活塞压缩机曲轴的强度计算

文章编号:100622971(2009)0220044204

■使用维修

活塞压缩机曲轴的强度计算

张秀兰,邢万坤

(吉林化工学院,吉林132022)

摘　要:通过对活塞压缩机曲轴的受力分析,提出采用Excel软件进行曲轴的静强度和疲劳强度验算的方法,并通过实例进行了计算及分析。关键词:压缩机;曲轴;强度

中图分类号:TH457　　文献标识码:A　

TheStrengthCalculationofthePistonTypeCompressorCrankshaft

ZHANGXiu2lan,XINGWan2kun

(JilinInstituteofChemicalTechnology,Jilin132022,China)

Abstract:In:thispaperweputforwardamethodinwhichweadoptthesoftwareofExceltocomputethestaticstrengthandtheendurancestrengthaftermakingforceanalysisofthepistontypecompressorcrankahaft.Moreo2verwedocalculationandanalysisbymeansofexamples.Keywords:compressors;crankahaft;strength

1　前言

曲轴是活塞压缩机中最重要的运动件。曲轴的强度计算是活塞式压缩机设计的重要工作之一。由于其接受原动机以扭转形式输入的动力,并周期性地承受压缩气体而带来的切向力和法向力,受力复杂,强度计算步骤繁琐,人工计算工作量较大,计算过程重复,经常给设计者带来很多不便。因而利用Excel的软件功能,来直接用于曲轴的强度计算,方便、直观、准确,并可消除重复操作的人为烦脑,减少计算误差,可提高其计算效率及精确度,有利于结构方案比较及优化设计。

2　截面应力分析及计算

曲轴的强度验算是指机械强度和刚度的验算。但由于主轴承之间距离不大,设计时尽量采用刚度较高的形状,故一般不进行变形值的验算。强度计算主要指静强度、疲劳强度的验算。由于曲轴结构的特殊性和受力复杂的特点,一般要在受力分析的

基金项目:吉林省教育厅“十一五”科研规划项目(2007第177号)收稿日期:2008-12-10

基础上,分别验算4个危险位置时,主轴颈、曲柄销、曲柄等几个危险截面上的最大应力。211　截面应力分析

根据曲轴的受力情况,除承受原动机输入的扭矩外,还要周期性地承受由于压缩气体产生的气体力和惯性力,因而各截面产生交变的弯曲应力及扭转应力。一般静强度验算要校核的危险截面包括驱动侧主轴颈与曲柄过渡处截面、曲柄销油孔截面处、曲柄截面等,见图1曲轴受力及危险截面示意图。主轴颈、曲柄销截面的应力情况见图2所示,曲柄截面应力比较复杂见表2中截面应力图。212　主要计算过程

采用Excel软件来进行曲轴的强度计算,有其方便的优势。利用方便的计算功能,自动填充曲柄转角α,取1°为一个计算点,1°～360°全部计算,而不必仅计算估计的4个危险位置。只要把计算的每一项运算表达式在单元格中输入后,1°～360°的计算结果下拉光标瞬间就可计算完毕。一般步长取1°足以满足工程精度。在工作簿内按校核的危险截面建立工作表。每个工作表内完成弯矩、扭矩及相应截面的应力计算,并按第三强度理论校核复合应

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力的计算结果。对疲劳强度校核的截面,要在静强度计算结果的基础上,确定相应截面的最大应力、最小应力。具体方法可根据Excel的函数功能,在1～360°数据范围内自动筛选确定。不必再用最大、最小弯矩位置和最大、最小扭矩位置求取。计算过程见图3。213　主要计算公式

在曲拐平面上轴承支反力

R1(l-l1)+R2(l-l2)AR=

l

BR=

R1l1+R2l2l

图3　计算过程框图

3　计算实例

以动力用L-10/8型空气压缩机为例,有关的

参数和结构的原始数据如下:

行程　　　S=200mm　[σb]=600MPa

λ=012连杆比[σs]=420MPa

σ-1=(0145～0155)σb气缸夹角δ=90°　

曲轴材料QT600-2τ-1=(0125～0127)σb切向力、法向力由动力计算提供,输入后计算出轴承支反力及输入扭矩,见图4计算数据示意简表。

根据受力分析确定要校核的危险截面,一般静强度校核选定曲柄销两列气缸中心线Ⅰ、Ⅱ截面,主轴颈与曲柄、曲柄销与曲柄过渡处Ⅲ、Ⅴ截面及曲柄Ⅳ截面,参见图1。分析各截面应力并按顺序分别

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在曲拐垂直平面轴承支反力

T1(l-l1)+T2(l-l2)AT=l

BT=T1l1+T2l2l

扭矩力矩

Md=(T1+T2)γ各主轴颈、曲柄销校核截面的计算公式见表1。曲柄截面校核计算公式及应力分布见表2。

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表4　计算结果

静强度校核[σ]=60～80MPa

　　　内容截面

最大应力宽方向复合应力窄方向复合应力复合应力σ(MPa)

Ⅰ-ⅠⅡ-Ⅱ

1116924138315291288187

疲劳强度校核

[n]≥115～3

总安全系数

n1

σ′(MPa)

-

σ″(MPa)

-

σ(MPa)

141322516314108

10192610910120

——

9128

——

10116

图4　计算数据示意简表

Ⅲ-ⅢⅣ-ⅣⅤ-Ⅴ校核

计算各危险截面在1～360°弯矩、扭矩。并计算出

弯曲应力、扭转应力。按弯扭组合,采用第三强度理论校核复合应力。计算过程及计算内容见图5曲柄销油孔截面计算校核简表。各截面的计算过程重复,其它截面的计算过程本文省略。

—

12113

—

9112>[n]

—

<[σ]

—

算主要特点如下:

(1)利用Excel软件的填充功能、计算功能、函数功能可方便、直观、准确、快速地计算出校核结果,便于设计时调整尺寸或修改方案。(2)有利于提高计算精度。在计算节点处理上可采用每一度为计算步长,1°～360°范围计算。较

图5　曲柄销油孔截面计算校核示意简表传统的仅计算4个转角位置,结果更准确。利用函数功能在1°～360°范围进行运算,寻找最大、最小应力等都为强度计算的准确性提供了可靠的保证。

(3)有利于提高工作效率。如果思路清楚的话,可快速完成计算内容及快速显示结果。

参考文献:

[1]　郁永章.容积式压缩机技术手册[M].北京:机械工业出版社,

2000:403-415.

[2]　高慎琴.化工机器[M].北京:化学工业出版社,1994:65-112.

[3]　林梅.活塞式压缩机[M].北京:机械工业出版社,1987:221-229.

[4]　马树奇.巧学巧用Excel2003公式与函数[M].北京:电子工业

疲劳强度验算的危险截面通常选取应力集中情况最严重的截面,也就是曲柄销上的油孔处Ⅰ、Ⅱ截面以及轴颈和曲柄的连接处Ⅲ、Ⅴ截面。最大应力、最小应力及最大剪应力、最小剪应力可按校核截面在1°～360°范围内利用最大值、最小值的函数功能确定。图6为疲劳强度验算计算表。静强度和疲劳强度验算结果见表4。

出版社,2005.

[5]　邢万坤.压缩机动力计算的Excel解析法[J].压缩机技术,

2008.06.

[6]　陈永江.容积式压缩机原理与结构设计[M].西安:西安交通

图6　疲劳强度各截面计算校核示意简表

大学出版社,1985:253-263.

4　结束语

利用Excel软件直接进行压缩机曲轴的强度计

作者简介:张秀兰,女,副教授,主要从事基础理论的教学和科研工作。

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