浏览全部资源
扫码关注微信
考虑接触间隙的压缩机柔性转子扭振特性研究
Study on torsional vibration characteristics of compressor flexible rotors considering contact clearance
- 机械强度 2025年47卷第1期 页码：20-30
- 作者机构：
西南石油大学 机电工程学院，成都 610500
- 作者简介：
HUANG Zhiqiang, E-mail: huangzq@swpu.edu.cn
- 基金信息：四川省科技计划项目(22GJHZ0284);南充市与西南石油大学科技战略合作专项基金项目(SXHZ048)
DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.01.003
中图分类号： TE974纸质出版日期：2025-01-15，
收稿日期：2023-04-15，
修回日期：2023-05-09，
- 稿件说明：
移动端阅览
黄志强, 王杰, 李涛, 等. 考虑接触间隙的压缩机柔性转子扭振特性研究[J]. 机械强度, 2025,47(1):20-30.
HUANG ZHIQIANG, WANG JIE, LI TAO, et al. Study on torsional vibration characteristics of compressor flexible rotors considering contact clearance. [J]. Journal of mechanical strength, 2025, 47(1): 20-30.
黄志强, 王杰, 李涛, 等. 考虑接触间隙的压缩机柔性转子扭振特性研究[J]. 机械强度, 2025,47(1):20-30. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.01.003.
HUANG ZHIQIANG, WANG JIE, LI TAO, et al. Study on torsional vibration characteristics of compressor flexible rotors considering contact clearance. [J]. Journal of mechanical strength, 2025, 47(1): 20-30. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.01.003.
摘要
往复式压缩机曲轴系扭振会引起烧瓦及轴系断裂等重大问题，为掌握压缩机转子系统扭振响应，提出了一种考虑衬套-销轴碰撞间隙、曲轴-轴承油膜间隙的压缩机柔性转子系统扭振动力学求解方法，为避开曲轴系固有频率提供了一种新的思路及方法。基于多体动力学理论以及Hertz接触理论，求解了含碰撞间隙下曲轴系扭振动力学响应，分析表明，曲轴系第4列曲柄销的扭振幅值最大，扭转角位移幅值为0.051°，动态角速度峰值为156.026 rad/s。基于此，考虑了曲轴-轴承油膜间隙，利用有限差分法及超松弛迭代法计算滑动轴承油膜压力，并通过压力扰动法求解轴承动态特性系数，综合考虑衬套-销轴碰撞间隙和曲轴-轴承油膜间隙对曲轴系动态响应的影响，开展了考虑预应力下的曲轴系模态分析，并对比分析了考虑油膜间隙和不考虑油膜间隙下曲轴系的共振情况。结果表明，考虑油膜间隙后曲轴系第3、8阶固有频率分别降低了44.64%、21.23%，且在同一转速范围带内，考虑综合间隙下曲轴系共振转速点减少，2阶临界转速降低了38.55%，共振的概率增大。
Abstract
The torsional vibration of reciprocating compressor crankshaft system can cause major problems such as burnt bearings and shaft fracture.In order to understand the torsional vibration response of the compressor rotor system
a torsional vibration mechanics solution method for the flexible rotor system of the compressor considering the bushing-pin collision clearance and the oil film clearance of the crankshaft-bearing was proposed
which provided a new idea and method to avoid the natural frequency of the crankshaft system.Based on the multi-body dynamics and Hertz contact theory，the torsional dynamic response of the crankshaft system with collision clearance was solved.The results show that the torsional vibration amplitude of the 4th column crank pin is the largest
the torsional angular displacement amplitude is 0.051°
and the dynamic angular velocity peak value is 156.026 rad/s.Based on this
the crankshaft-bearing oil film clearance was considered
the oil film pressure of sliding bearings was calculated by the finite difference method and the over-relaxation iterative method
and the dynamic characteristic coefficients of bearings were solved according to pressure perturbation method.The effects of the bushing-pin collision clearance and the crankshaft-bearing oil film clearance on the dynamic response of the crankshaft system were comprehensively considered in the modal analysis of the crankshaft system under preload.The resonance of the crankshaft with and without oil film clearances was compared. The results show that the natural frequencies of the 3rd and 8th orders of the crankshaft system decreases by 44.64% and 21.23%
and when considering the reduction of the resonant speed point of the crankshaft with comprehensive clearance in the same speed range
the 2nd order critical speed is reduced by 38.55%
and the probability of resonance increases.
