往复式压缩机组轴系扭转振动分析
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第７ 期
．５ 一
往复式压缩机组轴 系扭转振动分析
于洋 ，钱 则刚，张和平 ，鲍军 ，喻志强
（ 合肥通用机械研究院 ，压缩机技术 国家重点 实验室 ，安徽 合肥 ２ ３ ｏ Ｏ ３ １ ）
［ 摘 要］ 本文建立 了 典型的石化行业用多列大型往复式压缩机轴 系扭转振 动数理模型，以实际机型为例，采用集中质量＆６ １ ｔ 计算方 法，获取 了压缩机 轴 系无阻尼 自由扭振下 的若干阶 固有 频率和强迫振动下 的扭振响应，可为制 定针对性的预防措施提
本 文从 往 复式 压缩 机 轴 系动 态特 性 出发 ， 借 鉴 内燃 机 领 域 曲轴 轴 系 扭 振 分 析 经 验 ，采用 集 中质量数值计算方法获取往复式压缩机轴系 自由 振 动特 性 和 强迫 振 动 的扭 振 响应 ，得 到 具 有 实 效 的减 振 措 施 。 该方 法 对 石 油 、化 工 等 行 业 用 大 型 往复式压缩机 组轴系扭振分析具有广泛的应用价
作者 简介 ：干洋 （ １ ９ ７ ９ 一），男，蒙古族，辽宁沈１ ￣ １ ３ Ａ，大学
图 １ 因扭转共 振造成 断轴
本科 ，学 士 ，工程 师。在 合肥通 用机 械研 究院从事压缩机技术 研
究 工作 。
第７ 期
于洋等
往复式压缩机组轴 系扭转振动分析
． ７一
以８ 列 同步 电动 机 驱动 的往 复式 压缩 机 组 （ 刚 性 联 轴 器 ） 曲轴 轴 系 为 例 ， 其 轴 系 结 构 可 简化 为
合理 的 变 惯 量 和 非 线 性 部 件 处 理 可 以保 证 该
轴系固有频率和主振 型，是 了解轴系动态特性的 重 要 内容之 一 ，本 文 主 要 采 用 矩 阵特 征 值法 求解 轴 系 自由振动 特性 。
以某４ 列 同步 电动机 驱 动氢 气 压缩 机组 （ 百度文库性
直联 ）为例 ，求解 其轴 系 固有频 率见 表 １ 。
我 国压 缩 机 制 造 业 于 上 世 纪 ６ ０ 年 代 后 逐 渐 发展起来，８ ０ 年 代 以前 ，石 化 行业 用 大 型往 复 压 缩 机 主 要 依 赖 进 口，９ ０ 年 代 开 始 引进 国外先 进 技 术 ，至 本 世 纪 初 ，石 油 、 化 工 等 行 业 用 往 复式 压 缩 机 基 本 实 现 国产 化 ，但 目前 国 内 尚未 发现 较 成 熟 且 具 广 泛 适 用 性 的 动 力 学 分 析 技 术 的 应 用 案 例。 在 船 舶用 内燃 机 、汽 车 发动 机 等 行 业 领 域 ，
美 国石 油 学 会 ＡＰ Ｉ ６ １ ８ 标 准 规 定 ，供 应 方 应 对 用 于石 油 、化 学 和 天 然 气 工 业 的 往 复 式 压缩 机 整个 驱动 系进 行 扭 转 振 动 分 析 （ 皮 带 驱 动机 组 除
外）。
制 成 功６ 列 及８ 列压 缩机 ，往 复式 压缩机 呈现 多 列 、大型 化发 展趋 势 。
表 １ 某４ 列氢气压缩机轴 系固有频 率
阶数
ｌ ２
模 型准 确 获 取 无 阻尼 自由振 动 下 的轴 系 低 阶 固有 频率。 ２ ． １ ． ２基 本动 力 学理论 及数 学模 型 将 弹 性 体 弹 性 力 引入 达 朗 贝尔 原 理 ，可 建 立 曲轴 系统 动力 平衡 方程 ：
