一種平行軸齒式壓縮機臨界負荷計算方法
【專利摘要】一種平行軸齒式壓縮機臨界負荷計算方法屬于旋轉機械轉子動力學領域。具體步驟為：(1)獲取計算平行軸齒式壓縮機臨界負荷需要的參數；(2)根據獲得的參數計算不同功率下各個齒輪輸出軸的動特性參數；(3)將動特性參數輸入動力學方程，使用傳遞矩陣法計算不同功率下各個齒輪輸出軸的1、2、3階臨界轉速；(4)使用多項式擬合不同功率下各個齒輪輸出軸的1、2、3階臨界轉速，得到各階臨界轉速的擬合函數；(5)根據各個齒輪輸出軸的工作轉速與臨界轉速擬合函數，判定各個齒輪輸出軸是否在設計上存在臨界轉速并計算具體臨界轉速值。本發明用于平行軸齒式壓縮機設計時各個齒輪輸出軸是否存在臨界負荷的驗證，指導設計人員優化壓縮機設計。
【專利說明】一種平行軸齒式壓縮機臨界負荷計算方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于旋轉機械轉子動力學【技術領域】，涉及一種平行軸齒式壓縮機臨界負荷 計算方法。
【背景技術】
[0002] 平行軸齒式壓縮機由于其運行效率高、結構緊湊等優點，在石油石化等流程工業 中壓縮空氣和二氧化碳方面得到廣泛的應用。在現場實際運行過程中發現，平行軸齒式壓 縮機在額定轉速運行的狀態下由于調整氣動負荷產生振動過大的問題，這種問題引起的故 障就是臨界負荷故障。我國設備故障診斷專家高金吉院士所著的機械故障診治與自愈化一 書中針對臨界負荷故障進行探討與研究，并成功的解決了一臺平行軸齒式壓縮機的臨界負 荷故障。
[0003] 臨界負荷故障是平行軸齒式壓縮機因運行條件改變而引起的一種振動過大的故 障，由于壓縮機入口導葉變化而導致氣動負荷改變，從而影響了壓縮氣體做功轉子支撐軸 承的剛度變化，而軸承剛度改變會影響轉子的各階臨界轉速轉速改變，當某一階臨界轉速 在剛度變化的過程中與額定轉速重合時，就會引發共振，導致機組振動異常，一旦振動過大 就會引發跳車，導致生產被迫停止。
[0004] 在平行軸齒式壓縮機實際運行過程中發現，并不是所有輸出軸都存在臨界負荷故 障現象，通過動力學分析發現由于某些輸出軸正常工作轉速與各階臨界轉速偏差較大，平 行軸齒式壓縮機在負荷變化范圍內各階臨界轉速的變化并不會導致其與工作轉速重合，因 此，這種平行軸齒式壓縮機的輸出軸并不存在發生臨界負荷的可能。本發明提出的一種平 行軸齒式壓縮機臨界負荷計算方法，根據平行軸齒式壓縮機的基本結構尺寸、個葉輪質心 位置、質量、直徑轉動慣量和極轉動慣量，各個齒輪軸的正常運行工作轉速，各齒輪的安裝 角度、齒輪的安裝位置、節圓直徑、螺旋角及壓力角以及額定運轉功率計算輸出軸是否存在 臨界負荷，指導平行軸齒式壓縮機設計人員在設計時，校驗各個輸出軸臨界負荷問題，從而 在設計時規避各個輸出軸發生臨界負荷故障的可能。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是在于根據平行軸齒式壓縮機的基本結構尺寸、個葉輪質心位置、 質量、直徑轉動慣量和極轉動慣量，各個齒輪軸的正常運行工作轉速，各齒輪的安裝角度、 齒輪的安裝位置、節圓直徑、螺旋角及壓力角以及額定運轉功率等信息，對平行軸齒式壓縮 機各個輸出軸臨界負荷進行計算，根據計算結果校驗輸出軸是否在運行過程中發生臨界負 荷故障，從而在設計時規避臨界負荷發生的可能，為平行軸齒式壓縮機設計增加了設計依 據，保證了該類壓縮機安全穩定的運行。
