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摘要：为了研究往复压缩机连杆出现裂纹故障对其的影响，本文运用有限元仿真的方法，对含不同位置裂纹的连杆进行模态分析。仿真结果表明，当裂纹深度5mm时，裂纹对连杆的模态频率、横向位移影响很小，对米塞斯应力影响较大。
Abstract： In order to study the influence of reciprocating compressor connecting rod crack fault on it， this paper uses the finite element simulation method to carry out modal analysis of connecting rod with different cracks. The simulation results show that when the crack depth is 5mm， the crack has little influence on the modal frequency and lateral displacement of the connecting rod， but has great influence on the VonMises stress.
關键词：裂纹;往复压缩机;连杆;模态分析
Key words： crack;reciprocating compressor;connecting rod;modal analysis
中图分类号：TB652 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）18-0139-02
0 引言
往复压缩机在石油化工等领域应用非常广泛，其运动零部件曲轴、连杆等在工作循环中收到往复的交变力作用，长时间工作极易出现裂纹和磨损间隙过大而发生碰撞剧烈等故障。王炯[1]利用ABAQUS软件模拟了胀断加工过程裂纹的位置及扩展。蔡强等用ANSYS软件和临界面法等多种方法预测裂纹可能出现的位置[2]。杨青天[3]主要用有限元分析研究裂纹槽深度与裂解力的关系。刘亚峰等同样利用有限元力学分析方法计算了发动机连杆在各种工况下可能测点的应力最大值[4]。微小裂纹在旋转的连杆上是不容易发现的，本文用有限元分析法分析裂纹分别位于连杆上、下端时的变化。
1 连杆裂纹的位置及有限元仿真分析
连杆的大小头瓦中心孔轴线距离是600mm，两个裂纹深度5mm，宽度8mm，第一种情况裂纹位于连杆上端面，第二种情况裂纹位于连杆的下端面，裂纹槽中心线距离连杆大头端200mm，距离连杆小头端中心400mm。分析时采用SIMDESIGNER软件，该软件集成了CATIA软件和ADAMS软件，可以直接CATIA软件平台下建模，ADAMS软件里的动力学仿真工具直接可以调用，真正做到无缝连接。并且在动力学仿真计算时可以调用NASTRAN求解器和MARC求解器，进行非线性求解计算。本文利用catia软件建模后，对滑块（活塞）施加气体力，对每一个连接（joint）进行设置，对曲柄（曲轴）进行驱动。其中，曲柄一端与电机连接，与大地设置为旋转副，曲柄另一端与连杆连接，也设置为旋转副;连杆另一端与十字头销连接，设置为旋转副;十字头与活塞杆设计为一体化零件，十字头与滑轨设置为移动副，在这里忽略摩擦力和间隙碰撞对往复压缩机运动的影响。在导入到设计分析模块前设置好连杆的材料，在定义时连杆两端的两个连接（Joints）作为Loads，然后导入到分析模块进行分析。图1是裂纹在连杆上端面时的变形网格，相对于连杆长度裂纹的宽度较小，图上裂纹不容易看到。
2 裂纹位置对连杆模态频率的影响
第一种情况是裂纹在上端面，分析的模态频率分别是：第一阶模态频率233.23Hz，第二阶模态频率410.497Hz，第三阶模态频率640.383Hz，第四阶模态频率1094.44Hz。第二种情况是裂纹在下端面，分析的模态频率分别是：第一阶模态频率233.054Hz，第二阶模态频率410.979Hz，第三阶模态频率640.363Hz，第四阶模态频率1097.98Hz。可以看出裂纹位置对连杆的前四阶模态频率影响很小。
3 裂纹位置对连杆横向变形的影响
图2是第一种情况下前四阶频率对应的变形。图3是第二种情况下前四阶频率对应的变形。分别对比图2和图3，从颜色分布很难区分，从数值分析结果可以得知两种情况下各阶频率对应的最大变形基本相同（精确到0.01mm），最小变形略有不同。
4 裂纹位置对连杆米塞斯应力的影响
图4是第一种情况下前四阶频率对应的应力云图。图5是第二种情况下前四阶频率对应的应力云图。233.23Hz对应的米塞斯应力最大值为8.14×1010N/m2，233.054Hz对应的米塞斯应力最大值为9.11×1010N/m2，其他模态频率对应的米塞斯应力数值上相差均很大。
5 结论
本文对含有不同位置的裂纹进行了有限元仿真分析，该方法是研究含裂纹构件目前应用最多的方法，从仿真结果可以看出，比较小的裂纹对连杆的模态频率和横向变形影响较小，对米塞斯应力影响较大。
参考文献：
[1]王炯.利用淬火裂纹源胀断加工调质锻钢连杆的数值模拟[D].吉林大学，2018.