同 汽 轮 机 、 离 心 压 缩 机 等 直 轴 系 压 缩 机 相 比 ， 石 化 行 业 用 大 型 往 复 式 压 缩 机 转 速 通 常 较 低 ，一 般 情 况 下 ， 当 列 数 等 于 或 少 于 ４ ｙ Ｊ ｔ 时 ，轴 系 固有 频 率远 高 于激 励 频 率 ， 当轴 系 固有 频 率 高 于１ ０ 倍 轴 速 度 时 ，轴 系 发 生 扭转 共 振 的可 能性 很 低 ，一 般 认 为是 安 全 的 ，传 统 静 强 度 和 疲 劳 强 度 计 算 即可 满 足 设 计 需 求 。 随着 压 缩 机 列 数 、轴 系 长 度 、机 组 转 速 和 功 率 的增 加 ，轴 系 固有 频 率 降 低 ，激 励 频 率 和 振 动 能量 升 高 ，扭 转 共 振 的风 险 随 之 加 大 ， 由 轴 系 扭 转 振 动 引起 的 事 故 时 有 发 生 ，给 用 户 造 成 重 大 经 济 损 失 ，甚 至 人 员 伤 亡 。 大 型 往 复式 压 缩 机 组 在 引进 、设 计 或 轴 系 改 造 阶 段 对 轴 系进 行扭 振 分 析环 节 不 可或 缺 。 图 １ 为典 型 的 由扭 转共 振 导致 断轴 的案例 。
供 理 论 基础 。
［ 关键词］往 复式压缩机 ；曲轴；扭转振动； 固 有频率；数值计算
往 复 式 压 缩 机 广 泛 应 用 于 石 油 、 化 工 等 行
业 。近 年 来 ， 随 着 我 国 装 备 制 造 业 国产 化 的 推 进 ，部 分 国 内企 业 通 过 技 术 引进 的方 式 ，先 后 研
值。
１ 往 复式压缩机轴 系扭振分析技 术现状
１ ． １ 曲轴轴 系扭 振分 析技 术现 状
２ ０ 世纪５ ０ 年代 ，国外往复式压缩机技术理论 己发展到较成熟阶段，随着计算机技 术的发展 ， 至８ ０ 年 代 后 ， 国外 轴 系 动 力 学 分 析 理 论 愈 发 成 熟 ，数 值 分 析 与 实 际 测 试 吻 合度 非 常 高 ，往 复 式 压 缩 机 轴 系 动 力 学 分析 主 要采 用 基 于集 中质 量 法 和传 递矩 阵法 的专用动 力 分析 软件进 行 。
２ ． １ ． ３ 案 例分 析
压 缩 机 轴 系 无 阻 尼 自由振 动特 性分 析 即 求解
图５ 中所示集中参数模型，Ｉ １ ￣ Ｉ 。 为各列运动部件等 效 转动 惯 量 ，Ｉ ９ 为 飞轮 和 联轴 器 部件 转 动惯 量 ，Ｉ ｏ 为电机转子部件转动惯量，Ｋ ～ Ｋ 为各集中质量间 刚度系 数 。
．５ 一
往复式压缩机组轴 系扭转振动分析
于洋 ，钱 则刚，张和平 ，鲍军 ，喻志强
（ 合肥通用机械研究院 ，压缩机技术 国家重点 实验室 ，安徽 合肥 ２ ３ ｏ Ｏ ３ １ ）
［ 摘 要］ 本文建立 了 典型的石化行业用多列大型往复式压缩机轴 系扭转振 动数理模型，以实际机型为例，采用集中质量＆６ １ ｔ 计算方 法，获取 了压缩机 轴 系无阻尼 自由扭振下 的若干阶 固有 频率和强迫振动下 的扭振响应，可为制 定针对性的预防措施提
本 文从 往 复式 压缩 机 轴 系动 态特 性 出发 ， 借 鉴 内燃 机 领 域 曲轴 轴 系 扭 振 分 析 经 验 ，采用 集 中质量数值计算方法获取往复式压缩机轴系 自由 振 动特 性 和 强迫 振 动 的扭 振 响应 ，得 到 具 有 实 效 的减 振 措 施 。 该方 法 对 石 油 、化 工 等 行 业 用 大 型 往复式压缩机 组轴系扭振分析具有广泛的应用价
作者 简介 ：干洋 （ １ ９ ７ ９ 一），男，蒙古族，辽宁沈１ ￣ １ ３ Ａ，大学
图 １ 因扭转共 振造成 断轴
本科 ，学 士 ，工程 师。在 合肥通 用机 械研 究院从事压缩机技术 研
究 工作 。
第７ 期
于洋等
往复式压缩机组轴 系扭转振动分析
． ７一
以８ 列 同步 电动 机 驱动 的往 复式 压缩 机 组 （ 刚 性 联 轴 器 ） 曲轴 轴 系 为 例 ， 其 轴 系 结 构 可 简化 为
合理 的 变 惯 量 和 非 线 性 部 件 处 理 可 以保 证 该
轴系固有频率和主振 型，是 了解轴系动态特性的 重 要 内容之 一 ，本 文 主 要 采 用 矩 阵特 征 值法 求解 轴 系 自由振动 特性 。
以某４ 列 同步 电动机 驱 动氢 气 压缩 机组 （ 百度文库性
直联 ）为例 ，求解 其轴 系 固有频 率见 表 １ 。
