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往復(fù)式壓縮機(jī)主機(jī)自頂向下設(shè)計(jì)及其方法研究

發(fā)布時(shí)間:2017-09-10 03:25

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【摘要】:隨著天然氣開(kāi)采的快速發(fā)展,國(guó)內(nèi)對(duì)油氣田用的高速大功率往復(fù)式天然氣壓縮機(jī)的需求越來(lái)越大,而相關(guān)單位在這方面的研究起步較晚,目前所設(shè)計(jì)制造的產(chǎn)品與國(guó)外相比還存在一定的差距。國(guó)產(chǎn)往復(fù)式壓縮機(jī)的功率、工作壓力存在不足,投入使用的壽命較短,易損件較多,阻礙了國(guó)內(nèi)油氣田的發(fā)展。作為天然氣生產(chǎn)中至關(guān)重要的裝備,往復(fù)式壓縮機(jī)性能的優(yōu)劣對(duì)天然氣的產(chǎn)量具有重大影響,因此提升國(guó)產(chǎn)往復(fù)式壓縮機(jī)的研究設(shè)計(jì)水平,增強(qiáng)設(shè)備的質(zhì)量和性能,對(duì)國(guó)內(nèi)天然氣行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。本文以一種高速大功率往復(fù)式天然氣壓縮機(jī)的主機(jī)為研究對(duì)象,對(duì)其進(jìn)行了自頂向下設(shè)計(jì)和仿真研究,具體內(nèi)容和研究成果有以下幾個(gè)方面。(1)在Creo軟件中主要利用自頂向下的設(shè)計(jì)方法對(duì)該型往復(fù)式壓縮機(jī)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì),通過(guò)概念設(shè)計(jì)、骨架模型設(shè)計(jì)、組裝設(shè)計(jì)等自頂向下設(shè)計(jì)流程完成了壓縮機(jī)的模型設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了頂層設(shè)計(jì)信息控制底層三維模型,使設(shè)計(jì)參數(shù)的變動(dòng)能夠快速反映到模型上,模型的修改變得方便快捷,提高了壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)效率。(2)利用Mathcad與Creo無(wú)縫集成來(lái)進(jìn)行了往復(fù)式壓縮機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算和傳遞,將初始設(shè)計(jì)參數(shù)迅速而準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)化為了模型主要幾何尺寸,并驅(qū)動(dòng)了模型幾何的更新,快速地得到了當(dāng)前設(shè)計(jì)參數(shù)下的模型,這進(jìn)一步提高了設(shè)計(jì)效率(3)在AMESim軟件中建立了往復(fù)式壓縮機(jī)的曲軸系、氣缸、氣閥的1D仿真模型,并組合搭建了壓縮機(jī)的1D模型,仿真分析了缸內(nèi)氣體特性,將仿真得到的氣缸軸側(cè)和蓋側(cè)的氣體壓力曲線,與理論計(jì)算進(jìn)行了對(duì)比分析,驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性。(4)在Motion軟件中建立了往復(fù)式壓縮機(jī)的多剛體動(dòng)力學(xué)模型,并基于AMESim1D和Motion 3D聯(lián)合仿真的方法,對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)曲軸系進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析,得到了活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及壓縮機(jī)上側(cè)向力、曲柄銷(xiāo)受力、主軸頸受力等主要?jiǎng)討B(tài)作用力的變化規(guī)律。(5)對(duì)曲軸柔性化的往復(fù)式壓縮機(jī)進(jìn)行了剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真分析,得到了曲軸的固有特性,表明了曲軸輸入端固有振幅最大。通過(guò)將剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真結(jié)果與剛體動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)曲軸柔性化之后能夠更加真實(shí)地反映出曲軸系的動(dòng)態(tài)特性。對(duì)曲軸進(jìn)行應(yīng)力分析表明了曲軸上的最大應(yīng)力處位于壓縮機(jī)第6列對(duì)應(yīng)的曲柄銷(xiāo)的右側(cè)過(guò)渡圓角處,再通過(guò)增大圓角半徑5mm后,最大應(yīng)力降低了17.1%。