[0006] -種平行軸齒式壓縮機臨界負荷計算方法，其特征在于，包括：
[0007] 1)輸入計算平行軸齒式壓縮機臨界負荷所需要的信息，包括：平行軸齒式壓縮機 各個轉軸的基本結構尺寸，各個葉輪質心位置、質量、直徑轉動慣量和極轉動慣量，各個齒 輪軸的正常運行工作轉速，各齒輪的安裝角度、齒輪的安裝位置信息、節圓直徑、螺旋角及 壓力角以及額定運轉功率。
[0008] 2)計算平行軸齒式壓縮機各個齒輪輸出軸軸承在正常運行工作轉速條件下不同 功率的動特性參數，包括剛度系數和阻尼系數。
[0009] 3)計算平行軸齒式壓縮機各個齒輪輸出軸在正常運行工作轉速條件下不同功率 的1、2和3階臨界轉速。
[0010] 4)使用二次多項式擬合算法擬合平行軸齒式壓縮機各個輸出軸正常運行工作轉 速下不同功率的1、2和3階臨界轉速，得到各個輸出軸工作轉速下不同功率1階臨界轉速 擬合函數(P)、2階臨界轉速擬合函數fe2 (p)、3階臨界轉速擬合函數fe3 (p)，p的取值范 圍為：0%彡P彡100%。
[0011] 5)計算平行軸齒式壓縮機各個輸出軸的1階臨界轉速擬合函數fa (p)的變化 區間[fcl (0)，fcl (100) ]、2階臨界轉速擬合函數fC2 (P)的變化區間[fC2 (0)，fC2 (100)]、 3階臨界轉速擬合函數fC3(P)的變化區間[L(Ohfra(K)O)];若該輸出軸的工作轉速 Reve[fcl (0)，fcl (100)]或Reve[fC2 (0)，fC2 (100)]或Reve[fC3 (0)，fC3 (100)]，則該輸 出軸存在臨界負荷，臨界負荷根據等式fra(P) =Rev計算得到，其中，i=I或2或3 ;若輸 出軸的工作轉速RevwLZn(O),./:.,(100)^^^4./:.2(0),./:.2(100)^^14./^(0^ 則該輸出軸不存在臨界負荷；
[0012] 計算各個齒輪軸軸承的動力特性參數，根據平行軸齒式壓縮機各個輸出軸額定運 轉功率已，計算該功率下輸出軸齒輪嚙合力Fp并與輸出軸的重力G進行矢量加和，得到當 前功率下各個輸出軸齒輪哨合處的總受力=Fp+G;根據平行軸齒式壓縮機各個輸 出軸齒輪嚙合處的總受力，調用軸承動特性計算程序，計算得到正常運行工作轉速額定運 轉功率^下的剛度系數與阻尼系數。根據上述計算方法計算正常運行工作轉速下不同功 率的剛度系數與阻尼系數，功率取值范圍Pe[0%，100% ]。
[0013] 計算平行軸齒式壓縮機各個齒輪輸出軸的臨界轉速，根據獲得的輸出軸的基本結 構尺寸建立轉子模型以及各個葉輪質心位置、質量、直徑轉動慣量和極轉動慣量，對各個轉 子模型進行離散化處理，將連續的轉子構造成一系列質量塊組成的多自由度離散轉子系 統，離散的各個子段的質量按照質量中心不變的原則分到兩端節點上，轉動慣量按照轉動 慣量不變原則簡化到兩邊端點上，簡化后軸段的等效抗彎剛度與各個子段的抗彎剛度關 系，按照純彎時兩端截面相對轉角不變求得。
[0014] 根據離散化的轉子模型構建平行軸齒式壓縮機各個輸出軸轉子系統的動力學方 程MV+Ci+心=F,式中，M為質量矩陣、C為阻尼矩陣、K為剛度矩陣，X為系統的廣義坐 標矢量、F為作用在系統上的廣義外力。將在正常運行工作轉速條件下計算的不同功率的剛 度系數和阻尼系數帶入各個輸出軸轉子系統的動力學方程的剛度矩陣和阻尼矩陣后，使用 傳遞矩陣法計算平行軸齒式壓縮機各個輸出軸在正常運行工作轉速條件下不同功率的1、2 和3階臨界轉速。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1 一種平行軸齒式壓縮機臨界負荷計算方法流程圖；