我 国压 缩 机 制 造 业 于 上 世 纪 ６ ０ 年 代 后 逐 渐 发展起来，８ ０ 年 代 以前 ，石 化 行业 用 大 型往 复 压 缩 机 主 要 依 赖 进 口，９ ０ 年 代 开 始 引进 国外先 进 技 术 ，至 本 世 纪 初 ，石 油 、 化 工 等 行 业 用 往 复式 压 缩 机 基 本 实 现 国产 化 ，但 目前 国 内 尚未 发现 较 成 熟 且 具 广 泛 适 用 性 的 动 力 学 分 析 技 术 的 应 用 案 例。 在 船 舶用 内燃 机 、汽 车 发动 机 等 行 业 领 域 ，
美 国石 油 学 会 ＡＰ Ｉ ６ １ ８ 标 准 规 定 ，供 应 方 应 对 用 于石 油 、化 学 和 天 然 气 工 业 的 往 复 式 压缩 机 整个 驱动 系进 行 扭 转 振 动 分 析 （ 皮 带 驱 动机 组 除
外）。
制 成 功６ 列 及８ 列压 缩机 ，往 复式 压缩机 呈现 多 列 、大型 化发 展趋 势 。
表 １ 某４ 列氢气压缩机轴 系固有频 率
阶数
ｌ ２
模 型准 确 获 取 无 阻尼 自由振 动 下 的轴 系 低 阶 固有 频率。 ２ ． １ ． ２基 本动 力 学理论 及数 学模 型 将 弹 性 体 弹 性 力 引入 达 朗 贝尔 原 理 ，可 建 立 曲轴 系统 动力 平衡 方程 ：
同 汽 轮 机 、 离 心 压 缩 机 等 直 轴 系 压 缩 机 相 比 ， 石 化 行 业 用 大 型 往 复 式 压 缩 机 转 速 通 常 较 低 ，一 般 情 况 下 ， 当 列 数 等 于 或 少 于 ４ ｙ Ｊ ｔ 时 ，轴 系 固有 频 率远 高 于激 励 频 率 ， 当轴 系 固有 频 率 高 于１ ０ 倍 轴 速 度 时 ，轴 系 发 生 扭转 共 振 的可 能性 很 低 ，一 般 认 为是 安 全 的 ，传 统 静 强 度 和 疲 劳 强 度 计 算 即可 满 足 设 计 需 求 。 随着 压 缩 机 列 数 、轴 系 长 度 、机 组 转 速 和 功 率 的增 加 ，轴 系 固有 频 率 降 低 ，激 励 频 率 和 振 动 能量 升 高 ，扭 转 共 振 的风 险 随 之 加 大 ， 由 轴 系 扭 转 振 动 引起 的 事 故 时 有 发 生 ，给 用 户 造 成 重 大 经 济 损 失 ，甚 至 人 员 伤 亡 。 大 型 往 复式 压 缩 机 组 在 引进 、设 计 或 轴 系 改 造 阶 段 对 轴 系进 行扭 振 分 析环 节 不 可或 缺 。 图 １ 为典 型 的 由扭 转共 振 导致 断轴 的案例 。
供 理 论 基础 。
［ 关键词］往 复式压缩机 ；曲轴；扭转振动； 固 有频率；数值计算
往 复 式 压 缩 机 广 泛 应 用 于 石 油 、 化 工 等 行
业 。近 年 来 ， 随 着 我 国 装 备 制 造 业 国产 化 的 推 进 ，部 分 国 内企 业 通 过 技 术 引进 的方 式 ，先 后 研
值。
１ 往 复式压缩机轴 系扭振分析技 术现状
１ ． １ 曲轴轴 系扭 振分 析技 术现 状
２ ０ 世纪５ ０ 年代 ，国外往复式压缩机技术理论 己发展到较成熟阶段，随着计算机技 术的发展 ， 至８ ０ 年 代 后 ， 国外 轴 系 动 力 学 分 析 理 论 愈 发 成 熟 ，数 值 分 析 与 实 际 测 试 吻 合度 非 常 高 ，往 复 式 压 缩 机 轴 系 动 力 学 分析 主 要采 用 基 于集 中质 量 法 和传 递矩 阵法 的专用动 力 分析 软件进 行 。
２ ． １ ． ３ 案 例分 析
压 缩 机 轴 系 无 阻 尼 自由振 动特 性分 析 即 求解
图５ 中所示集中参数模型，Ｉ １ ￣ Ｉ 。 为各列运动部件等 效 转动 惯 量 ，Ｉ ９ 为 飞轮 和 联轴 器 部件 转 动惯 量 ，Ｉ ｏ 为电机转子部件转动惯量，Ｋ ～ Ｋ 为各集中质量间 刚度系 数 。