往復(fù)式壓縮機(jī)的可靠性分析與數(shù)字化研究方法.pdf

1、大型機(jī)械產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門，它們的可靠性、經(jīng)濟(jì)性和安全性是一個(gè)國家機(jī)械工業(yè)發(fā)展?fàn)顩r和水平的標(biāo)志。目前，國內(nèi)安全生產(chǎn)的形勢依然嚴(yán)峻。由于大型設(shè)備發(fā)生故障，而導(dǎo)致重大經(jīng)濟(jì)損失，甚至造成人身傷亡的嚴(yán)重事故，不勝枚舉。同時(shí)，制造業(yè)市場的競爭愈演愈烈，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、生產(chǎn)及投入市場的周期是相關(guān)企業(yè)生存和發(fā)展的關(guān)鍵。如何迅速、快捷地設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)、可靠的機(jī)械類產(chǎn)品，始終是工程科技人員全力研究的重點(diǎn)內(nèi)容。
　　 往復(fù)式壓縮機(jī)具有壓

2、力范圍廣、熱效率高、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，是化工合成和石油開采等領(lǐng)域必不可少的關(guān)鍵設(shè)備。由于其結(jié)構(gòu)龐大、設(shè)計(jì)周期長、制造費(fèi)用高昂等原因，導(dǎo)致目前產(chǎn)品在可靠性、經(jīng)濟(jì)性和靈活性等方面存在的問題日益突出。而且，此類機(jī)械產(chǎn)品大都是小批量，甚至單件生產(chǎn)，難以完成大樣本的試驗(yàn)研究；同時(shí)，用戶的需求多變，需要能夠快速地響應(yīng)市場。因此，對此類機(jī)械產(chǎn)品開展可靠性分析、敏捷化設(shè)計(jì)和虛擬可靠性試驗(yàn)研究的工作具有現(xiàn)實(shí)意義。
　　 本文以大型往復(fù)式壓縮機(jī)產(chǎn)品為

3、研究對象，將可靠性理論與計(jì)算機(jī)技術(shù)相融合，提出了機(jī)械數(shù)字化研究的理念，分別從分析、設(shè)計(jì)和仿真三個(gè)方面展開研究；同時(shí)，在分析研究的基礎(chǔ)上，對壓縮機(jī)的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，通過理論計(jì)算和ANSYS仿真分析兩種手段，驗(yàn)證了改進(jìn)后結(jié)構(gòu)的合理性和有效性。論文具體的研究工作如下：
　　 (1）開發(fā)了往復(fù)式壓縮機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算的程序平臺。該平臺基于VC++編程語言，結(jié)合Matlab軟件，將原本復(fù)雜繁瑣的熱力學(xué)與動力學(xué)計(jì)算變得簡單、易行，并且能夠迅速、

4、準(zhǔn)確地獲得各項(xiàng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和各種載荷曲線，為關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度校核和設(shè)計(jì)系統(tǒng)、仿真系統(tǒng)的建立提供基礎(chǔ)。
　　 (2)開發(fā)了關(guān)鍵件可靠性靈敏度分析的程序平臺。以經(jīng)典的強(qiáng)度校核理論為基礎(chǔ)，考慮到各種設(shè)計(jì)參數(shù)（尺寸公差、材料屬性和加工工藝等）的隨機(jī)性，建立關(guān)鍵零部件可靠性靈敏度分析的數(shù)學(xué)模型；以VC++6.0為開發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)分析過程的可視化和程序化。該平臺能夠以概率的形式定量給出壓縮機(jī)關(guān)鍵件的可靠性評價(jià)指標(biāo)，給出各種設(shè)計(jì)參數(shù)對可靠度的影響程

5、度，為合理地選擇和控制設(shè)計(jì)參數(shù)提供指導(dǎo)。
　　 (3)開發(fā)了往復(fù)式壓縮機(jī)的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于Pro/E軟件和Pro/TOOLKIT二次開發(fā)工具包，全面接收設(shè)計(jì)計(jì)算平臺和可靠性分析平臺中確定的設(shè)計(jì)參數(shù)，快速構(gòu)造和修改零件、產(chǎn)品模型，快速生成符合要求的零件和產(chǎn)品工程圖。因此，能夠極大地提高設(shè)計(jì)效率，避免人為設(shè)計(jì)過程中信息的遺漏。同時(shí)，本文將Pro/E中的LAYOUT（布局）功能與其二次開發(fā)技術(shù)相結(jié)合，成功解決了裝配體模型的參

6、數(shù)化設(shè)計(jì)問題，從真正意義上實(shí)現(xiàn)了機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的智能化和敏捷化。
　　 (4)開發(fā)了往復(fù)式壓縮機(jī)的虛擬可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)。利用設(shè)計(jì)好的三維零件和產(chǎn)品模型，基于VC++編程技術(shù)，采用ANSYS/LS-DYNA軟件結(jié)合APDL二次開發(fā)語言，搭建虛擬試驗(yàn)的系統(tǒng)平臺?？紤]到制造、裝配的誤差和材料屬性的隨機(jī)性對機(jī)械系統(tǒng)壽命可靠性的影響，對壓縮機(jī)的傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行動態(tài)的虛擬仿真，獲得關(guān)鍵零部件的虛擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)；分析數(shù)據(jù)的分布類型，計(jì)算關(guān)鍵件的可靠度，從

7、而考核整個(gè)傳動系統(tǒng)的可靠性。此外，為解決多因素耦合作用結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析問題，對壓縮機(jī)的活塞桿進(jìn)行虛擬試驗(yàn)研究；基于響應(yīng)面方法分析虛擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立極限狀態(tài)方程，計(jì)算活塞桿的疲勞強(qiáng)度可靠度及各影響因素的靈敏度，為現(xiàn)實(shí)中的設(shè)計(jì)工作提供指導(dǎo)。
　　 (5)對往復(fù)式壓縮機(jī)活塞桿的螺紋連接結(jié)構(gòu)提出了改進(jìn)措施?；谏鲜龇治鲅芯康慕Y(jié)果，針對目前活塞桿疲勞斷裂事故頻發(fā)的事實(shí)，在螺紋連接理論分析的基礎(chǔ)上，提出一種結(jié)構(gòu)改進(jìn)的方案。并且，經(jīng)過理論計(jì)算和