往复式压缩机主机自顶向下设计及其方法研究

发布时间：2017-09-10 03:25

  本文关键词：往复式压缩机主机自顶向下设计及其方法研究

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【摘要】：随着天然气开采的快速发展,国内对油气田用的高速大功率往复式天然气压缩机的需求越来越大,而相关单位在这方面的研究起步较晚,目前所设计制造的产品与国外相比还存在一定的差距。国产往复式压缩机的功率、工作压力存在不足,投入使用的寿命较短,易损件较多,阻碍了国内油气田的发展。作为天然气生产中至关重要的装备,往复式压缩机性能的优劣对天然气的产量具有重大影响,因此提升国产往复式压缩机的研究设计水平,增强设备的质量和性能,对国内天然气行业的发展具有重要意义。本文以一种高速大功率往复式天然气压缩机的主机为研究对象,对其进行了自顶向下设计和仿真研究,具体内容和研究成果有以下几个方面。(1)在Creo软件中主要利用自顶向下的设计方法对该型往复式压缩机进行参数化设计,通过概念设计、骨架模型设计、组装设计等自顶向下设计流程完成了压缩机的模型设计,实现了顶层设计信息控制底层三维模型,使设计参数的变动能够快速反映到模型上,模型的修改变得方便快捷,提高了压缩机的设计效率。(2)利用Mathcad与Creo无缝集成来进行了往复式压缩机设计参数的计算和传递,将初始设计参数迅速而准确地转化为了模型主要几何尺寸,并驱动了模型几何的更新,快速地得到了当前设计参数下的模型,这进一步提高了设计效率(3)在AMESim软件中建立了往复式压缩机的曲轴系、气缸、气阀的1D仿真模型,并组合搭建了压缩机的1D模型,仿真分析了缸内气体特性,将仿真得到的气缸轴侧和盖侧的气体压力曲线,与理论计算进行了对比分析,验证了其准确性。(4)在Motion软件中建立了往复式压缩机的多刚体动力学模型,并基于AMESim1D和Motion 3D联合仿真的方法,对往复式压缩机曲轴系进行了动力学仿真分析,得到了活塞的运动规律以及压缩机上侧向力、曲柄销受力、主轴颈受力等主要动态作用力的变化规律。(5)对曲轴柔性化的往复式压缩机进行了刚柔耦合动力学仿真分析,得到了曲轴的固有特性,表明了曲轴输入端固有振幅最大。通过将刚柔耦合动力学仿真结果与刚体动力学仿真结果对比分析,发现曲轴柔性化之后能够更加真实地反映出曲轴系的动态特性。对曲轴进行应力分析表明了曲轴上的最大应力处位于压缩机第6列对应的曲柄销的右侧过渡圆角处,再通过增大圆角半径5mm后,最大应力降低了17.1%。(6)基于往复式压缩机曲轴系的刚柔耦合动力学仿真分析,对曲轴的扭振响应进行了研究,仿真得出了曲轴上的最大扭转角为1.3°,位于输入端处,该扭转角不大,对压缩机的危害较小。再通过对扭振曲线进行频域响应分析,发现6谐次的激振引起的扭转角最大,为0.306°,其次是2、3谐次。又对不同长度的输入端对曲轴扭振的影响进行分析,发现输入端长度为350mm左右时,输入端的扭振幅值达到了最小值1.084°。
【关键词】：往复式压缩机 自顶向下设计 动力学 刚柔耦合 扭振
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE93;TH45
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 绪论9-21
• 1.1 研究的背景和意义9-11
• 1.2 往复式压缩机概况11-14
• 1.2.1 压缩机的分类11
• 1.2.2 往复式压缩机的基本原理11-12
• 1.2.3 往复式压缩机的主要结构12-13
• 1.2.4 往复式压缩机的发展趋势13-14
• 1.3 国内外研究现状14-19
• 1.3.1 往复式压缩机的国内外研究现状14-15
• 1.3.2 自顶向下设计的国内外研究现状15-16
• 1.3.3 系统一维仿真的国内外研究现状16-17
• 1.3.4 多刚体动力学的国内外研究现状17-18
• 1.3.5 扭转振动分析的国内外研究现状18-19
• 1.4 论文的研究内容19-21
• 1.4.1 论文研究的主要内容19
• 1.4.2 论文研究的技术路线19-21
• 第2章 往复式压缩机自顶向下设计21-40
• 2.1 概述21-23
• 2.2 往复式压缩机概念设计23-26
• 2.2.1 结构方案的选择24-25