关键词
往复压缩机碰撞间隙油膜间隙刚柔耦合曲轴扭振共振
Keywords
Reciprocating compressorCollision clearanceOil film clearanceRigid-flexible couplingCrankshaft torsional vibrationResonance
references
FLORES P.A parametric study on the dynamic response of planar multibody systems with multiple clearance joints［J］.Nonlinear Dynamics，2010，61（4）：633-653.
LIU C S，ZHANG K，YANG R.The FEM analysis and approximate model for cylindrical joints with clearances［J］.Mechanism and Machine Theory，2007，42（2）：183-197.
BING S，YE J.Dynamic analysis of the reheat-stop-valve mecha-nism with revolute clearance joint in consideration of thermal effect［J］.Mechanism and Machine Theory，2008，43（12）：1625-1638.
FLORES P.Modeling and simulation of wear in revolute clearance joints in multibody systems［J］.Mechanism and Machine Theory，2009，44（6）：1211-1222.
FLORES P，KOSHY C S，LANKARANI H M，et al.Numerical and experimental investigation on multibody systems with revolute clearance joints［J］.Nonlinear Dynamics，2011，65（4）：383-398.
赵刚练，姜毅，郝继光，等.考虑圆柱铰链间隙的多刚体系统动力学计算方法［J］.振动与冲击，2013，32（17）：171-176.
ZHAO Ganglian，JIANG Yi，HAO Jiguang，et al.Computational method of rigid multibody system dynamics considering cylindrical joint clearance［J］. Journal of Vibration and Shock，2013， 32（17）：171-176.（In Chinese）
ZHAO Y，BAI Z F.Dynamics analysis of space robot manipulator with joint clearance.［J］.Acta Astronautica，2011，68（7/8）：1147-1155.
丁键，赵宇，吴洪涛，等.含多运动副间隙机构动态特性研究［J］.组合机床与自动化加工技术，2014，483（5）：9-13.
DING Jian，ZHAO Yu，WU Hongtao，et al.Dynamic characteristics of mechanisms with multi-clearance joints［J］.Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique，2014，483（5）：9-13.（In Chinese）
王旭鹏，刘更，马尚君，等.间隙铰链对平面机构碰撞动力学特性影响分析［J］.振动与冲击，2017，36（17）：74-78.
WANG Xupeng，LIU Geng，MA Shangjun，et al.Effects of clearance joint on impact dynamic characteristics of planar mechanisms［J］. Journal of Vibration and Shock，2017，36（17）：74-78.（In Chinese）
郭嘉楠，何鹏，刘占生，等.粗糙接触面旋转铰间隙碰撞动力学建模与仿真［J］.振动与冲击，2019，38（11）：132-139.
GUO Jianan，HE Peng，LIU Zhansheng，et al.Impact dynamic modeling and simulation for a revolute joint with rough contact surfaces and a clearance［J］. Journal of Vibration and Shock，2019，38（11）：132-139.（In Chinese）
刘福才，兰会，刘林，等.不同重力环境下含间隙旋转铰位置特性仿真研究［J］.振动与冲击，2018，37（21）：240-246.
LIU Fucai，LAN Hui，LIU Lin，et al.Simulation for motion characteristics of rotating hinges with clearance under different gravity environments［J］. Journal of Vibration and Shock，2018，37（21）：240-246.（In Chinese）
张树培，夏明悦，张玮，等.考虑非线性刚度的间隙球铰碰撞动力学建模与仿真［J］.吉林大学学报（工学版），2023，53（8）：2227-2235.
ZHANG Shupei，XIA Mingyue，ZHANG Wei，et al.Dynamic modeling and simulation of clearance spherical hinge collision considering nonlinear stiffness［J］.Journal of Jilin University（Engineering and Technology Edition），2023，53（8）：2227-2235.（In Chinese）
郑恩来，张航，朱跃，等.含间隙超精密压力机柔性多连杆机构动力学建模与仿真［J］.农业机械学报，2017，48（1）：375-385.
ZHENG Enlai，ZHANG Hang，ZHU Yue，et al.Dynamic modeling and simulation of flexible multi-link mechanism including joints with clearance for ultra-precision press［J］.Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2017，48（1）：375-385.（In Chinese）
郭杏林，赵子坤.含间隙柔性曲柄摇杆机构动力学分析［J］.机械强度，2010，32（6）：905-909.