(6)基于往復(fù)式壓縮機(jī)曲軸系的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真分析,對(duì)曲軸的扭振響應(yīng)進(jìn)行了研究,仿真得出了曲軸上的最大扭轉(zhuǎn)角為1.3°,位于輸入端處,該扭轉(zhuǎn)角不大,對(duì)壓縮機(jī)的危害較小。再通過(guò)對(duì)扭振曲線進(jìn)行頻域響應(yīng)分析,發(fā)現(xiàn)6諧次的激振引起的扭轉(zhuǎn)角最大,為0.306°,其次是2、3諧次。又對(duì)不同長(zhǎng)度的輸入端對(duì)曲軸扭振的影響進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)輸入端長(zhǎng)度為350mm左右時(shí),輸入端的扭振幅值達(dá)到了最小值1.084°。
【關(guān)鍵詞】:往復(fù)式壓縮機(jī) 自頂向下設(shè)計(jì) 動(dòng)力學(xué) 剛?cè)狁詈?/strong> 扭振
【學(xué)位授予單位】:西南石油大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】:碩士
【學(xué)位授予年份】:2016
【分類(lèi)號(hào)】:TE93;TH45
【目錄】:
  • 摘要3-4
  • Abstract4-9
  • 第1章 緒論9-21
  • 1.1 研究的背景和意義9-11
  • 1.2 往復(fù)式壓縮機(jī)概況11-14
  • 1.2.1 壓縮機(jī)的分類(lèi)11
  • 1.2.2 往復(fù)式壓縮機(jī)的基本原理11-12
  • 1.2.3 往復(fù)式壓縮機(jī)的主要結(jié)構(gòu)12-13
  • 1.2.4 往復(fù)式壓縮機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)13-14
  • 1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀14-19
  • 1.3.1 往復(fù)式壓縮機(jī)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀14-15
  • 1.3.2 自頂向下設(shè)計(jì)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀15-16
  • 1.3.3 系統(tǒng)一維仿真的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀16-17
  • 1.3.4 多剛體動(dòng)力學(xué)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀17-18
  • 1.3.5 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)分析的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀18-19
  • 1.4 論文的研究?jī)?nèi)容19-21
  • 1.4.1 論文研究的主要內(nèi)容19
  • 1.4.2 論文研究的技術(shù)路線19-21
  • 第2章 往復(fù)式壓縮機(jī)自頂向下設(shè)計(jì)21-40
  • 2.1 概述21-23
  • 2.2 往復(fù)式壓縮機(jī)概念設(shè)計(jì)23-26
  • 2.2.1 結(jié)構(gòu)方案的選擇24-25
  • 2.2.2 布局設(shè)計(jì)25-26
  • 2.3 設(shè)定初步的往復(fù)式壓縮機(jī)架構(gòu)26-28
  • 2.4 往復(fù)式壓縮機(jī)骨架模型設(shè)計(jì)28-30
  • 2.4.1 標(biāo)準(zhǔn)骨架模型設(shè)計(jì)28-29
  • 2.4.2 運(yùn)動(dòng)骨架模型設(shè)計(jì)29-30
  • 2.5 管理關(guān)連性30-31
  • 2.6 傳遞設(shè)計(jì)信息31-35
  • 2.6.1 布局聲明32-33
  • 2.6.2 發(fā)布幾何與復(fù)制幾何33-35
  • 2.7 往復(fù)式壓縮機(jī)組裝設(shè)計(jì)35-39
  • 2.7.1 由骨架模型直接建立組件36-37
  • 2.7.2 由內(nèi)部共享建立組件37
  • 2.7.3 由鏡像和陣列建立組件37-38
  • 2.7.4 往復(fù)式壓縮機(jī)整體組件形成38-39
  • 2.8 本章小結(jié)39-40
  • 第3章 往復(fù)式壓縮機(jī)自頂向下設(shè)計(jì)的參數(shù)計(jì)算40-48
  • 3.1 概述40-42
  • 3.2 往復(fù)式壓縮機(jī)計(jì)算程序設(shè)計(jì)42-44
  • 3.2.1 往復(fù)式壓縮機(jī)計(jì)算概述42
  • 3.2.2 利用Mathcad建立計(jì)算程序42-44
  • 3.3 Creo與Mathcad的參數(shù)計(jì)算及傳遞44-47
