1、2 0 2 3年第5期基于A N S Y S的曲轴模态分析及测试盘潇潇(中石化石油机械股份有限公司三机分公司,湖北 武汉 4 3 0 0 0 0)摘 要:模态是对系统结构的动力学描述,模态分析、模态测试均可获取系统的振型、固有频率等模态参数,二者各有优点,将二者结合起来,根据振型和固有频率是分析系统振动特性,判断结构优化的方向的关键点。本文对天然气活塞式压缩机曲轴进行模态分析、测试,通过分析与测试结果相互验证,修正有限元模型,使二者偏差在1%以内,验证了曲轴模型的准确性,形成了一套有效的曲轴模态测试方案,为后续基于模态的研究提供了依据。关键词:压缩机;曲轴;模态分析;模态测试;固有频率 中图分
2、类号:U 4 6 4.1 3 3+.3 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 5-0 0 4 6-0 3M o d a lA n a l y s i sa n dT e s t o fC r a n k s h a f t a r eB a s e do nA N S Y SP a nX i a o-x i a o(S i n o p e cO i l f i e l dE q u i p m e n tC o r p o r a t i o nT h i r dE n g i n eB r a n c h,Wu h a nH u b e i,4 3 0
3、 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:M o d a l i sad y n a m i cd e s c r i p t i o no f t h es y s t e ms t r u c t u r e,m o d a l a n a l y s i sa n dm o d a l t e s t i n gc a no b-t a i nt h em o d es h a p e,n a t u r a l f r e q u e n c ya n do t h e rm o d a l p a r a m e t e r so f t h e s y s
4、t e m,b o t hh a v e t h e i ro w na d v a n t a-g e s,c o m b i n e t h e t w o,a c c o r d i n g t o t h em o d e s h a p e a n dn a t u r a l f r e q u e n c y i s t h ek e yp o i n t t oa n a l y z e t h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f t h es y s t e ma n d j u d g i n g t h e
5、d i r e c t i o no f s t r u c t u r a l o p t i m i z a t i o n.I nt h i sp a p e r,t h em o d a l a n a l y-s i sa n dt e s t i n go f t h ep i s t o nc o m p r e s s o rc r a n k s h a f ta r ec a r r i e do u t,a n dt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l i sc o r r e c t e dt om a k e t h ed e v
6、 i a t i o no f t h e t w ow i t h i n1%,w h i c hv e r i f i e s t h e a c c u r a c yo f t h e c r a n k s h a f tm o d e l a n d f o r m s a ne f f e c-t i v ec r a n k s h a f tm o d a l t e s t s c h e m e,w h i c hp r o v i d e sab a s i s f o rs u b s e q u e n tm o d e-b a s e dr e s e a r c
7、 h.K e yw o r d s:C o m p r e s s o r;C r a n k s h a f t;M o d a l a n a l y s i s;M o d a l t e s t i n g;N a t u r a l f r e q u e n c y作者简介:盘潇潇(1 9 9 3),机械工程专业硕士研究生,现在中石化石油机械股份有限公司三机分公司从事天然气压缩机设计研发工作。0 引言由于天然气压缩机在高速、重载、大功率的环境下工作,曲轴作为压缩机的核心零件,承受周期性的拉压载荷、往复惯性力、气体力等复杂载荷的共同作用,若因为振动过大发生变形、失效,则会导致严重的生
8、产事故。模态分析是对系统结构力学分析的基础,模态仿真、模态测试均可获取系统的振型、固有频率、阻尼等模态参数,反映处结构的振动特性,是其他动力学分析的基础。已有很多学者将AN S Y S模态分析和模态测试实验应用在各个系统分析领域,蒋济武1等对比铣削加工所用铣刀的振动特性数学模型和AN S Y S模态分析仿真结果,验证了所建数学模型的可靠性;张珂2根据砌筑机器人动力学特性和模态参数分析结果,优化机器人结构,提高整机结构稳定性及作业精度;汪通悦3等利用冲击锤对“工件-夹具”系统提供一种瞬态激励,采用加速度传感器进行振动响应测试,获取模态参数,为后续实际加工参数设定提供依据;边蕴宇4等通过建立有限元