[0016] 圖2平行軸齒式壓縮機結構圖；
[0017] 圖3平行軸齒式壓縮機齒輪輸出軸1結構簡圖；
[0018] 圖4平行軸齒式壓縮機齒輪輸出軸2結構簡圖；
[0019] 圖5平行軸齒式壓縮機齒輪輸出軸3結構簡圖；
[0020] 圖6齒輪輸出軸1負荷變化與臨界轉速關系圖；
[0021] 圖7齒輪輸出軸2負荷變化與臨界轉速關系圖；
[0022] 圖8齒輪輸出軸3負荷變化與臨界轉速關系圖；
【具體實施方式】
[0023] 下面結合附圖和實例對本發明進行具體說明。
[0024] -種平行軸齒式壓縮機臨界負荷計算方法流程圖如圖1所示，主要包括：
[0025] (1)獲取需要計算臨界負荷的平行軸齒式壓縮機的參數，包括：平行軸齒式壓縮 機各個轉軸的基本結構尺寸，各個葉輪質心位置、質量、直徑轉動慣量和極轉動慣量，各個 齒輪軸的正常運行工作轉速，各齒輪的安裝角度、齒輪的安裝位置信息、節圓直徑、螺旋角 及壓力角以及額定運轉功率；
[0026] (2)根據齒輪軸齒輪安裝位置、節圓直徑、螺旋角及壓力角以及額定運轉功率，計 算各個齒輪輸出軸齒輪嚙合的總受力，根據輸出軸的受力計算各個齒輪輸出軸軸承的動特 性參數，包括剛度系數、阻尼系數；
[0027] (3)根據獲得的輸出軸的基本結構尺寸建立轉子模型以及各個葉輪質心位置、質 量、直徑轉動慣量和極轉動慣量，對各個轉子模型進行離散化處理，建立各個齒輪輸出軸的 動力學方程，使用傳遞矩陣法計算齒輪輸出軸的1、2和3階臨界轉速。
[0028] (4)計算齒輪輸出軸運行功率在不同功率百分比p下的1、2、3階臨界轉速，使 用二次多項式擬合算法擬合各個齒輪輸出軸在不同負荷百分比下的1、2、3階臨界轉速，得 到1階臨界轉速的擬合函數fia(P)，2階臨界轉速擬合函數fie2 (p)，3階臨界轉速擬合函數 化3(口），1代表不同齒輪輸出軸，1 = 1，2,3...，11;
[0029] (5)根據計算得到的臨界轉速擬合函數以及各個齒輪輸出軸的工作轉速，判別各 個齒輪輸出軸是否存在臨界負荷，如果存在則計算具體齒輪輸出軸的臨界負荷；
[0030] 本發明以某壓縮機設計廠家設計的平行軸齒式壓縮機為對象對該平行軸齒式壓 縮機各個輸出軸的臨界負荷進行校驗。該平行軸齒式壓縮機共有5個轉子，其中3個為輸出 轉子，如圖2所示。根據平行軸齒式壓縮機各個轉軸的基本結構尺寸，各個葉輪質心位置、 質量、直徑轉動慣量和極轉動慣量等信息分別建立齒輪輸出軸的模型，圖3為齒輪輸出軸1 的結構簡圖、圖4為齒輪輸出軸2的結構簡圖、圖5為齒輪輸出軸3的結構簡圖。
[0031]各個齒輪的螺旋角：12度；壓力角：20度。
[0032]
【權利要求】