  • 3.4 本章小結(jié)47-48
  • 第4章 往復(fù)式壓縮機(jī)系統(tǒng)一維仿真分析48-60
  • 4.1 概述48-49
  • 4.1.1 AMESim仿真分析流程48-49
  • 4.1.2 往復(fù)式壓縮機(jī)系統(tǒng)介紹49
  • 4.2 往復(fù)式壓縮機(jī)一維仿真模型的建立49-53
  • 4.2.1 曲軸系1D仿真模型49-50
  • 4.2.2 氣缸1D仿真模型50-51
  • 4.2.3 氣閥1D仿真模型51-52
  • 4.2.4 往復(fù)式壓縮機(jī)1D仿真模型52-53
  • 4.3 元件的參數(shù)設(shè)置53
  • 4.4 氣體壓力仿真分析及與理論計(jì)算對(duì)比53-57
  • 4.5 缸內(nèi)氣體的其它特性分析57-59
  • 4.6 本章小結(jié)59-60
  • 第5章 往復(fù)式壓縮機(jī)多剛體動(dòng)力學(xué)仿真分析60-78
  • 5.1 概述60-61
  • 5.1.1 多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的基本理論60-61
  • 5.1.2 LMS Virtual.Lab Motion介紹61
  • 5.2 曲軸系運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析61-66
  • 5.2.1 曲軸系運(yùn)動(dòng)學(xué)分析61-62
  • 5.2.2 曲軸系動(dòng)力學(xué)分析62-66
  • 5.3 曲軸系實(shí)體模型的建立66-67
  • 5.4 曲軸系動(dòng)力學(xué)仿真模型的建立67-71
  • 5.4.1 導(dǎo)入曲軸系實(shí)體模型67-68
  • 5.4.2 設(shè)置零件的材料屬性68
  • 5.4.3 設(shè)置仿真的邊界條件68-71
  • 5.5 曲軸系多剛體動(dòng)力學(xué)仿真分析71-77
  • 5.5.1 曲軸系運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析71-73
  • 5.5.2 曲軸系動(dòng)力學(xué)仿真分析73-77
  • 5.6 本章小結(jié)77-78
  • 第6章 往復(fù)式壓縮機(jī)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真分析78-96
  • 6.1 概述78-80
  • 6.1.1 多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的基本理論78-79
  • 6.1.2 Motion柔體動(dòng)力學(xué)仿真介紹79-80
  • 6.2 曲軸系剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)建模80-83
  • 6.2.1 曲軸柔性體的建立80-82
  • 6.2.2 剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真模型的建立82-83
  • 6.3 曲軸系剛?cè)狁詈虾投鄤傮w動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果對(duì)比83-90
  • 6.4 曲軸的應(yīng)力分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)90-94
  • 6.4.1 曲軸應(yīng)力分析90-93
  • 6.4.2 曲軸結(jié)構(gòu)改進(jìn)93-94
  • 6.5 本章小結(jié)94-96
  • 第7章 往復(fù)式壓縮機(jī)曲軸系扭振仿真分析96-111
  • 7.1 概述96
  • 7.2 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的基本理論96-99
  • 7.3 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的分析方法99-102
  • 7.3.1 系統(tǒng)的當(dāng)量轉(zhuǎn)化99-100
  • 7.3.2 激振的簡(jiǎn)諧分析100-101
  • 7.3.3 臨界轉(zhuǎn)速101-102
  • 7.4 曲軸系扭振仿真結(jié)果分析102-108
  • 7.5 輸入端長(zhǎng)度對(duì)曲軸扭振的影響分析108-109
  • 7.6 本章小結(jié)109-111
  • 第8章 結(jié)論與展望111-113
  • 8.1 結(jié)論111-112
  • 8.2 展望112-113
  • 致謝113-114
  • 參考文獻(xiàn)114-118
  • 附錄118-120
  • 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及科研成果120

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