[2]蔡强，张翼，李闯.柴油机连杆衬套微动疲劳裂纹萌生位置预测方法[J].润滑与密封，2017，42（04）：106-110.
[3]杨青天.电火花线切割连杆裂纹扩展的多尺度仿真研究[D].广东工业大学，2016.
[4]刘亚峰，汪宏伟，黄映云.连杆早期裂纹在线监测测点优选[J].内燃机与配件，2014（04）：28-31.
[5]徐进，朱旻昊，江晓禹，等.柴油机连杆齿形配合面裂纹成因研究[J].机械工程材料，2003，27（4）：51-54.
[6]余孝根.浅论柴油机曲轴工艺应力与热处理工艺改进[J].四机科技，1997（001）：18-23.
[7]吴联军，邵永涛.花键轴焊修工艺的研制[J].机车车辆通讯，2002（1）：32-34.
[8]曲佳东.240/275系列柴油机连杆改进分析[J].内燃机车，2011（7）：24-26，30.
[9]熊锋，曾建勇.关于东风4型机车柴油机G型连杆损伤原因分析[J].内燃机车，2000（10）：16-17.
[10]叶岚.240/275系列柴油机用G型连杆的检修须知[J].内燃机车，1992（4）：35-38.
Abstract： In order to study the influence of reciprocating compressor connecting rod crack fault on it， this paper uses the finite element simulation method to carry out modal analysis of connecting rod with different cracks. The simulation results show that when the crack depth is 5mm， the crack has little influence on the modal frequency and lateral displacement of the connecting rod， but has great influence on the VonMises stress.
關键词：裂纹;往复压缩机;连杆;模态分析
Key words： crack;reciprocating compressor;connecting rod;modal analysis
中图分类号：TB652 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）18-0139-02
0 引言
往复压缩机在石油化工等领域应用非常广泛，其运动零部件曲轴、连杆等在工作循环中收到往复的交变力作用，长时间工作极易出现裂纹和磨损间隙过大而发生碰撞剧烈等故障。王炯[1]利用ABAQUS软件模拟了胀断加工过程裂纹的位置及扩展。蔡强等用ANSYS软件和临界面法等多种方法预测裂纹可能出现的位置[2]。杨青天[3]主要用有限元分析研究裂纹槽深度与裂解力的关系。刘亚峰等同样利用有限元力学分析方法计算了发动机连杆在各种工况下可能测点的应力最大值[4]。微小裂纹在旋转的连杆上是不容易发现的，本文用有限元分析法分析裂纹分别位于连杆上、下端时的变化。
1 连杆裂纹的位置及有限元仿真分析