1. 一種平行軸齒式壓縮機臨界負荷計算方法，其特征在于，包括： 1) 輸入計算平行軸齒式壓縮機臨界負荷所需要的信息，包括：平行軸齒式壓縮機各個 轉軸的基本結構尺寸，各個葉輪質心位置、質量、直徑轉動慣量和極轉動慣量，各個齒輪軸 的正常運行工作轉速，各齒輪的安裝角度、齒輪的安裝位置信息、節圓直徑、螺旋角及壓力 角以及額定運轉功率； 2) 計算平行軸齒式壓縮機各個齒輪輸出軸軸承在正常運行工作轉速條件下不同功率 的動力特性參數，包括剛度系數和阻尼系數； 3) 計算平行軸齒式壓縮機各個齒輪輸出軸在正常運行工作轉速條件下不同功率的1、 2和3階臨界轉速； 4) 使用二次多項式擬合算法擬合平行軸齒式壓縮機各個輸出軸正常運行工作轉速下 不同功率的1、2和3階臨界轉速，得到各個輸出軸工作轉速下不同功率1階臨界轉速擬合 函數(P)、2階臨界轉速擬合函數fe2(p)、3階臨界轉速擬合函數(p)，p的取值范圍為： 0%^p^ 100% ； 5) 計算平行軸齒式壓縮機各個輸出軸的1階臨界轉速擬合函數fa(p)的變化區 間[fcl (〇)，fcl (1〇〇) ]、2階臨界轉速擬合函數fC2 (p)的變化區間[fC2 (0)，fC2 (100)]、 3階臨界轉速擬合函數fra(p)的變化區間[&3(〇)，43(1〇〇)];若該輸出軸的工作轉速 RevG[fcl (〇)，fcl (1〇〇)]或RevG[fC2 (〇)，fC2 (1〇〇)]或RevG[fC3 (〇)，fC3 (1〇〇)]，則該輸出 軸存在臨界負荷，臨界負荷根據等式fa(P) =Rev計算得到，其中，i= 1或2或3 ;若輸出 軸的工作轉速
則該輸出軸不存在臨界負荷。
2. 根據權利要求1所述的一種平行軸齒式壓縮機臨界負荷計算方法，其特征在于：所 述的計算各個齒輪軸軸承的動力特性參數，根據平行軸齒式壓縮機各個輸出軸額定運轉功 率己，計算該功率下輸出軸齒輪嚙合力并與輸出軸的重力石進行矢量加和，得到當前 功率下各個輸出軸齒輪哨合處的總受力+G;根據平行軸齒式壓縮機各個輸出 軸齒輪嚙合處的總受力，調用軸承動特性計算程序，計算得到正常運行工作轉速額定運轉 功率^下的剛度系數與阻尼系數；根據上述計算方法計算正常運行工作轉速下不同功率的 剛度系數與阻尼系數，功率取值范圍Pe[〇%，1〇〇% ]。
3. 根據權利要求1所述的一種平行軸齒式壓縮機臨界負荷計算方法，其特征在于：計 算平行軸齒式壓縮機各個齒輪輸出軸的臨界轉速，根據獲得的輸出軸的基本結構尺寸建立 轉子模型以及各個葉輪質心位置、質量、直徑轉動慣量和極轉動慣量，對各個轉子模型進行 離散化處理，將連續的轉子構造成一系列質量塊組成的多自由度離散轉子系統，離散的各 個子段的質量按照質量中心不變的原則分到兩端節點上，轉動慣量按照轉動慣量不變原則 簡化到兩邊端點上，簡化后軸段的等效抗彎剛度與各個子段的抗彎剛度關系，按照純彎時 兩端截面相對轉角不變求得； 根據離散化的轉子模型構建平行軸齒式壓縮機各個輸出軸轉子系統的動力學方程MV+Ci+iC^F，式中，M為質量矩陣、C為阻尼矩陣、K為剛度矩陣，x為系統的廣義坐標 矢量、F為作用在系統上的廣義外力；將在正常運行工作轉速條件下計算的不同功率的剛 度系數和阻尼系數帶入代入各個輸出軸轉子系統的動力學方程的剛度矩陣和阻尼矩陣后， 使用傳遞矩陣法計算平行軸齒式壓縮機各個輸出軸在正常運行工作轉速條件下不同功率 的1、2和3階臨界轉速。
【文檔編號】F04C28/28GK104405642SQ201410536423
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年10月12日 優先權日:2014年10月12日
【發明者】江志農, 張明, 馮坤, 馬波, 高金吉 申請人:北京化工大學