关于直线压缩机无油润滑活塞组热-结构的耦合分析

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无油润滑活塞环是保证压缩机在-定的时间内安全、稳定运行的部件。活塞环良好的机械性能、自润滑性能和耐磨性，不仅有效地提高了压缩机的工作效率、节省能耗，而且使其具有更长的使用寿命。由于活塞组件处于高速往复运动状态，并承受着越来越高的冲击性的热负荷和机械负荷，工作状态非常恶劣，致使活塞环产生热膨胀和热应力，在交变的热负荷和交变的机械负荷耦合作用下将导致活塞产生裂纹和活塞环胶结。

因此在设计阶段对活塞进行应力尝温度惩传热分析，以及热负荷和机械负荷的耦合分析，了收稿 日期：2012-10-162013年02期(总第238期)解活塞的热负荷状态和综合应力分布情况，进而对活塞进行改进，降低热负荷，改善热应力分布，提高工作可靠性具有重要意义。

有限元数值分析方法的出现 ，为工程设计领域提供了-个强有力的计算工具 ，它具有试验方法和理论解析方法无可比拟的优势 ，有限元分析方法在压缩机活塞开发设计中的广泛应用，大大地提高了活塞的可靠性，缩短了设计周期。

2 基于有限元理论的热-结构耦合的基本方程2.1 热传导基本理论方程(1)缸内气体与外界的热交换方程Ⅲ 气缸内部各个表面在 d(t)时间内与气体的热交换dQ(t)vt(t)·dt[-l(f)-r(t)] ( )I2-T(t)] [ ( )-T(t)] ( ) (1)式中 (t)--时刻为t时，与工质热交换的气缸镜面面积，m(t)--时刻为t时，与工质热交换的活塞表面积 ，m2(t)--时刻为t时，与工质热交换的气缸盖表面面积，m(f)--气缸镜面平均温度，K(t)--活塞表面平均温度，KI3--气缸盖表面平均温度，K(2)气缸缸体的热交换方程气缸各点的传热过程为非稳态过程，气缸缸体与缸内气体、外界大气和活塞间存在热交换，同时接收活塞环的摩擦热。其热交换方程为f21dQw-J。耵D (， )[ ] 。2 。

( -7 ) d ( )dxwA，D，LOo[ -7椰]dt(2)式中 D - 管道当量直径，mA厂-气体导热系数- - 气缸长度 ，m( )--活塞环与气缸间的摩擦力，No- 气缸空气的传热系数。- - 外界空气温度，K- - 气缸外壁全长，mA --修正系数(3)摩擦热它可以看作稳态热源，导热方程为p 等等 0 c3式中 p--材料密度cD- 材料的比定压热容 为热力学温度A--材料的导热系数- - 时间西--热源密度2.2 热应力的计算 ，由于物体热膨胀只产生线应变，剪切应变为零，这种由于热应变产生的应变可以看作是物体的初应变，计算应力时应包括的初应变项20l 瓣 慰o-D( - o) (4)式中 --材料的热应力矩阵D--材料的弹性矩阵占--材料的应变矩阵s 温度变化引起的温度应变其中 。作为初应变出现在应力应变关系式中，对于三维问题是o ( - )[111000] (5)式中 --材料的热膨胀系数(1/℃)。- - 结构的初始温度场- - 活塞运动时结构的温度场2。3 载荷及边界条件(1)压缩气体侧边界条件活塞、气体、气缸之间采用对流换热边界，气体与阀体、活塞端面和缸体之间的传热系数均用相同的计算方法。根据压缩机理论可知传热系数的经验计算公式为1ol(t)1.142(11.2467V ) (t) ]。 (6)式中 。--活塞平均速度，其为时间的函数，rigsp ( )--气体压力，N/m。

--气体温度，K(2)摩擦热模型活塞-缸套间的摩擦热相当于-个连续放热的平面热源，可以把它看成是瞬时热源产生热量的叠加。在压缩机工作时，与缸套接触产生摩擦的部位主要是活塞环和活塞裙部。作用于活塞表面的摩擦力表达式为丁0A 0o A (7)式中 下 切应力常数比例常数A - 单位周长上凸峰实际接触面积，m。

