СРАВНЕНИЕ ПОДХОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КРУТИЛЬНОЙ ЖЕСТКОСТИ КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА ПОРШНЕВОГО КОМПРЕССОРА ПРИ РАССМОТРЕНИИ ПРОБЛЕМЫ КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ

Проблема возникновения крутильных колебаний в поршневых компрессорах одна из наиболее обособленных и актуальных, как при выполнении прочностных расчетов и выборе материала исполнения коленчатого вала, так и при выборе рабочих режимов работы компрессорной машины. Зачастую возникновению крутильных колебаний подвергаются коленчатые валы четырех и более- рядных поршневых компрессоров относительно большой производительности [1, с. 29], что объясняется негативным влиянием газовых сил в соседствующих рядах. Вследствие периодически меняющихся нагрузок на коленчатый вал при возвратно-поступательном движении рабочих органов компрессора, в нем возникают знакопеременные касательные и нормальные напряжения кручения и изгиба соответственно, возбуждающие в поршневом компрессоре нежелательные механические колебания.

Относительные периодические деформации кручения участков коленчатого вала в местах сосредоточения установленных на валу масс (рисунок 1) называются крутильными колебаниями [2, с. 5]. Данное явление в условиях возникновения резонанса может привести к снижению надежности компрессорного оборудования и уменьшению его межремонтного пробега, а также к износу и разрушению коленчатого вала, муфт (рисунок 2) и демпферов приводного двигателя.

Однако факт возникновения механических колебаний, в большинстве случаев, может быть определен только после возникновения сбоя или отказа оборудования.

Рисунок 1. Пояснение к определению термина крутильных колебаний

Рисунок 2. Разрыв эластичного элемента приводной муфты компрессора Ariel JGK/4 вследствие возникновения крутильных колебаний (ООО «Энергосервис»)

Результаты исследований [3, 4, 5] выделяют необходимость всестороннего анализа настоящей проблемы на этапе проектирования высоконагруженных по производительности систем и компрессорных станций.

Понятие крутильной жесткости коленчатого вала, одного из основных параметров при определении крутильных колебаний, было предложено и описано в работах [6] и [7]. Величина крутильной жесткости колена может быть найдена по двум формулам:

- крутильня жесткость колена согласно [6]

G – модуль сдвига, Па

L_j, D_j, d_j, L_c, D_c, d_c, R, L_w, W - геометрические параметры колена (рисунок 3);

- крутильная жесткость колена согласно [7]

G – модуль сдвига, Па

L_j, D_j, d_j, L_c, D_c, d_c, R, L_w, W - геометрические параметры колена (рисунок 3).

Рисунок 3. Геометрические параметры колена вала

Применимость данных формул была проверена с помощью расчетного комплекса ANSYS Student Release 18.1 с использованием метода конечных элементов. Результаты расчетов приведены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1.

Результаты вычисления крутильной жесткости

а – щека прямоугольной формы, б – щека круглой формы

Рисунок 4. Расчетные формы колен коленчатого вала

Таблица 2.

Результаты вычисления крутильной жесткости

На основании полученных результатов расчета с помощью метода конечных элементов можно сделать вывод, что полуэмпирическая формула Уилсона (1) обладает наиболее высокой точностью при проведении расчета крутильной жесткости колен валов с более выраженной прямоугольной формой щек, в то время как формула Картера (2) лучше применима к коленам с круглой и овальной формой щек.

Список литературы:

1. Дегтярева Т. С., Сибатулин К. О. Определение резонансных частот крутильных колебаний коленчатого вала поршневого компрессора // Инженерный вестник. - М.: Издательство ФГБОУ ВПО "МГТУ им. Н.Э. Баумана", 2014. - С. 29 - 37.
2. В.П. Ржевский Исследование крутильных колебаний валов: Учебное пособие/ Самарский гос. Аэрокосм. Ун-т: Сост. В.П. Ржевский, Ф.В. Паравай, Д.С. Лежин, В.С. Меленьтьев, А.С. Гвоздев. – Самара, Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2011. – 40 с.: ил
3. R. G. Desavale, A. M. Patil Theoretical and Experimental Analysis of Torsional and Bending Effect on Four Cylinders Engine Crankshafts // International Journal of Engineering Research. – Bhopal, India: Innovative Research Publications, 2013.  - С. 379 - 386.
4. Identifying best practices for measuring and analyzing torsional vibration. - Plano, USA: Siemens Product Lifecycle Management Software Inc, 2014. - 19 с.
5. Troy Feese, Charles Hill Guidelines for preventing torsional vibration problems in reciprocating machinery. - San Antonio, USA: Engineering Dynamics Incorporated, University Oak, 2002. - 19 с.
6. W. Ker Wilson Practical Solution of Torsional Vibration Problems. - London: Cambridge Univ. Pres, 1963. - 102 с.
7. Nestrodies E.J. Handbook on Torsional Vibration. - London: British Internal Combustion Engine Research Assotiation, 1958. - 88 с.