叶片铰接滚动转子压缩机主要零部件的强度分析(2)

2.2、铰接支座的静态强度分析

　　铰接支座的静态强度分析与隔离叶片的分析步骤一致。铰接支座的材料为QT900 - 2。铰接支座的几何实体模型如图6所示,通过ANSYS内置的IGES转换过滤器输入到ANSYS中,定义单位制、选取单元类型,进行网格划分,铰接支座的网格划分模型如图6所示。

图6　铰接支座的网格划分模型图7　铰接支座的载荷模型

　　加载和求解,只考虑铰接支座受静态气体力的作用,左边的气体压力为排气压力1. 5MPa,右边的气体压力为吸气压力0. 2MPa。在隔离叶片和滚动活塞的两个铰接处的圆弧面上施加对称的边界条件。铰接支座与前后缸盖接触的两个端面加垂直于端面方向的位移约束。铰接支座加载后的模型如图7所示。

　　查看分析结果,铰接支座在静态载荷的作用下,其变形如图8 所示,等效应力分布如图9 所示 。

图8　铰接支座的变形模型图9　铰接支座的等效应力分布

　　铰接支座的材料QT900 - 2 的力学性能: 名义屈服极限σ0. 2 = 600MPa 抗拉强度极限σb =900MPa。通过应力分析可以看出:最大的应力出现在铰接支座的铰接槽倒圆角附近,其值为21. 361MPa,铰接支座只受静态气压作用时的安全系数是28. 1,安全裕度大。由此可见,铰接支座的损坏不是由于静态气体压力的缘故,但是铰接支座的铰接槽倒圆角附近是应力敏感区。

3、隔离叶片和铰接支座的试验验证和选材

　　由隔离叶片和铰接支座的静态强度分析可见,静态气体压力不会致使隔离叶片和铰接支座的损坏。为保证叶片铰接滚动转子压缩机的性能和可靠性,除了合理的结构设计外,材料的选择也极为重要。刚开始进行典型双缸叶片铰接滚动转子压缩机机械性能试验时,隔离叶片的材料选择为球墨铸铁,缸体采用合金铸铁250,传动轴采用QT900 - 2,滚动活塞的材料为合金铸铁240 - Cr,前后缸盖材料为合金铸铁250, 铰链支座采用QT900 - 2,没有发生任何异常情况。这就充分证明了静态气体压力不会致使隔离叶片和铰接支座的损坏。但在作耐久性试验时,出现隔离叶片的铰接接头断裂的情况,分析其原因认为球墨铸铁的强度不够,后改为Cr12材料,确保了隔离叶片的耐磨性和强度要求。再继续进行耐久性试验时,当转速提高到5500 r /min时,压缩机只运行了2min左右铰接支座就破裂损坏,破裂处位于铰链支座铰接槽的尖角处,接着隔离叶片脱离铰链支座,高速碰撞缸体,使缸体在排气孔位置轴向开裂。又由叶片铰接滚动转子压缩机的运动分析可见,当传动轴的转速较高时压缩机在工作过程中的角速度、角加速度变化较大,会产生强烈的冲击与碰撞, 传动轴的转速愈高, 这种状况就愈严重。另外,在铰接支座的铰接槽尖角结构突变处,必然会出现应力集中。由此可见,铰链支座铰接槽尖角处破裂是由于隔离叶片和铰链支座在高速运转时强烈冲击、碰撞与结构突变出现应力集中所致。针对这一问题,提出了适当加大铰链支座铰接槽的倒角和隔离叶片的倒角以减少应力集中及选用强度更高材料40Cr的改进措施 。通过耐久性试验验证,没有发生异常情况。试验表改进措施有效可行。

4、结论

　　(1)通过利用有限元分析软件ANSYS对新型叶片铰接滚动转子压缩机的隔离叶片和铰链支座等主要运动部件的静态强度分析,证明了易损件隔离叶片和铰接支座在静态气体压力的作用下,是安全的,但是隔离叶片的圆柱状头部与缸体铰接的倒圆角处和铰接支座的铰接槽倒圆角附近是应力敏感区;

　　(2)合理地选择主要零部件的材料是保证压缩机正常运转的必要措施,也是提高压缩机效率、机械性能、可靠性的关键技术,为进一步提高新型压缩机的性能打下坚实的基础;

　　(3)通过耐久性试验,当速度提高到5500 r/min时,出现铰链支座铰接槽倒圆角处很快破裂的损坏现象。结合以前的运动分析可见,当传动轴的转速较高时压缩机在工作过程中的角速度、角加速度变化较大,会产生强烈的冲击与碰撞,传动轴的转速愈高,这种状况就愈严重。另外,在铰接支座铰接槽尖角结构突变处,必然会出现应力集中。试验的结果证明了铰接支座铰接槽倒圆角的崩裂是由于隔离叶片和铰链支座在传动轴高速运转时的强烈冲击、碰撞与结构突变出现应力集中所致。针对这一问题提出了适当加大铰链支座铰接槽的倒圆角和隔离叶片的倒圆角以减少应力集中及选用强度更高材料的改进措施。耐久性试验证明,该改进措施是切实可行的。