氧壓機曲軸斷裂的失效分析及數值模擬.pdf

1、氧氣壓縮機（簡稱氧壓機）廣泛應用于石化、鋼鐵和冶金等行業(yè)，其中的關鍵零件曲軸發(fā)生疲勞斷裂事故時有發(fā)生。壓縮機的曲軸斷裂失效屬于脆性斷裂，往往沒有任何預兆，會引起整個生產裝置的非計劃停車，造成巨大的經濟損失。特別是對于氧氣壓縮機，由于工作壓力高，氧氣介質具有強烈的助燃性，如發(fā)生曲軸突然斷裂事故，將引起的嚴重的爆炸事故和人員傷亡。因此，本論文開展氧壓機曲軸斷裂事故的失效分析和數值模擬研究，對于優(yōu)化曲軸結構，保障壓縮機的安全運行具有重要工程實

2、用價值和理論意義。
　　本論文以某特大型煉化企業(yè)雙列五級氧壓機斷裂失效曲軸為研究對象，分析了曲軸的化學成分、硬度和斷口形貌，進行了壓縮機曲柄連桿機構的運動學和動力學分析，采用有限元模擬方法計算了正常和非正常工況下的曲軸的應力和變形，并提出了曲軸結構優(yōu)化改進方案。論文主要研究工作和結論如下:
　　(1)通過曲軸材料的化學成分分析、硬度檢測和斷口宏觀與微觀形貌分析，確定了曲軸斷裂的失效模式，曲軸斷裂于安裝皮帶輪輪轂的軸端鍵槽位置

3、，裂紋起源于螺紋內孔處，斷口呈現明顯貝紋條帶，屬于疲勞斷裂;
　　(2)建立了兩列活塞運動的位移、速度和加速度方程，分析了壓縮機曲柄連桿機構的往復慣性力、偏心質量離心力、活塞力和傳遞的扭矩等載荷，確定了回轉過程中曲柄的危險工況，以及各載荷數值和作用位置;
　　(3)建立了曲軸三維實體模型，進行了正常工況和非正常工況下曲軸有限元強度數值模擬計算。結果表明，正常工況下，曲軸最大應力數值較小，不會發(fā)生疲勞斷裂;而在非正常工況下，曲

4、軸最大應力急劇增大，且位于曲軸軸端鍵槽底部，這與曲軸實際斷裂位置一致。得到了曲軸斷裂失效的主要原因是在非正常工況下，曲軸軸端鍵槽傳遞較大的扭矩，在鍵槽底部轉角處產生很大峰值應力，疲勞裂紋起源于內孔螺紋并向外部擴展，導致曲軸斷裂;
　　(4)總結曲軸斷裂失效的主要原因，提出了曲軸結構的改進方案。建立了改進后的曲軸有限元模型，進行了強度數值模擬計算。通過結構改進前后的對比，曲軸最大應力位置沒有改變，但最大應力數值大幅減小，從而杜絕曲軸