壓縮機(jī)氣缸螺栓擰緊過程有限元仿真作者：上海日立電器有限公司陳艷春劉春慧摘要：通過運用有限元仿真技術(shù)對旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)泵體螺栓裝配變形進(jìn)行模擬，結(jié)合試驗的對比驗證，確立了正確、可靠、有效的有限元仿真分析方法，從結(jié)構(gòu)仿真分析、理論知識、試驗三方面檢討了螺栓裝配對泵體變形的影響，從而展現(xiàn)非線性有限元仿真技術(shù)在實際工程問題上的具體應(yīng)用。關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)泵體螺栓裝配非線性有限元1、/.、■刖言旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)由活塞、氣缸、葉片及其背部的彈簧、偏心曲軸和上、下缸蓋等主要零件組成。氣缸內(nèi)孔和活塞均呈圓形，氣缸上開有吸、排氣口。排氣口上裝有排氣閥，氣缸內(nèi)裝有偏心曲軸，其旋轉(zhuǎn)中心與氣缸內(nèi)孔的圓心重合，活塞安裝在曲軸偏心部上，使得活塞外表面與氣缸內(nèi)表面相切，于是氣缸內(nèi)表面與活塞外表面之間形成一個月牙形空間，它的兩端被上、下缸蓋封著，構(gòu)成了壓縮機(jī)的工作腔。在氣缸的吸、排氣口之間開一個徑向槽，槽內(nèi)裝有能來回滑動的葉片，葉片背部裝有彈簧，靠彈簧力將葉片緊緊壓在活塞外表面上，將月牙形空間分成兩部分：與吸氣口相通的部分稱為吸氣腔；在排氣口一側(cè)的部分稱為壓縮腔。當(dāng)偏心曲軸由電機(jī)驅(qū)動繞氣缸中心連續(xù)旋轉(zhuǎn)時，吸氣腔、壓縮腔的容積周期變化，于是實現(xiàn)了吸氣、壓縮、排氣及余隙膨脹等工作過程?；窘Y(jié)構(gòu)見圖1(a)。<■>(b)?圖1:旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)基本結(jié)構(gòu)和氣缸模型示意圖氣缸是壓縮機(jī)的骨架，其上安裝著壓縮機(jī)的主要零部件。它支承著偏心曲軸轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)，保證運動件之間的準(zhǔn)確相互位置；支承著上、下缸蓋等固定件，形成密封的高、低壓氣腔和氣流通道，組織工質(zhì)的合理流動；承受著大小、方向不斷變化的氣體力、慣性力及其力矩的作用，為了完成上述功能，氣缸的設(shè)計必須合理，既要保證具有足夠的強(qiáng)度和剛度，又要盡可能減小其質(zhì)量和整機(jī)尺寸。氣缸上加工有吸氣孔、排氣斜切口、葉片槽、彈簧安裝孔，以及固定上、下缸蓋的螺紋孔。其模型示意圖見圖1(b)。氣缸的變形會影響壓縮機(jī)的性能，嚴(yán)重時會導(dǎo)致壓縮機(jī)堵轉(zhuǎn)。本文通過運用有限元仿真技術(shù)對旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)泵體螺栓裝配變形進(jìn)行模擬，以及試驗的對比驗證，確立了正確、可靠、有效的有限元仿真分析方法，從結(jié)構(gòu)仿真分析、理論知識、試驗三方面檢查了螺栓裝配對泵體變形的影響，從而展現(xiàn)非線性有限元仿真技術(shù)在實際工程問題上的具體應(yīng)用。2有限元分析2.1有限元模型汽缸的變形不是由螺栓預(yù)緊力直接導(dǎo)致的，一部分是通過作用在缸蓋上的壓力傳遞到汽缸上，另一部分是由螺栓預(yù)緊力對汽缸螺栓孔內(nèi)壁直接提拉作用產(chǎn)生的。所以分析的時候不能僅僅取汽缸進(jìn)行有限元分析，需對裝配件整體進(jìn)行非線性（接觸）靜力分析。接觸過程的數(shù)值模擬是當(dāng)前有限元方法的研究和發(fā)展中所面臨的重要課題之一，在力學(xué)上涉及高度復(fù)雜的（材料、幾何、邊界）三重非線性問題。接觸過程有限元數(shù)值分析的核心內(nèi)容由兩部分組成：一是接觸點對的搜尋，二是非線性方程本身的求解。接觸界面條件（不可貫入條件，法向接觸力為壓力的條件和切向摩擦力的條件）都是不等式約束，也稱之為單邊約束。利用拉格朗日乘子法或罰函數(shù)法將約束條件引入泛函的廣義變分原理，以及引入單元交界面上約束條件的修正變分原理。接觸面的范圍和接觸狀態(tài)是事先未知的，此特點決定了接觸問題需要采用試探--校核的迭代方法進(jìn)行求解。時間步的大小是影響穩(wěn)定性、精度和效率的最重要的求解參數(shù)。為了提高接觸分析結(jié)果的可靠性和有效性，在分析中需注意單元形式的選擇、接觸點對的搜尋、網(wǎng)格劃分、摩擦模型的規(guī)則化等方面的幾個問題。本分析中取汽缸、上下缸蓋、螺栓裝配件整體進(jìn)行分析。對每個零部件都劃分以六面體為主的網(wǎng)格，單元長度分別為3mm、2mm、2mm、2mm。定義汽缸與上下缸蓋接觸面、螺栓與汽缸和上下缸蓋接觸面共18對接觸對?？紤]接觸面間的摩擦，定義接觸面間為粗糙接觸，接觸面的法向剛度因子為0.1,見圖2（a）。分析采用非線性有限元分析，允許大變形。（a）裝配件有限元模型