• 2.2.2 布局设计25-26
• 2.3 设定初步的往复式压缩机架构26-28
• 2.4 往复式压缩机骨架模型设计28-30
• 2.4.1 标准骨架模型设计28-29
• 2.4.2 运动骨架模型设计29-30
• 2.5 管理关连性30-31
• 2.6 传递设计信息31-35
• 2.6.1 布局声明32-33
• 2.6.2 发布几何与复制几何33-35
• 2.7 往复式压缩机组装设计35-39
• 2.7.1 由骨架模型直接建立组件36-37
• 2.7.2 由内部共享建立组件37
• 2.7.3 由镜像和阵列建立组件37-38
• 2.7.4 往复式压缩机整体组件形成38-39
• 2.8 本章小结39-40
• 第3章 往复式压缩机自顶向下设计的参数计算40-48
• 3.1 概述40-42
• 3.2 往复式压缩机计算程序设计42-44
• 3.2.1 往复式压缩机计算概述42
• 3.2.2 利用Mathcad建立计算程序42-44
• 3.3 Creo与Mathcad的参数计算及传递44-47
• 3.4 本章小结47-48
• 第4章 往复式压缩机系统一维仿真分析48-60
• 4.1 概述48-49
• 4.1.1 AMESim仿真分析流程48-49
• 4.1.2 往复式压缩机系统介绍49
• 4.2 往复式压缩机一维仿真模型的建立49-53
• 4.2.1 曲轴系1D仿真模型49-50
• 4.2.2 气缸1D仿真模型50-51
• 4.2.3 气阀1D仿真模型51-52
• 4.2.4 往复式压缩机1D仿真模型52-53
• 4.3 元件的参数设置53
• 4.4 气体压力仿真分析及与理论计算对比53-57
• 4.5 缸内气体的其它特性分析57-59
• 4.6 本章小结59-60
• 第5章 往复式压缩机多刚体动力学仿真分析60-78
• 5.1 概述60-61
• 5.1.1 多刚体系统动力学的基本理论60-61
• 5.1.2 LMS Virtual.Lab Motion介绍61
• 5.2 曲轴系运动学和动力学分析61-66
• 5.2.1 曲轴系运动学分析61-62
• 5.2.2 曲轴系动力学分析62-66
• 5.3 曲轴系实体模型的建立66-67
• 5.4 曲轴系动力学仿真模型的建立67-71
• 5.4.1 导入曲轴系实体模型67-68
• 5.4.2 设置零件的材料属性68
• 5.4.3 设置仿真的边界条件68-71
• 5.5 曲轴系多刚体动力学仿真分析71-77
• 5.5.1 曲轴系运动学仿真分析71-73
• 5.5.2 曲轴系动力学仿真分析73-77
• 5.6 本章小结77-78
• 第6章 往复式压缩机刚柔耦合动力学仿真分析78-96
• 6.1 概述78-80
• 6.1.1 多柔体系统动力学的基本理论78-79
• 6.1.2 Motion柔体动力学仿真介绍79-80
• 6.2 曲轴系刚柔耦合动力学建模80-83
• 6.2.1 曲轴柔性体的建立80-82
• 6.2.2 刚柔耦合动力学仿真模型的建立82-83
• 6.3 曲轴系刚柔耦合和多刚体动力学仿真结果对比83-90
• 6.4 曲轴的应力分析及结构改进90-94
• 6.4.1 曲轴应力分析90-93
• 6.4.2 曲轴结构改进93-94
• 6.5 本章小结94-96
• 第7章 往复式压缩机曲轴系扭振仿真分析96-111
• 7.1 概述96
• 7.2 扭转振动的基本理论96-99
• 7.3 扭转振动的分析方法99-102
• 7.3.1 系统的当量转化99-100
• 7.3.2 激振的简谐分析100-101
• 7.3.3 临界转速101-102
• 7.4 曲轴系扭振仿真结果分析102-108
• 7.5 输入端长度对曲轴扭振的影响分析108-109
• 7.6 本章小结109-111
• 第8章 结论与展望111-113
• 8.1 结论111-112
• 8.2 展望112-113
• 致谢113-114
• 参考文献114-118
• 附录118-120
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果120

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