GUO Xinglin，ZHAO Zikun.Dynamic analysis of a flexible crank-rocker mechanism with clearance［J］.Journal of Mechanical Strength，2010，32（6）：905-909.（In Chinese）
姚廷强，陈锐搏，王立华，等.考虑三维圆柱铰间隙碰撞的空间机构柔性多体动力学分析方法［J］.振动与冲击，2021，40（1）：297-307.
YAO Tingqiang，CHEN Ruibo，WANG Lihua，et al.Flexible multi-body dynamic analysis method of spatial mechanisms considering 3-D cylindrical hinge clearance collision［J］. Journal of Vibration and Shock，2021，40（1）：297-307.（In Chinese）
DUPAC M，BEALE D G.Dynamic analysis of a flexible linkage mechanism with cracks and clearance［J］.Mechanism and Machine Theory，2010，45（12）：1909-1923.
BAVCHAU O A，RODRIGUEZ J.Modeling of joints with clearance in flexible multibody systems［J］.International Journal of Solids and Structures，2002，39（1）：41-63.
KHEMILI I，ROMDHANE L.Dynamic analysis of a flexible slider-crank mechanism with clearance［J］.European Journal of Mechanics-A：Solids，2008，27（5）：882-898.
李金玉.考虑混合间隙的机构动力学研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2017：6-78.
LI Jinyu.Study on mechanism dynamics considering mixing clearance［D］.Harbin：Harbin Institute of Technology，2017：6-78.（In Chinese）
郑恩来，储磊，蒋书运，等.含润滑间隙和曲轴转子-轴承结构的平面柔性多连杆机构多体动力学建模与动态误差分析［J］.机械工程学报，2020，56（3）：106-120.
ZHENG Enlai，CHU Lei，JIANG Shuyun，et al.Multi-body dynamics modeling and error analysis of planar flexible multi-link mechanism with lubricated revolute clearance joints and crankshaft bearing structure［J］.Journal of Mechanical Engineering，2020，56（3）：106-120.（In Chinese）
张艾萍，林圣强，李雨娇.滑动轴承间隙对转子稳定性的影响［J］.汽轮机技术，2013，55（2）：86-88.
ZHANG Aiping，LIN Shengqiang，LI Yujiao.Sliding bearing oil film thickness influence the stability of rotor［J］.Turbine Technology，2013，55（2）：86-88.（In Chinese）
赵娟.高速滑动轴承-转子系统的动态特性分析［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009：10-68.
ZHAO Juan.Dynamic characteristics analysis of high-speed sliding bearing：rotor system［D］.Harbin：Harbin Institute of Technology，2009：10-68.（In Chinese）
董永乐.滑动轴承-转子系统动态特性分析及其结构优化［D］.兰州：兰州理工大学，2014：15-45.
DONG Yongle.Dynamic characteristics analysis and structural optimization of sliding bearing-rotor system［D］.Lanzhou ：Lanzhou University of Technology，2014：15-45.（In Chinese）
陈坤旭，王东强，董学武，等.滑动轴承半径间隙对转子系统振动特性影响研究［J］.机床与液压，2022，50（14）：131-135.
CHEN Kunxu，WANG Dongqiang，DONG Xuewu，et al.Study on the influence of sliding bearing radial clearance on the rotor system vibration characteristics［J］.Machine Tool & Hydraulics，2022，50（14）：131-135.（In Chinese）
魏维，郭文勇，吴新跃，等.考虑间隙影响的滑动轴承稳定性分析［J］.润滑与密封，2018，43（10）：18-22.
WEI Wei，GUO Wenyong，WU Xinyue，et al.Stability analysis on sliding bearing with consideration of clearance［J］.Lubrication Engineering，2018，43（10）：18-22.（In Chinese）
王本宏，王福军，王超越.大型水泵滑动轴承油膜刚度对转子动力特性影响［J］.水电与抽水蓄能，2021，7（2）：20-25.
WANG Benhong，WANG Fujun，WANG Chaoyue.Influence of oil film stiffness of sliding bearing on rotor dynamic characteristics for large pump［J］.Hydropower and Pumped Storage，2021，7（2）：20-25.（In Chinese）
LANKARANI H M，NIKRAVESH P E.Continuous contact force models for impact analysis in multibody systems［J］.Nonlinear Dynamics，1994，5（2）：193-207.
李勇.考虑关节间隙和润滑的单个旋转铰机构动力学特性分析［D］.秦皇岛：燕山大学，2016：10-70.
LI Yong.Dynamic characteristics analysis of a single rotating hinge mechanism considering joint clearance and lubrication［D］.Qinhuangdao：Yanshan University，2016：10-70.（In Chinese）
刘太素，钱林方，尹强.考虑间隙的空间圆柱铰多体系统运动学精度及动力学分析［J］.振动与冲击，2017，36（19）：151-157.
