【壓縮機(jī)網(wǎng)】某公司因?yàn)槭褂眯枰拥饺蝿?wù)要求開發(fā)一款轉(zhuǎn)速n=1470r/mim，z*大活塞力P=160kN,4M型基礎(chǔ)件。這對高轉(zhuǎn)速、4M型的曲軸提出更高的精度要求。

　　相關(guān)人員分析研究后擬利用SolidWorks進(jìn)行曲軸動平衡仿真，使曲軸達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn)ISO1940規(guī)定的平衡精度，并選取曲軸精度等級G6.3，依據(jù)動平衡原理（要求慣性力和慣性力矩都達(dá)到平衡），設(shè)計出基于SolidWorks的4M16曲軸動平衡仿真分析報告，并具體提出幾種分析方法，以供參考施行研究。

　　方法一：Simulation有限元分析法

　　a)夾具：在曲軸兩軸承端設(shè)置固定鉸鏈，如圖1所示。

　　b) 外部載荷：在旋轉(zhuǎn)軸上添加旋轉(zhuǎn)速度n=1470r/min，方向順時針（從電機(jī)端往曲軸方向看去）如圖2所示。

 

　　c) 網(wǎng)格化：對曲軸進(jìn)行網(wǎng)格化，如圖3所示。

　　d)運(yùn)行并顯示結(jié)果：如圖4所示。

 

　　圖中顯示兩端軸承受力情況，得出的合力即為旋轉(zhuǎn)不平衡力F1=221.09N。

　　方法二：Motion運(yùn)動分析法

　　a)新建運(yùn)動算例，將曲軸兩端設(shè)好的點(diǎn)分別與機(jī)身旋轉(zhuǎn)軸（Z軸）重合。

　　b)設(shè)置旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，轉(zhuǎn)速n=1470r/min，方向順時針，如圖5所示。

　　c)添加重力：將Y軸正向設(shè)為重力方向（因?yàn)檠芯克捷SX方向受力，可以不設(shè)置重力），如圖6所示。

　　d)點(diǎn)擊計算按鈕，輸出兩端支反力作用曲線圖，如圖7所示。

　　e)將左右兩側(cè)支反力進(jìn)行矢量疊加，獲得的曲線圖如圖8所示。

　　這是一條類正余弦曲線，其極值F2=221N（在水平方向0°和180°）。

　　方法三：傳統(tǒng)計算法

　　a)原理：具有一定轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子，由于材料組織不均性、零件外形誤差、裝配誤差以及結(jié)構(gòu)形狀局部不對稱性（如鍵槽）等原因，使通過轉(zhuǎn)子重心的主慣性軸與旋轉(zhuǎn)軸線不重合，因而旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生不平衡離心力，其值如下式所示:

　　式中：m為轉(zhuǎn)子的重量（kg）；ω為轉(zhuǎn)子角速度（rad/s）；n為轉(zhuǎn)子速度（r/min）；e為轉(zhuǎn)子重心對旋轉(zhuǎn)軸線的偏移，即偏心距（mm）。

　　b)由曲軸的質(zhì)量屬性可知曲軸質(zhì)量，重心位置，如圖9所示。

　　c)該曲軸旋轉(zhuǎn)不平衡慣性力

　　結(jié)論

　　從上述三種方法可知F1=F2=F3=221N，即無論使用Simulation有限元分析法還是Motion運(yùn)動分析法，其結(jié)果與傳統(tǒng)計算法得出的結(jié)果一致。

　　確定z*大往復(fù)質(zhì)量Mp

　　已知電機(jī)轉(zhuǎn)速n=1470r/mim，取綜合活塞力

　　P=156kN，λ=0.1724，行程S=2r=2×63.5=127mm，則往復(fù)z*大質(zhì)量Mpmax=P/[rω2（1+λ）]=88.4kg

　　取往復(fù)質(zhì)量Mp=85kg[相對運(yùn)動兩列的往復(fù)運(yùn)動重量誤差，不得大于1磅（0.4536 kg）]

　　整機(jī)進(jìn)行Motion運(yùn)動仿真

　　將連桿、曲軸、活塞及活塞桿等運(yùn)動件進(jìn)行裝配，在此裝配體中進(jìn)行Motion運(yùn)動仿真（具體步驟見方法二），得出軸承兩端受力曲線圖，如圖10所示。

 

　　從圖中可知，左側(cè)受力在±1.82×10⁴ N成正余弦波動，右側(cè)受力在±1.84×10⁴ N成正余弦波動，該力組成的力矩是機(jī)組震動的根源。這種周期性變化的支反力是由于一階慣性力矩不平衡引起的，必須予以降低甚至消除。

　　4M16曲軸連桿機(jī)構(gòu)受力分析

　　1、氣體力與摩擦力（旋轉(zhuǎn)摩擦力和往復(fù)摩擦力）屬于內(nèi)力，它們均在機(jī)器內(nèi)部相互抵消掉。

　　2、往復(fù)慣性力和旋轉(zhuǎn)慣性力屬于外力，它們在機(jī)器內(nèi)部若不能平衡掉，那么它們會通過主軸承和機(jī)體傳遞至機(jī)器外部來。因?yàn)槠鋽?shù)值大小和方向隨著曲柄轉(zhuǎn)角周期變化，會引起機(jī)器的振動和噪聲，縮短軸承使用壽命。

