴向力的热应力分析

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  • 发布时间:2014-08-30
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螺杆压缩机具有可靠性高、操作维修方便、动力平衡性好、适应性强以及多相混输的特点,广泛应用于矿山、化工、动力、冶金、建筑、机械、制冷等工业部门,在许多领域将逐渐代替活塞式压塑机和其他类型压缩机。

据调研,目前国内外螺杆压缩机目前采用的是单吸非平衡式螺杆压缩机。由于这种压缩机的螺杆单向受力,当出口压力较高时,轴向定位的轴承受力很大,严重影响轴承的使用寿命,甚至有断轴的危险 J。鉴此,对螺杆转子进行热应力分析尤其重要。文献[2、3]对螺杆转子的热分析,主要验证了螺杆转子的变形主要来自于热变形,而力变形对螺杆转子的影响很校由于它们没有考虑热应力对轴的影响,因此它们不足之处就是没有按着螺杆转子实际接触线加载气体轴向力。文献[4]的不足之处就是,虽然它考虑了热应力对轴向力的影响,但它在加载气体对螺杆齿面施加压力时,没有按照实际接触线加载,这样会导致所求结果较为粗糙。本研究给出了螺杆转子实际啮合条件下的双螺杆转子接触线,并利用转子接触线作为工作区的分隔线来实现实际接触状况下各接触区槽段分别施加气体轴向载荷的方法,同时以某规格的阴转子为例进行了转子热应力分析。该方法能使求出的螺杆转子轴向力更为精确、更有说服力。对整体提高螺杆转子以及压缩机的品质及寿命提供更为详实的理论依据。

1 接触线的求解在建立接触线方程时,首先要建立转子端面型线的各组成齿曲线方程,并导出各组成齿曲线形成的螺旋齿面方程。然后,再由齿面方程导出与各组成齿曲线对应的具体条件啮合式。联立啮合条件式和转子的螺旋齿面方程式,即可得到阴阳转子的接触线方程。

下面以阴转子左旋为例,螺杆转子螺旋齿面方程式由式(1)求解:收稿 日期 :2013 1-18基金项 目:国家科技部科技人 员服务企业行动项 目(SQZ009GJC5(668);江西势技支撑计划项目(IOBGB00601);江西侍育厅产学研合作资助项目(GJJ10005)作者简介:王小明(1959-),男,江西吉安人,高级工程师,主要从事压缩机、液压以及自动化控制方面的技术研究工作。

液压与气动 2013年第7期- 而 p式中:P为螺旋特性数;T为形成曲线绕z轴旋转-周后轴向前进的距离,即轴节距或导程;丁为扭转角,:(t)、Y:(t)分别是阴转子型线方程 。

双螺杆压缩机转子间的接触线,是两转子在啮合运动时,两个共轭齿面的交线。所谓啮合,就是说相互运动的两个转子的齿面只能相互滑移,而不能发生彼此冲击或者脱离,也就是两齿面的法向相对速度为零。

从而得知两转子接触点的相对速度矢量 在接触点公法线 上的投影为零,即 上元。两矢量垂直的数学表达式为 ·元0将其速度矢量和法向量矢量动坐标系向 ,Y, 轴上投影,上式可表达为:VxnxVynv z z 0啮合条件式可以表示在不同的坐标系上,对于两轴线平行的螺杆压缩机,由于其在 轴方向没有相对运动,故其啮合条件式在阴转子坐标系中的表达式为:Ux2n2 Uy2n y2 0 (2)其中法向量表达式为:Oy2Oz2aata),2以2a a下a 2 2a aa 2a戈2ar a.ray2pz孤 2 , - p (j)速度矢量表达式为:Iv,2- YzAsin z l (4) tv, kx2-Acos2 J将式(4)和式(3)代入式(2)得其啮合条件式为:(-ky2Asin2)Pz by2 Acos2)p2 0(5)由式(5)可知,啮合条件式是-个含有 ( 、 、 )的隐函数表达式l(t、下、 )0。如果给定-个 值,则可由啮合条件式解得若干组( 、 ),用这些( 、丁)代人转子的齿面方程式(1),即可在此得到 :的位置时,两齿面的-条接触线 。图 1是整个阴转子接触线图,图中虚线是机体内圆相交线;A.A与B.B是两条剖面线。

吸图 1 阴转子接触线图2 实体建模与网格划分由于本模型螺杆转子的复杂性,仅靠 wobench建立三维模型比较繁琐,本研究借助 pro/E通过混合建立三维模型,然后将实体模型转化为iges文件导人workbench,在 workbench中进行有限元分析。压缩机材料选用结构钢,计算中取弹性模量E为2.0el1,泊松比 为0.3,密度P为7850 ks/m ,热膨胀系数 为1.2e- 5/c,热传递系数A为60.5 w/m.C。本研究选用四面体单元对螺杆转子进行网格划分,单位数 50783,节点数为 125360。如图2所示。

图2 螺杆转子网格划分3 约束条件和载荷的处理在设计螺杆压缩机中,无论是使用哪种轴承,都应该能够让压缩机-端固定,另-端能够自由伸缩。-般情况下,排气端固定,吸气端让其自由膨胀,以使排气端有最小的不变间隙值,使流体泄漏量简单、最少。

因此本研究在转子排气端,轴承对转子的约束可简化为、y,z方向自由度固定,同时固定其 、Y方向旋转自由度,只保留轴向 方向旋转自由度。在吸气端,让其 、Y、方向自由度固定, 方向自由度保留,同时让其 、Y方向旋转自由度也固定,轴向 方向旋转自由度保留 。

作用在转子的轴向力主要由气体压力产生,其中包括气体压力作用于转子吸气端面和排气端面上所产生的轴向力F 和F 、以及气体压力作用于转子螺旋齿面上所产生的轴向分力 F 。对于-齿间容积来说,气体轴向力 只能在被称为接触区槽段的有接触线中产生,在接触区槽段外,任何-侧的非接触区槽段,由于其气体压力相同,并且被槽底螺旋线分开的,L, Jr 吣S C / /L - 盯0 .ⅡC S 、 、( ( rII I1 Il,Il-lIfl

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