9、模型,识别电机支撑系统模态参数,并通过激励锤测量支撑系统不同工况下模态参数,最后根据模态修正法调整支架尺寸,得到避免结构共振的最优设计参数;王加路5基于模态仿真分析,从材料选型、结构布局等角度对信道化处理机结构进行优化减重;在汽车研究领域,学者们通常会对汽车曲轴进行模态分析及测试,如李德水6等对某一小型柴油机的曲轴系在自由状态和约束状态下进行模态敲击试验,识别其模态参数,并建立轴系三维模型,导入AN S Y S中进行模态分析,对比模态试验结果,探讨轴系动态特性仿真建模方法的优缺点。而少有学者对天然气压缩机领域进行模态研究,且目前常见的模态测试均采用力锤敲击试验,其所能激起的频率有限,且受环境、
10、锤激方式、力度的影响较大,不能全面了解结构的固有频率特性,但激振器可通过扫频的方式持续稳定输出激励频率,能激发被测件的每一阶固有频率。因此,本文采用激振器扫频的方式替代力锤激励,对天然气压缩机曲轴进行模态分析及测试,通过分析与测试结果相互验证,利用模态测试结果证明有限元模型的准确性,为后续曲轴的其他动力学分析提供依据,利用有限元结果证明测试方法的可行性,形成一套行之有效的模态测试方案,也为整机模态测试奠定基础。1 曲轴三维模型建立首先选取一种四列对称平衡型压缩机组的曲轴作为研究对象,再在S o l i d W o r k s三维软件中建立曲轴的三维模型,为了保证分析结果的准确性,及其与测试结果
11、的一致性,并未对圆角、小孔进行简化。2 对曲轴进行模态分析及测试2.1 模态分析理论模态分析是为了识别出系统的模态参数,主要包括系统的振型、阻尼及固有频率等,三者均为系统本身属性,不64DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.05.004内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n取决于外界环境、激励。当外界激励频率与系统固有频率相等时,系统会发生共振。线性系统的振动微分方程表示为式(1):M+C+K=F(1)式中,M、C、K分别为系统的质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵;是系统的位移向量,F是系统所受的载荷向量。对于无阻尼系统,式(1)即为式(2):M+K=0
12、(2)当系统作简谐运动时,式(2)的解为式(3):=is i n(i+i)(3)式(3)带入式(2)中,可得式(4):(-2iM+K)i=0(4)其中,i为模态振型,i为固有频率,当i=0时,表示系统不振动,式(4)无解。如需式(4)有解,需要满足式(5):d e t(K-2iM)=0(5)通过求解式(5),可得到n个特征值i,n个特征向量i。2.2 模态分析将曲轴模型导入AN S Y S W o r k b e n c h中的M o d a l模块,对几何模型进行前处理和网格划分,定义材料属性,具体材料属性见表1所示:表1 优化前曲轴材料属性参数项目材料密度(k g/m3)弹性模量(P a)
13、泊松比曲轴4 2 C r M o7 8 5 02.1 2 e+1 10.2 8 在W o r k b e n c h中的M o d a l模块中对曲轴进行自由模态分析,即不施加任何约束和载荷,采用自由边界条件,求解得出曲轴的前十阶模态,由于自由模态中的前六阶为刚体模态,固有频率近似为零,所以第七阶作为曲轴的第一阶模态,即只考虑非零的前四阶模态,得出曲轴非零前四阶自由模态的振型见图1-4所 示,固 有 频 率 值 见 表2所示:图1 一阶模态振型(2 1 7.9 1 H z)图2 二阶模态振型(2 2 2.4 H z)图3 三阶模态振型(4 6 6.8 2 H z)图4 四阶模态振型(4 7 0
14、.8 9 H z)表2 曲轴自由模态分析前七阶非零固有频率值阶数固有频率(H z)第一阶2 1 7.9 1第二阶2 2 2.4第三阶4 6 6.8 2第四阶4 7 0.8 92.3 对曲轴进行模态测试激励方式:目前常用的激励方式是力锤和激振器,它们都能提供一个已知的输入激励力,其中,力锤是一种能够提供瞬态激励的装置,与激振器相比,结构和操作都相对简单,且能够通过更换锤帽以产生不同等级的激振力,因其设备简单、价格低廉和操作方便,且对环境的适应性强而得到广泛的应用。而激振器能够提供广泛、可控性强的激励信号,激励的能量也更大、分布更均匀,且能激励出要求频段内的所有频率值,数据的质量更高,但必须和信号
15、发生器、功率放大器一起使用,纯模态测试时,只能选用激振器激励保证测试结果的准确性,所以本次试验采用激振器激励。支撑方式:本次模态试验采用自由支承即软支承,用两根软绳将曲轴悬挂起来近似模拟自由状态。两根软绳分别悬挂在曲轴两端,保证吊绳不会脱落,调整曲轴悬挂的角度,使曲轴轴线平行地面。图5 测试采集分析系统试验设备:本次测试所用到的仪器主要有功率放大器DH 5 8 7 2,扫频信号发生器DH 5 9 4 4,数据采集卡,加速度传感器1 6个,激振器,数据采集卡,计算机,东华的DH-742 0 2 3年第5期D A S动态信号采集分析系统,曲轴。现场测试系统见图5所示。激励点位置:为了避开节点,使激
16、励点位于与曲轴轴线平行方向、靠近曲轴端部,曲轴平稳不晃动时,将激振器长杆头部磁铁与曲轴贴合,并确保激振器不工作时,长杆处于自然伸长状态。测点位置:选取的响应测点,要避开曲轴节点,且易于传感器安装、对结构局部质量和刚度影响不大,并能准确地区分各阶模态。曲轴属于非对称结构,四个曲拐分别位于不同的方位,为了构建曲轴形状轮廓,需要在整个曲轴上均匀布置测点,共设置1 6个测点,上下左右各4个,分为四组测试。第一、二组为侧方激励,曲轴起吊高度距离基础平台大约1 0 c m,且激振器的激励杆平行于基础平台,并垂直于曲轴轴心,见图6。第一组测点:首先在曲轴轴线长度方向均匀布置4个传感器,激振器也位于同一侧直线上,布置在两个加速度传感器之间,设置采样频率为5 k H z,激振器扫频为5 01 0 0 0 H z。第二组测点:保持激振器(力传感器)位置不变,4个加速度传感器均移动到原对侧位置。图6 曲轴侧方激励模态测试第三、四 组 均 为 下 方 激 励,同 样 设 置 采 样 频 率 为5 k H z,激振器扫频为5 01 0 0 0 H z,测试方法为:第三组测点时增大曲轴起吊高度,移动激振器至曲轴正
