基于十字头沉降的单缸压缩机曲轴振动特性研究
Study on the vibration characteristic of crankshaft of single cylinder compressor based on crosshead settlement
- 机械强度 2025年47卷第11期 页码：51-58
- 作者机构：
西南石油大学 机电工程学院，成都 610500
- 作者简介：
王程，男，1997年生，四川眉山人，在读硕士研究生；主要研究方向为曲轴扭转振动与控制；E-mail：724701371@qq.com。
- 基金信息：国家自然科学基金项目(41902326);四川省科学与技术项目(22GJHZ0284);南充市-西南石油大学市校科技战略合作专项(SXHZ048);企业横向合作项目(JSTKY-22-002)
DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.11.007
中图分类号： TH133.2收稿：2024-02-24，
纸质出版：2025-11-15
- 稿件说明：
移动端阅览
黄志强，王程，李涛，等. 基于十字头沉降的单缸压缩机曲轴振动特性研究［J］. 机械强度，2025，47（11）：51-58.
HUANG Zhiqiang，WANG Cheng，LI Tao，et al. Study on the vibration characteristic of crankshaft of single cylinder compressor based on crosshead settlement［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（11）：51-58.
黄志强，王程，李涛，等. 基于十字头沉降的单缸压缩机曲轴振动特性研究［J］. 机械强度，2025，47（11）：51-58. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.11.007.
HUANG Zhiqiang，WANG Cheng，LI Tao，et al. Study on the vibration characteristic of crankshaft of single cylinder compressor based on crosshead settlement［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（11）：51-58. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.11.007.
摘要
出现十字头沉降的压缩机往复部件加速度波动剧烈，综合活塞力随之增大，导致曲轴振动幅值增大，出现振动不稳定现象。为此，首先，开展十字头沉降对曲柄-连杆机构运动学规律研究，建立曲轴扭转振动微分方程。随后，通过均值滤波-龙格-库塔法算法求解了曲轴振动响应特征。最后，探讨了十字头沉降量、电动机转速、活塞组件往复质量对曲轴振动幅值、相轨迹以及幅频图的影响规律。结果表明，随着十字头沉降量的增加，曲轴相空间轨迹线“锯齿形”波动现象加剧，扭转角速度呈上升趋势，其中，
d
=0.25 mm时扭转角速度幅值相比于无沉降时增加23.6%，曲轴振动状态由倍频周期向混沌转变；随着电动机转速降低，曲轴扭转角和振动状态波动程度得到控制；随着活塞组件往复质量降低，频率响应峰值降低，有助于控制曲轴扭转角度。研究为预测十字头沉降工况下曲轴振动状态和曲轴的扭振控制提供理论指导，保证曲轴稳定运行。
Abstract
The acceleration of the reciprocating parts of the compressor with the crosshead settlement fluctuates violently
and the comprehensive piston force becomes larger
which leads to the increase of the vibration amplitude of the crankshaft and the instability of the vibration. Therefore
this paper firstly studied the kinematic law of the crosshead settlement on the crank-connecting rod structure
and established the differen
tial equation of the torsional vibration of the crankshaft. Subsequently
the vibration response characteristics of the crankshaft were solved by the mean filtering-Runge-Kutta method. Finally
the influence of the crosshead settlement
motor speed and reciprocating mass of the piston assembly on the crankshaft vibration amplitude
phase trajectory and amplitude-frequency diagram was discussed. The results show that with the increase of the crosshead settlement
the “serrated” fluctuation of the crankshaft phase space trajectory line is intensified
and the torsional angular velocity shows an upward trend. When
d
=0.25 mm
the torsional angular velocity amplitude increases by 23.6% compared with that without the settlement
and the crankshaft vibration state changes from frequency doubling period to chaos. As the motor speed decreases
the torsional angle and vibration state fluctuation of the crankshaft are controlled. As the reciprocating mass of the piston assembly decreases
the peak frequency response decreases
which helps to control the crankshaft torsion angle. The research can provide a theoretical guidance for predicting the vibration state of the crankshaft and the torsional vibration control of the crankshaft under the condition of the crosshead settlement
and ensure the stable operation of the crankshaft.
关键词
Keywords
references
陈吉光 . 往复压缩机十字头故障原因研究 ［J］. 中国设备工程 ， 2021 （ 14 ）： 39 - 40 .
CHEN Jiguang . Study on the cause of crosshead failure of reciprocating compressor ［J］. China Plant Engineering ， 2021 （ 14 ）： 39 - 40 . （In Chinese）
宋德刚 ， 孙启国 ， 李同杰 . 单缸内燃机曲轴系统的动力学研究 ［J］. 现代机械 ， 2006 （ 1 ）： 3 - 4 .
SONG Degang ， SUN Qiguo ， LI Tongjie . Dynamics of the crankshaft system of single-cylinder engine ［J］. Modern Machinery ， 2006 （ 1 ）： 3 - 4 . （In Chinese）
武彬 . 全工况下内燃动力总成轴系扭振分析及控制 ［D］. 成都 ： 西南交通大学 ， 2016 ： 80 - 81 .