连杆的大小头瓦中心孔轴线距离是600mm，两个裂纹深度5mm，宽度8mm，第一种情况裂纹位于连杆上端面，第二种情况裂纹位于连杆的下端面，裂纹槽中心线距离连杆大头端200mm，距离连杆小头端中心400mm。分析时采用SIMDESIGNER软件，该软件集成了CATIA软件和ADAMS软件，可以直接CATIA软件平台下建模，ADAMS软件里的动力学仿真工具直接可以调用，真正做到无缝连接。并且在动力学仿真计算时可以调用NASTRAN求解器和MARC求解器，进行非线性求解计算。本文利用catia软件建模后，对滑块（活塞）施加气体力，对每一个连接（joint）进行设置，对曲柄（曲轴）进行驱动。其中，曲柄一端与电机连接，与大地设置为旋转副，曲柄另一端与连杆连接，也设置为旋转副;连杆另一端与十字头销连接，设置为旋转副;十字头与活塞杆设计为一体化零件，十字头与滑轨设置为移动副，在这里忽略摩擦力和间隙碰撞对往复压缩机运动的影响。在导入到设计分析模块前设置好连杆的材料，在定义时连杆两端的两个连接（Joints）作为Loads，然后导入到分析模块进行分析。图1是裂纹在连杆上端面时的变形网格，相对于连杆长度裂纹的宽度较小，图上裂纹不容易看到。
2 裂纹位置对连杆模态频率的影响
第一种情况是裂纹在上端面，分析的模态频率分别是：第一阶模态频率233.23Hz，第二阶模态频率410.497Hz，第三阶模态频率640.383Hz，第四阶模态频率1094.44Hz。第二种情况是裂纹在下端面，分析的模态频率分别是：第一阶模态频率233.054Hz，第二阶模态频率410.979Hz，第三阶模态频率640.363Hz，第四阶模态频率1097.98Hz。可以看出裂纹位置对连杆的前四阶模态频率影响很小。
3 裂纹位置对连杆横向变形的影响
图2是第一种情况下前四阶频率对应的变形。图3是第二种情况下前四阶频率对应的变形。分别对比图2和图3，从颜色分布很难区分，从数值分析结果可以得知两种情况下各阶频率对应的最大变形基本相同（精确到0.01mm），最小变形略有不同。
4 裂纹位置对连杆米塞斯应力的影响
图4是第一种情况下前四阶频率对应的应力云图。图5是第二种情况下前四阶频率对应的应力云图。233.23Hz对应的米塞斯应力最大值为8.14×1010N/m2，233.054Hz对应的米塞斯应力最大值为9.11×1010N/m2，其他模态频率对应的米塞斯应力数值上相差均很大。
5 结论
本文对含有不同位置的裂纹进行了有限元仿真分析，该方法是研究含裂纹构件目前应用最多的方法，从仿真结果可以看出，比较小的裂纹对连杆的模态频率和横向变形影响较小，对米塞斯应力影响较大。
参考文献：
[1]王炯.利用淬火裂纹源胀断加工调质锻钢连杆的数值模拟[D].吉林大学，2018.
[2]蔡强，张翼，李闯.柴油机连杆衬套微动疲劳裂纹萌生位置预测方法[J].润滑与密封，2017，42（04）：106-110.
[3]杨青天.电火花线切割连杆裂纹扩展的多尺度仿真研究[D].广东工业大学，2016.
[4]刘亚峰，汪宏伟，黄映云.连杆早期裂纹在线监测测点优选[J].内燃机与配件，2014（04）：28-31.
[5]徐进，朱旻昊，江晓禹，等.柴油机连杆齿形配合面裂纹成因研究[J].机械工程材料，2003，27（4）：51-54.
[6]余孝根.浅论柴油机曲轴工艺应力与热处理工艺改进[J].四机科技，1997（001）：18-23.
[7]吴联军，邵永涛.花键轴焊修工艺的研制[J].机车车辆通讯，2002（1）：32-34.
[8]曲佳东.240/275系列柴油机连杆改进分析[J].内燃机车，2011（7）：24-26，30.
[9]熊锋，曾建勇.关于东风4型机车柴油机G型连杆损伤原因分析[J].内燃机车，2000（10）：16-17.
[10]叶岚.240/275系列柴油机用G型连杆的检修须知[J].内燃机车，1992（4）：35-38.