（b）裝配件邊界條件示意圖圖2：裝配件有限元模型和邊界條件示意圖2.2邊界條件由于擰緊螺栓時，汽缸是擱在工裝臺上的：裝上缸蓋時，汽缸腰型孔下端面擱在工裝臺上；相反，裝下缸蓋時,汽缸腰型孔上端面擱在工裝臺上。在分析中忽略了螺栓的安裝順序，認(rèn)為汽缸的腰型孔上下端面是同時固定的，所以把氣缸腰型孔上下端面全約束。在螺栓上施加預(yù)緊力，使缸蓋被壓，氣缸被拉，從而達(dá)到擰緊目的。其邊界條件示意圖見圖2（b）。2.3材料參數(shù)2.4計算結(jié)果—內(nèi)徑變形量（pm）端面變形量（pm）葉片槽變形量（pm）氣缸0~1.30~1.20~12.5結(jié)果分析

(1)圖3((1)圖3(a)的氣缸變形云圖顯示:S3:分析錯累云圈氣缸端面螺栓孔處在螺栓預(yù)緊力的拉力作用下會往外凸(A處)，變形量為0?1.2pm汽缸內(nèi)徑各截面變形不一，變形量為0?1.3pm，圓度變差(C處)葉片槽變形(B處)，在葉片槽靠近汽缸內(nèi)徑側(cè)以及在汽缸進(jìn)氣口側(cè)變形最大，最大值1pm(2)圖3(b)的氣缸和缸蓋接觸壓力云圖顯示:氣缸端面螺栓孔周圍和缸蓋接觸緊密，這也說明氣缸在螺栓預(yù)緊力的作用下被拉，缸蓋被壓，從而達(dá)到擰緊的目的氣缸端面螺栓孔周圍靠氣缸外徑的部分接觸壓力大于靠氣缸內(nèi)徑的部分，這說明氣缸內(nèi)徑在螺栓擰緊力作用下發(fā)生“坍塌”現(xiàn)象，接觸面積減小3實驗3.1氣缸變形測量取上、下缸蓋和氣缸以及螺栓的裝配件進(jìn)行螺栓擰緊實驗用內(nèi)徑千分尺測量氣缸內(nèi)徑的變形值，在氣缸內(nèi)徑表面上取3個截面12個點用氣規(guī)測量葉片槽寬度的變形量，在葉片槽內(nèi)表面上取3個截面9個點詳細(xì)各測點位置示意圖見圖四。

圖4：測點位置示意圖試驗結(jié)果顯示：汽缸內(nèi)徑各截面變形不同，同一垂直方向上變形也不同，變形量為0?1.17pm。葉片槽各截面變形不同，同一垂直方向上變形也不同，變形量為0.25?0.58pm，并且最大變形均發(fā)生在葉片槽靠近汽缸內(nèi)徑側(cè)，說明葉片成錐狀變形。3.2氣缸和缸蓋接觸壓力測量取上、下缸蓋和氣缸以及螺栓的裝配件進(jìn)行螺栓擰緊實驗，在上缸蓋和氣缸中間墊一張壓力試紙，測量氣缸和缸蓋的接觸壓力，測量結(jié)果如下：圖5：氣缸和缸蓋的接觸壓力測試壓力試紙圖在壓力試紙上，紅色表示缸蓋和氣缸接觸壓力的大小，顏色越深表示接觸壓力越大，接觸的越緊密。在壓力試紙上，能清晰的看到紅色區(qū)域深淺不一，分布的區(qū)域也不同，表示缸蓋和氣缸在不同的區(qū)域接觸壓力不一樣，結(jié)合的緊密程度也不同，這和分析的結(jié)果是一致的。但受到壓力試紙的測量規(guī)格和對壓力的靈敏度的影響，我們不能很清楚的根據(jù)壓力顏色得到壓力的大小。4結(jié)論運用有限元仿真分析技術(shù)，就螺栓擰緊力對汽缸變形的影響進(jìn)行有限元仿真分析，并通過試驗進(jìn)行驗證后，得到以下結(jié)論：1）根據(jù)有限元分析可知汽缸端面螺栓孔處在螺栓預(yù)緊力的拉力作用下會往外凸，變形量為0?1.2pm,由于試驗沒有測試這個值，所以不能比較。但從試驗壓力試紙的測試結(jié)果上，能清晰的看到紅色區(qū)域深淺不一，分布的區(qū)域也不同，表示缸蓋和汽缸在不同的區(qū)域接觸壓力不一樣，從側(cè)面表明汽缸端面在螺栓預(yù)緊力的作用下是凹凸不平的。2）從汽缸變形的分析結(jié)果云圖和試驗測試值表明汽缸內(nèi)徑各截面變形不一，圓度變差。分析值最大變形為1.3pm，試驗測試值最大變形為1.17pm，誤差11%。3）從汽缸變形的分析結(jié)果云圖和試驗測試值表明葉片槽成錐狀變形。分析值最大變形為1pm，試驗測試值最大變形為0.58pm，誤差72%。這是由于在