WU Bin . Analysis and control of torsional vibration in diesel powertrain shafting under full condition ［D］. Chengdu ： Southwest Jiaotong University ， 2016 ： 80 - 81 . （In Chinese）
张春蕊 . 电动机驱动的往复式压缩机组扭振分析及软件编制 ［D］. 青岛 ： 中国石油大学（华东） ， 2016 ： 82 - 83 .
ZHANG Chunrui . Torsional vibration analysis and software design for the motor-driven reciprocating compressor ［D］. Qingdao ： China University of Petroleum（East China） ， 2016 ： 82 - 83 . （In Chinese）
孙琪 . 动力总成隔振及曲轴扭振动态特性理论分析与试验研究 ［D］. 济南 ： 山东大学 ， 2018 ： 75 - 76 .
SUN Qi . Dynamic characteristics analysis and experimental research of powertrain vibration isolation and torsional vibration of crankshaft ［D］. Jinan ： Shandong University ， 2018 ： 75 - 76 . （In Chinese）
喻高远 . 海洋大功率往复式压缩机曲轴结构优化设计 ［D］. 青岛 ： 中国石油大学（华东） ， 2017 ： 63 - 64 .
YU Gaoyuan . The design optimization of crankshaft structure on marine high-power reciprocating compressor ［D］. Qingdao ： China University of Petroleum（East China） ， 2017 ： 63 - 64 . （In Chinese）
KARIMAEI H . Optimisation of torsional vibration system for a heavy-duty inline six-cylinder diesel engine ［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part K：Journal of Multi-body Dynamics ， 2019 ， 233 （ 3 ）： 642 - 656 .
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）
CHENG S G ， LIU S L ， XIAO S G ， et al . Analysis of vertical vibration mechanism of reciprocating compressors considering flexibility of piston rod and crosshead subsidence ［J］. Mathematical Problems in Engineering ， 2019 （ 1 ）： 1 - 13 .
李瑞 ， 孟祥慧 . 船用低速机十字头滑块和十字头轴承摩擦动力学建模及低摩擦设计 ［J］. 内燃机工程 ， 2020 ， 41 （ 6 ）： 116 - 126 .
LI Rui ， MENG Xianghui . Tribo dynamic modeling and low friction design of crosshead slipper and crosshead bearing for low-speed marine diesel engines ［J］. Chinese Internal Combustion Engine Engineering ， 2020 ， 41 （ 6 ）： 116 - 126 . （In Chinese）
程寿国 . 往复压缩机十字头磨损间隙过大故障对连杆的影响 ［J］. 现代工业经济和信息化 ， 2021 ， 11 （ 10 ）： 208 - 210 .
CHENG Shouguo . Influence of excessive wear clearance of crosshead of reciprocating compressor on connecting rod ［J］. Modern Industrial Economy and Informationization ， 2021 ， 11 （ 10 ）： 208 - 210 . （In Chinese）
XUE X G ， LIU S L ， SUN X . Modeling of flexible reciprocating compressor considering the crosshead subsidence ［J］. IOP Conference Series-Earth and Environmental Science ， 2018 ， 108 （ 2 ）： 022054 .
肖顺根 . 往复压缩机传动机构间隙碰磨动力学特性研究 ［D］. 上海 ： 上海大学 ， 2019 ： 14 - 15 .
XIAO Shungen . Study on the dynamic characteristics of clearance rubbing of reciprocating compressor transmission mechanism ［D］. Shanghai ： Shanghai University ， 2019 ： 14 - 15 . （In Chinese）
VAREDI S M ， DANIALI H M ， DARDEL M . Dynamic synthesis of a planar slider-crank mechanism with clearances（Article） ［J］. Nonlinear Dynamics ， 2014 ， 79 （ 2 ）： 1587 - 1600 .
RAHMANIAN S ， GHAZAVI ， MOHAMMAD R . Bifurcation in planar slider-crank mechanism with revolute clearance joint ［J］. Mechanism & Machine Theory ， 2015 ， 91 ： 86 - 101 .
程寿国 . 含旋转铰间隙机构运动对机体振动的影响分析 ［J］. 内燃机与配件 ， 2020 （ 23 ）： 51 - 52 .
CHENG Shouguo . Analysis of the influence of the movement of rotary joint clearance mechanism on the body vibration ［J］. Internal Combustion Engine & Parts ， 2020 （ 23 ）： 51 - 52 . （In Chinese）
段海东 ， 张献州 ， 马龙 ， 等 . GPS动态变形分析中的傅里叶级数恒星日滤波 ［J］. 大地测量与地球动力学 ， 2016 ， 36 （ 7 ）： 609 - 612 .
DUAN Haidong ， ZHANG Xianzhou ， MA Long ， et al . Fourier series sidereal filtering in GPS dynamic deformation analysis ［J］. Journal of Geodesy and Geodynamics ， 2016 ， 36 （ 7 ）： 609 - 612 . （In Chinese）
郑佳慧 ， 俞晓迪 ， 赵生妹 ， 等 . 基于均值滤波的关联成像去噪 ［J］. 光学学报 ， 2022 ， 42 （ 22 ）： 49 - 56 .
ZHENG Jiahui ， YU Xiaodi ， ZHAO Shengmei ， et al . Ghost imaging denoising based on mean filtering ［J］. Acta Optica Sinica ， 2022 ， 42 （ 22 ）： 49 - 56 . （In Chinese）
0
浏览量
6
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