氧压机曲轴断裂的失效分析及数值模拟

摘要

氧气压缩机（简称氧压机）广泛应用于石化、钢铁和冶金等行业，其中的关键零件曲轴发生疲劳断裂事故时有发生。压缩机的曲轴断裂失效属于脆性断裂，往往没有任何预兆，会引起整个生产装置的非计划停车，造成巨大的经济损失。特别是对于氧气压缩机，由于工作压力高，氧气介质具有强烈的助燃性，如发生曲轴突然断裂事故，将引起的严重的爆炸事故和人员伤亡。因此，本论文开展氧压机曲轴断裂事故的失效分析和数值模拟研究，对于优化曲轴结构，保障压缩机的安全运行具有重要工程实用价值和理论意义。
　　本论文以某特大型炼化企业双列五级氧压机断裂失效曲轴为研究对象，分析了曲轴的化学成分、硬度和断口形貌，进行了压缩机曲柄连杆机构的运动学和动力学分析，采用有限元模拟方法计算了正常和非正常工况下的曲轴的应力和变形，并提出了曲轴结构优化改进方案。论文主要研究工作和结论如下:
　　(1)通过曲轴材料的化学成分分析、硬度检测和断口宏观与微观形貌分析，确定了曲轴断裂的失效模式，曲轴断裂于安装皮带轮轮毂的轴端键槽位置，裂纹起源于螺纹内孔处，断口呈现明显贝纹条带，属于疲劳断裂;
　　(2)建立了两列活塞运动的位移、速度和加速度方程，分析了压缩机曲柄连杆机构的往复惯性力、偏心质量离心力、活塞力和传递的扭矩等载荷，确定了回转过程中曲柄的危险工况，以及各载荷数值和作用位置;
　　(3)建立了曲轴三维实体模型，进行了正常工况和非正常工况下曲轴有限元强度数值模拟计算。结果表明，正常工况下，曲轴最大应力数值较小，不会发生疲劳断裂;而在非正常工况下，曲轴最大应力急剧增大，且位于曲轴轴端键槽底部，这与曲轴实际断裂位置一致。得到了曲轴断裂失效的主要原因是在非正常工况下，曲轴轴端键槽传递较大的扭矩，在键槽底部转角处产生很大峰值应力，疲劳裂纹起源于内孔螺纹并向外部扩展，导致曲轴断裂;
　　(4)总结曲轴断裂失效的主要原因，提出了曲轴结构的改进方案。建立了改进后的曲轴有限元模型，进行了强度数值模拟计算。通过结构改进前后的对比，曲轴最大应力位置没有改变，但最大应力数值大幅减小，从而杜绝曲轴断裂失效事故发生。

目录

声明

摘要

1．1．1 课题背景

1．1．2 课题研究的目的和意义

1．2 国内外研究现状及发展趋势

1．2．1 往复式压缩机发展现状

1．2．2 曲轴疲劳强度研究发展及现状

1．2．3 失效分析的发展历史

1．2．4 断裂失效分析

1．3 主要研究内容

2．1 引言

2．2 压缩机曲轴断裂情况

2．3 材料和断口的特征分析

2．3．1 半定量分析

2．3．2 硬度试验

2．3．3 曲轴断口分析

2．4 本章小结

3．1 引言

3．2 曲轴力学分析流程

3．3 曲轴力学分析计算

3．3．1 曲柄连杆机构运动学分析

3．3．2 曲柄连杆机构动力学分析

3．3．3 曲柄连杆机构静力学分析

3．4 本章小结

4．1 引言

4．2 有限元结构分析的基础理论

4．2．1 有限元法相关介绍

4．2．2 有限元法分析精度的影响因素

4．2．3 了解ANSYS的功能

4．3 曲轴整体有限元模型建立

4．3．1 曲轴2D模型建立

4．3．2 曲轴3D实体模型建立

4．3．3 3D模型前处理

4．3．4 装载模型

4．3．5 单元类型选择

4．3．6 网格划分

4．4 曲轴有限元分析

4．4．1 载荷、边界条件

4．4．2 定义材料属性

4．5 有限元计算结果分析

4．5．1 正常工况下计算结果

4．5．2 非正常工况下计算结果

4．5．3 正常工况与非正常工况下有限元结果比较分析

4．6 本章小结

第5章 曲轴结构的改进

5．1 改进设计方案

5．2 曲轴连接部位设计改进

5．3 改进后的曲轴ANSYS的分析

5．3．1 改进后的曲轴的3D建模

5．3．2 改进后的曲轴ANSYS17．0有限元分析

5．3．3 改进后的曲轴网格划分

5．3．4 改进后的曲轴的载荷

5．3．5 边界条件、材料属性的定义

5．4 改进后的曲轴的有限元计算结果分析

5．4．1 改进后曲轴数值模拟的计算结果

5．4．2 计算结果分析

5．5 本章小结

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果