- - 凸峰单位周长上的径向反力，N则摩擦热为口frFryJA (8)式中 - 活塞的平均速度 ，m/sA。--活塞环组表面积，m3 无油润滑活塞摩擦热-结构耦合的算例分析本文以直线压缩机无油润滑活塞组件为例，计算了其在标定工况下的活塞组件-气缸-大气系统的传热情况及其应力的分布。

2013年02期(总第238期)Se rvice &M mcen姐 --3.1 无油润滑活塞组分析模型简化本文利用 ANSYS软件不仅计算活塞组件的温度场，而且采用热-应力耦合方式进-步分析。整个传热过程可分为：压缩摩擦放热，组件之间的传热 (气缸体、活塞、活塞环)，空气散热 3部分。由于活塞组件与气缸间的边界条件难于确定，故采用了活塞-活塞环-气缸作为-个耦合体，如图建立三维耦合体的模型，更真实的模拟出由热应力引发的变形～热分析所求得的节点温度作为体载荷施加在结构上进行热-结构耦合分析。

基本假设(1)由于活塞组件都具有或近似具有轴对称结构，边界条件也是对称的，因此，温度场的分布也是对称的； (2)系统在运行-段时间后处于热平衡状态，温度场的分布是稳态的； (3)活塞材料性质和介质的性质不随温度变化； (4)气体压力大部分作用在第-道环槽，作用在其它部分环槽的压力作用效果忽略不计。

3.2 几何模型及网格划分本文根据热分析、结构分析和耦合分析的需要 ，建模时必须选择热分析单元和结构分析单元分别进行网格划分，有限元模型网格图如图 1所示。离散后模型的总单元数为5409个，总节点数为 17230个。在主要接触面网格划分较密 ，而非接触面则划分较稀疏，这样既可以满足计算时对边界条件的严格要求，以保证计算精度，又使整个计算模型的节点不会太多，以节势算时间。

3.3 边界条件为了消除活塞的整体缸体位移，根据活塞的实际工作情况，对气缸体上下端面进行全约束 ，对活塞的下端施加全约束。活塞工作时，活塞顶部受到气体压力作用，-般机械载荷施加应选用图 1 活塞组件网格划分2013年O2期(总第238期)活塞工作最危险时 (即压缩机刚要排气时)作为计算工况，作用在活塞顶面的气体压力按平均分布处理♂构分析的边界条件是：作用在活塞顶部的压强为PO.8 MPa，活塞环的预紧力为Ap0.375xp0.3 MPa每次压缩过程中，产生的热量-部分传到活塞上，传人活塞中的热量大部分时通过活塞环、活塞本体、活塞内腔表面内的空气带走，以往对活塞和气缸套的传热研究采用的是单件研究的方法 ，这种方法没有考虑活塞与活塞环之间、活塞环与气缸之间的相互影响，而且模型互相间的边界条件很难确定，因此，单件的研究方法很难保证计算精度，为此，采用活塞组与缸套耦合的方法进行温度称算。在压缩机稳定的工况下，压缩机活塞的温度躇本上是稳定的，因此可以对活塞进行稳态的热分析。热分析的边界条件：假设大气温度为 27cIC，把温度载荷施加在模型上 。

通过式 (7)、式 (8)计算出摩擦热，把它以热源的形式施加活塞环和气缸上。

耦合分析的边界条件：利用顺序耦合方式，先进行热分析所得到的节点温度分布，然后将温度作为体载荷施加在结构上，同时施加其它机械载荷 ，载荷主要有活塞承受的顶、裙连接螺钉的预紧力，工作循环中的最大压缩载荷，以及温度变化产生的热应力。

3.4 材料的特性常数活塞与气缸所用的材料是45号钢，活塞环采用的是无油润滑材料聚四氟乙烯。所以气缸内不需要液体润滑油润滑，具有环保、节油、节能的优点，其材料特性如表 1所示。

表1 活塞组件材料的特性弹性 泊 许用 导热 线膨胀材料 模量 松 应力 系数 系数(GPa) 比 (MPa) (W/mk) (101℃)45号钢 220 0.28 50 70 12聚四氟乙烯 0.7 0.4 12 0.25 l14(20～150℃)4 计算结果4.1 热分析图2是活塞温度场的模拟结果。从活塞的温度场分布来看，活塞温度最高的部位位于活塞环槽处，其温度为 145 oC，活塞温度由顶部向裙部逐渐降低，裙部最低约为 115℃，整个活塞组件