往復(fù)式壓縮機主機自頂向下設(shè)計及其方法研究
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【摘要】:隨著天然氣開采的快速發(fā)展,國內(nèi)對油氣田用的高速大功率往復(fù)式天然氣壓縮機的需求越來越大,而相關(guān)單位在這方面的研究起步較晚,目前所設(shè)計制造的產(chǎn)品與國外相比還存在一定的差距。國產(chǎn)往復(fù)式壓縮機的功率、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)式壓縮機性能的優(yōu)劣對天然氣的產(chǎn)量具有重大影響,因此提升國產(chǎn)往復(fù)式壓縮機的研究設(shè)計水平,增強設(shè)備的質(zhì)量和性能,對國內(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)式天然氣壓縮機的主機為研究對象,對其進行了自頂向下設(shè)計和仿真研究,具體內(nèi)容和研究成果有以下幾個方面。(1)在Creo軟件中主要利用自頂向下的設(shè)計方法對該型往復(fù)式壓縮機進行參數(shù)化設(shè)計,通過概念設(shè)計、骨架模型設(shè)計、組裝設(shè)計等自頂向下設(shè)計流程完成了壓縮機的模型設(shè)計,實現(xiàn)了頂層設(shè)計信息控制底層三維模型,使設(shè)計參數(shù)的變動能夠快速反映到模型上,模型的修改變得方便快捷,提高了壓縮機的設(shè)計效率。(2)利用Mathcad與Creo無縫集成來進行了往復(fù)式壓縮機設(shè)計參數(shù)的計算和傳遞,將初始設(shè)計參數(shù)迅速而準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)化為了模型主要幾何尺寸,并驅(qū)動了模型幾何的更新,快速地得到了當(dāng)前設(shè)計參數(shù)下的模型,這進一步提高了設(shè)計效率(3)在AMESim軟件中建立了往復(fù)式壓縮機的曲軸系、氣缸、氣閥的1D仿真模型,并組合搭建了壓縮機的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,與理論計算進行了對比分析,驗證了其準(zhǔn)確性。(4)在Motion軟件中建立了往復(fù)式壓縮機的多剛體動力學(xué)模型,并基于AMESim1D和Motion 3D聯(lián)合仿真的方法,對往復(fù)式壓縮機曲軸系進行了動力學(xué)仿真分析,得到了活塞的運動規(guī)律以及壓縮機上側(cè)向力、曲柄銷受力、主軸頸受力等主要動態(tài)作用力的變化規(guī)律。(5)對曲軸柔性化的往復(fù)式壓縮機進行了剛?cè)狁詈蟿恿W(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。通過將剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)仿真結(jié)果與剛體動力學(xué)仿真結(jié)果對比分析,發(fā)現(xiàn)曲軸柔性化之后能夠更加真實地反映出曲軸系的動態(tài)特性。對曲軸進行應(yīng)力分析表明了曲軸上的最大應(yīng)力處位于壓縮機第6列對應(yīng)的曲柄銷的右側(cè)過渡圓角處,再通過增大圓角半徑5mm后,最大應(yīng)力降低了17.1%。(6)基于往復(fù)式壓縮機曲軸系的剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)仿真分析,對曲軸的扭振響應(yīng)進行了研究,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,對壓縮機的危害較小。再通過對扭振曲線進行頻域響應(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。又對不同長度的輸入端對曲軸扭振的影響進行分析,發(fā)現(xiàn)輸入端長度為350mm左右時,輸入端的扭振幅值達(dá)到了最小值1.084°。
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【學(xué)位授予單位】:西南石油大學(xué)
【學(xué)位級別】:碩士
【學(xué)位授予年份】:2016
【分類號】: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)式壓縮機概況11-14
- 1.2.1 壓縮機的分類11
- 1.2.2 往復(fù)式壓縮機的基本原理11-12
- 1.2.3 往復(fù)式壓縮機的主要結(jié)構(gòu)12-13
- 1.2.4 往復(fù)式壓縮機的發(fā)展趨勢13-14
- 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀14-19
- 1.3.1 往復(fù)式壓縮機的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀14-15
- 1.3.2 自頂向下設(shè)計的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀15-16
- 1.3.3 系統(tǒng)一維仿真的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀16-17
- 1.3.4 多剛體動力學(xué)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀17-18
- 1.3.5 扭轉(zhuǎn)振動分析的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀18-19
- 1.4 論文的研究內(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)式壓縮機自頂向下設(shè)計21-40
- 2.1 概述21-23
- 2.2 往復(fù)式壓縮機概念設(shè)計23-26
- 2.2.1 結(jié)構(gòu)方案的選擇24-25
- 2.2.2 布局設(shè)計25-26
- 2.3 設(shè)定初步的往復(fù)式壓縮機架構(gòu)26-28
- 2.4 往復(fù)式壓縮機骨架模型設(shè)計28-30
- 2.4.1 標(biāo)準(zhǔn)骨架模型設(shè)計28-29
- 2.4.2 運動骨架模型設(shè)計29-30
- 2.5 管理關(guān)連性30-31
- 2.6 傳遞設(shè)計信息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)式壓縮機組裝設(shè)計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)式壓縮機自頂向下設(shè)計的參數(shù)計算40-48
- 3.1 概述40-42
- 3.2 往復(fù)式壓縮機計算程序設(shè)計42-44
- 3.2.1 往復(fù)式壓縮機計算概述42
- 3.2.2 利用Mathcad建立計算程序42-44
- 3.3 Creo與Mathcad的參數(shù)計算及傳遞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)式壓縮機系統(tǒng)介紹49
- 4.2 往復(fù)式壓縮機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算對比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)式壓縮機多剛體動力學(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 曲軸系運動學(xué)和動力學(xué)分析61-66
- 5.2.1 曲軸系運動學(xué)分析61-62
- 5.2.2 曲軸系動力學(xué)分析62-66
- 5.3 曲軸系實體模型的建立66-67
- 5.4 曲軸系動力學(xué)仿真模型的建立67-71
- 5.4.1 導(dǎo)入曲軸系實體模型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 曲軸系多剛體動力學(xué)仿真分析71-77
- 5.5.1 曲軸系運動學(xué)仿真分析71-73
- 5.5.2 曲軸系動力學(xué)仿真分析73-77
- 5.6 本章小結(jié)77-78
- 第6章 往復(fù)式壓縮機剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)仿真分析78-96
- 6.1 概述78-80
- 6.1.1 多柔體系統(tǒng)動力學(xué)的基本理論78-79
- 6.1.2 Motion柔體動力學(xué)仿真介紹79-80
- 6.2 曲軸系剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)建模80-83
- 6.2.1 曲軸柔性體的建立80-82
- 6.2.2 剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)仿真模型的建立82-83
- 6.3 曲軸系剛?cè)狁詈虾投鄤傮w動力學(xué)仿真結(jié)果對比83-90
- 6.4 曲軸的應(yīng)力分析及結(jié)構(gòu)改進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93-94
- 6.5 本章小結(jié)94-96
- 第7章 往復(fù)式壓縮機曲軸系扭振仿真分析96-111
- 7.1 概述96
- 7.2 扭轉(zhuǎn)振動的基本理論96-99
- 7.3 扭轉(zhuǎn)振動的分析方法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 輸入端長度對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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