LIU Taisu，QIAN Linfang，YIN Qiang.Kinematics accuracy and dynamic analysis of multi-body systems with spatial cylindrical clearance joints［J］. Journal of Vibration and Shock，2017，36（19）：151-157.（In Chinese）
WEI L D，WEI H J，DUAN S L，et al.An EHD-mixed lubrication analysis of main bearings for diesel engine based on coupling between flexible whole engine block and crankshaft［J］.Industrial Lubrication and Tribology，2015，67（2）：150-158.
闻邦椿，顾家柳，夏松波，等.高等转子动力学：理论、技术与应用［M］.北京：机械工业出版社，2000：80-89.
WEN Bangchun，GU Jialiu，XIA Songbo，et al.Advanced rotor dynamics：theory，technology and application［M］.Beijing：China Machine Press，2000：80-89.（In Chinese）
周益君，关富玲.考虑杆件弹性和三维间隙铰机构动力学研究［J］.哈尔滨工业大学学报，2012，44（10）：122-127.
ZHOU Yijun，GUAN Fuling.Dynamics analysis of mechanisms with elastic bars and three-dimensional clearance revolute joints［J］. Journal of Harbin Institute of Technology，2012，44（10）：122-127.（In Chinese）
XIANG W K，YAN S Z，WU J N，et al.Complexity evaluation of nonlinear dynamic behavior of mechanisms with clearance joints by using the fractal method［J］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part C：Journal of Mechanical Engineering Science，2014，228（18）：3482-3495
崔广军.曲轴疲劳寿命的有限元和多体动力学联合仿真研究［J］.机械强度，2016，38（2）：394-398.
CUI Guangjun.Research on co-simulation of finite element method and the multi body dynamics of the crankshaft fatigue life［J］. Journal of Mechanical Strength， 2016，38（2）：394-398.（In Chinese）
孙晓东，刘健，曹虎，等.往复式压缩机轴系扭振特性分析［J］.石油机械，2017，45（8）：61-64.
SUN Xiaodong，LIU Jian，CAO Hu，et al.Torsional vibration characteristics analysis of the reciprocating compressor’s crankshaft system［J］.China Petroleum Machinery，2017，45（8）：61-64.（In Chinese）
于天彪，王学智，关鹏，等.超高速磨削机床主轴系统模态分析［J］.机械工程学报，2012，48（17）：183-188.
YU Tianbiao，WANG Xuezhi，GUAN Peng，et al.Modal analysis of spindle system on ultra-high speed grinder［J］.Journal of Mechanical Engineering，2012，48（17）：183-188.（In Chinese）
陈振，李涛，黄琴，等.高速往复压缩机曲轴系振动特性与结构优化研究［J］.安全与环境学报，2022，22（5）：2532-2540.
CHEN Zhen，LI Tao，HUANG Qin，et al.Vibration characteristics and structural optimization of high-speed reciprocating compressor crankshaft system［J］.Journal of Safety and Environment，2022，22（5）：2532-2540.（In Chinese）
陈超.汽车发动机曲轴系统扭转振动分析与减振器匹配的研究［D］.广州：华南理工大学，2012：15-50.
CHEN Chao.Research on torsional vibration analysis and shock absorber matching of automobile engine crankshaft system［D］.Guangzhou：South China University of Technology，2012：15-50.（In Chinese）
FENG J M，ZHAO Y，JIA X H，et al.Solution for the torsional vibration of the compressor shaft system with flexible coupling based on a sensitivity study［J］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part E：Journal of Process Mechanical Engineering，2019，233（4）：803-812.
American Petroleum Institute.Reciprocating compressors for petroleum，chemical，and gas industry services：API 618-2007［S］.5th ed.Washington D.C.：American Petroleum Institute，2007：13-14.
0
浏览量
0
下载量
0
CSCD
- 网络PDF下载
- BibTeX下载
- Endnote下载
- RefMan 下载
- NoteExpress下载
- NoteFirst下载
关联资源
相关文章
相关作者
相关机构
- 技术支持由北京北大方正电子有限公司提供 豫ICP备05013835号-4
京公网安备11010802024621 - 本系统建议在Chrome、 IE9+ 以上版本浏览器阅读本站内容，360浏览器请切换至极速模式
- Cookies帮助我们提供服务并提供个性化体验。使用本网站，即表示您同意我们使用Cookies