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大型压缩机动力学分析与噪声预测

刘成武  
【摘要】: 压缩机是用来提高气体压力和输送气体的机械。随着科学技术的发展,近年来,特别是石油化工的发展,压力能的应用日益广泛,使得压缩机在国民经济的各个部门成为必不可少的关键设备之一。随着现代设计技术水平的不断提高,压缩机的性能指标不断得到强化,研究如何降低压缩机的噪声和减少振动成为了重要的课题。鉴于此,本文在压缩机设计领域首次对大型压缩机进行动力学分析与噪声预测,重点围绕压缩机的动力学特性、结构动态特性和结构声辐射特性等方面的问题进行了系统深入的研究,旨在建立一套往复压缩机动力学分析与噪声预测的理论模型和分析方法,为压缩机的低噪声设计提供理论依据。 首先以有限元动态特性分析为基本手段,对K5206NM型压缩机的主要承载部件曲轴和机体进行了有限元模态分析,获得了该机曲轴和机体的固有频率和振型等模态特性参数,为曲轴运动件动力学分析和机体的强迫振动分析奠定了基础。 在分析K5206NM压缩机曲轴系统拓扑构型的基础上,运用多体动力学理论和有限元方法,分别建立了曲轴系统的多刚体模型和考虑曲轴柔性作用的多柔体模型。通过对两种模型的仿真对比分析,分别获得活塞、连杆及曲轴运动负荷,可以发现曲柄连杆机构中刚性部件之间以及连杆和曲柄销之间的相互作用关系用两种模型都可以得出比较准确的分析结果;而曲轴和机体的主轴承之间的相互作用关系只有柔体动力学模型能给出合理且相对准确的分析计算结果。另外,柔体动力学模型可以计算出曲轴在压缩机整个工作循环内的力边界条件和位移边界条件,结合有限元方法,曲轴的强迫振动行为可以得到分析。 通过压缩机曲轴运动件系统多体动力学分析,计算了机体承受的气缸气体压力、活塞导向轴承载荷和主轴承载荷等,详细分析了机体在上述多种载荷下的动力学响应问题,并对其中的力、位移边界条件和结构阻尼等影响因素进行了分析探讨。通过机体动态响应分析,不仅可以掌握机体的位移与应力分布情况,而且还获得了机体各个节点在运行过程中的位移、速度、加速度时间历程,为曲轴与机体的结构设计提供理论依据。同时,通过动态响应分析所得的机体表面振动位移速度与部分测点实测数据吻合较好。 以压缩机机体表面振动速度的均方值为因子,依据声学原理计算了机体的表面辐射声功率,与实测结果相符。基于结构声辐射理论,建立了机体声边界元模型,将有限元法和边界元法有机地结合起来,充分发挥其各自的优势,对机体辐射声场进行模拟计算分析,获得机体场点声压、声强、辐射声功率以及辐射效率等声辐射特性参数,为机体的结构声学优化奠定基础。


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