　　3、往復(fù)慣性力：往復(fù)慣性力的大小由往復(fù)質(zhì)量ms與其加速度a大小決定的，方向同加速度a方向，其表達(dá)式為I=msa=msω2r（cosθ+λcos2θ）

　　4、旋轉(zhuǎn)慣性力：是由曲柄銷質(zhì)量mr沿著旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)引起的，方向始終沿著曲柄銷半徑向外, 其表達(dá)式為Ir=mrω2r

　　5、4M16曲軸連桿機(jī)構(gòu)簡圖如圖11所示：第1列所處位置設(shè)為曲柄轉(zhuǎn)角為0，b為相鄰列間距，L為兩端平衡重距離，δ為1、3列氣缸中心線夾角等于90°，λ為1、2列氣缸中心線夾角等于180°，其慣性力與慣性力矩如表1所示。

　　從表1中知旋轉(zhuǎn)慣性力Ir、一階往復(fù)慣性力I1、二階往復(fù)慣性力I2、二階往復(fù)慣性力矩M2均等于零；旋轉(zhuǎn)慣性力矩Mr可在曲柄銷對側(cè)加平衡重來平衡（本文曲軸的Mr已配平衡，過程不再贅述）；一階往復(fù)慣性力矩，其極值在曲柄轉(zhuǎn)角45°和225°方向上，故在其反方向225°和45°方向上加配重塊進(jìn)行平衡。一般在曲軸兩端，因?yàn)榇藭r力臂z*大，則配置塊的質(zhì)量z*輕，對曲軸平衡性能更有利。

　　6、在曲軸兩端，曲柄轉(zhuǎn)角分別為225°和45°方向加配重塊，如圖12所示。

　　7、將修改后的曲軸重新裝入裝配體中再進(jìn)行Motion運(yùn)動仿真（具體步驟見方案二），得出軸承兩端受力曲線圖，如圖13所示。

　　由曲線圖可知，左側(cè)支反力由±1.82×10⁴N 銳減至±0.12×10⁴N, 右側(cè)支反力由±1.84×10⁴N 銳減至 ±0.10×10⁴N，兩側(cè)力是大幅減低（降幅約15倍），有效抵消了反作用力矩，這對機(jī)組震動是有益的。現(xiàn)將上圖中兩側(cè)支反力進(jìn)行矢量疊加，求的合力如圖14所示。

　　此曲線圖表示該運(yùn)動機(jī)構(gòu)在水平軸（X）方向所受的合力，大小在-250～+350（N）范圍內(nèi)波動。

　　8、驗(yàn)證一階慣性矩平衡情況

　　所加配重塊質(zhì)量屬性如圖15所示。

　　剩余不平衡力矩△M=M1-M'=400（N.m），此值相對于一階往復(fù)慣性力矩M1非常小（1.4%），可以認(rèn)為一階往復(fù)慣性力矩被配重塊構(gòu)成的反力矩平衡掉了。

　　1、達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)

　　將修改后的曲軸（圖12）進(jìn)行Simulation有限元分析，具體步驟同方法一，分析結(jié)果如圖16所示。

　　

　　2、用途及應(yīng)用范圍

　　基于SolidWorks的曲軸動平衡仿真可以模擬各類轉(zhuǎn)子動平衡：可適用適有轉(zhuǎn)軸或可裝配工藝軸的轉(zhuǎn)子，如壓縮機(jī)及發(fā)動機(jī)曲軸、機(jī)床主軸、滾筒、風(fēng)機(jī)、增壓器、電機(jī)轉(zhuǎn)子、汽輪機(jī)等；也適用于轉(zhuǎn)子本身不具轉(zhuǎn)軸的盤狀工件，如離合器、齒輪、風(fēng)扇、壓盤及其總成、制動盤、風(fēng)葉、水泵葉輪、汽車飛輪、剎車轂、皮帶輪、砂輪等盤類零件。

　　3、經(jīng)濟(jì)效益和社會效益

　　傳統(tǒng)硬支撐平衡機(jī)雖能較好地對轉(zhuǎn)子本身進(jìn)行平衡，但是對于轉(zhuǎn)子尺寸相差較大時，往往需要不同規(guī)格尺寸的動平衡機(jī)，而且試驗(yàn)時仍需將轉(zhuǎn)子從機(jī)器上拆下來，這樣明顯是既不經(jīng)濟(jì)，也十分費(fèi)工。當(dāng)對曲軸連桿這類特殊轉(zhuǎn)子進(jìn)行平衡時需要折算連桿作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動質(zhì)量，一般很難保證精度。

　　基于SolidWorks的曲軸動平衡仿真則完全可以模擬曲軸運(yùn)動件受力情況并得出受力曲線圖，數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，而且操作簡單。這種方法在曲軸設(shè)計前期就可以對曲軸進(jìn)行動平衡分析，提高曲軸設(shè)計精度、縮短曲軸開發(fā)時間、降低開發(fā)成本。尤其對于高速往復(fù)式壓縮機(jī)，不僅可以平衡力，而且還可以平衡力矩，確保高速往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，減少軸承磨損，降低噪聲。

　　作者簡介：

　　王孝磊(1986-),男，大學(xué)本科，安瑞科（蚌埠）壓縮機(jī)有限公司研發(fā)室。