一种压缩机-离合器三轴承系统和应用及转子动力学分析方法与流程

本发明属于超静定转子-轴承系统，尤其涉及一种压缩机-离合器三轴承系统和应用及转子动力学分析方法。

背景技术：

1、工业拖动领域最常配置的原动机是各类型直/交流电动机、汽轮机、膨胀机等，随着工艺系统的复杂化以及工业对于能量回收、节能降耗等碳指标限制，汽-电双驱以及电机-膨胀机双驱轴系系统应运而生。根据双驱轴系系统配置不同，通常可分为轴系不带离合器系统及轴系配置离合器系统两大类，轴系配置离合器系统由电机、增速箱、压缩机-离合器三轴承系统、增速箱、膨胀机组成。机组运行过程中可通过电机直接驱动增速箱带动压缩机-离合器三轴承系统运行，也可在膨胀机具备输出动力的条件下将离合器部分投入使用，即由电机、膨胀机双系统驱动两侧增速箱，带动压缩机-离合器三轴承系统工作运行，达到节能的目的。在不同的驱动模式下压缩机-离合器三轴承系统均要投入运行以满足现场流程工艺要求，是该机组轴系系统中最为重要且关键的部分。通常在双驱的压缩机机组系统中大多采用柔性联轴器串联各机组，但是柔性联轴器串联各机组会造成压缩机自身临界转速难以避开运行转速以及机组连接端缺少径向约束导致运行的机械稳定性差。

2、近些年的一些项目中开始采用了四轴承支撑系统以此来解决含离合器的双驱机组横向临界转速避开率小的问题，公开号为cn109869411a的中国发明申请公开了一种椭圆轴承与四油叶轴承同轴四支撑的高速转子系统，包括高速转子整体，所述高速转子整体由输入组件转子整体和输出组件转子整体连接组成，所述高速转子系统还包括两个椭圆轴承和两个四油叶轴承，所述输入组件转子整体由两个椭圆轴承支撑，输出组件转子整体由两个四油叶轴承支撑；该系统的支撑轴承设置太多，系统更复杂，机组采购及维修成本更高。

3、针对其他领域用的三支撑超静定转子-轴承系统的轴承支反力计算，目前在工程上通常采用双轴承简化计算法计算，即只考虑关键设备本体的双支撑进行计算，存在较大的计算误差。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术中的缺点，本发明的目的在于提供一种压缩机-离合器三轴承系统和应用及转子动力学分析方法，通过在离合器的动力输出轴上引入第三支撑轴承，能够提升机组的横向临界转速以解决压缩机组转子横向临界转速避开率不足的技术问题；通过在压缩机-离合器三轴承系统中设置三个支撑轴承，能够提升机组运行的振动性能，相比于现有技术，系统更加简单，维修成本更低。

2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

3、一种压缩机-离合器三轴承系统，该系统包括压缩机1，压缩机1的动力输入轴通过刚性联轴器2与离合器3的动力输出轴连接；所述压缩机1两端的动力输入轴上设置有第一支撑轴承4和第二支撑轴承5，离合器3的动力输出轴上设置有第三支撑轴承6。

4、所述第一支撑轴承4和第二支撑轴承5均为双可倾瓦轴承或椭圆瓦轴承，第一支撑轴承4和第二支撑轴承5的直径均为110-315mm；第三支撑轴承6为可倾瓦轴承或多油楔轴承，第三支撑轴承6的直径为90-250mm；第一支撑轴承4、第二支撑轴承5以及第三支撑轴承6的轴承宽径比均为0.5、0.63或0.8。

5、所述压缩机1的叶片为9-26级，轴承跨距为2800-7500mm，轴颈直径为110-315mm，转子轮毂段直径为400-1000mm；压缩机1靠近第一支撑轴承4一侧的轴头联接方式为直轴双键式或者法兰盘式联接；刚性联轴器2双侧的轴头联接方式均为法兰盘式联接。

6、一种如上述的压缩机-离合器三轴承系统在一种带有离合器的三支撑超静定转子-轴承系统上的应用，所述压缩机-离合器三轴承系统两端的动力输入轴分别通过增速箱与电机和膨胀机的动力输出轴连接。

7、所述电机的动力输出轴通过增速箱与压缩机1的动力输入轴连接，膨胀机的动力输出轴通过增速箱与离合器3的动力输入轴连接。

8、一种如上述的压缩机-离合器三轴承系统的转子动力学分析方法，包括如下步骤：

9、步骤1：对三维建模后的压缩机-离合器三轴承系统进行分段离散化处理，得到压缩机-离合器三轴承系统的轴段信息；所述轴段信息包括轴段长度、轴段刚度外径、轴段刚度内径、轴段质量外径、轴段质量内径、轴段内附加件质量、轴段内附加件极转动惯量、轴段内附加件直径转动惯量；

10、步骤2：将步骤1得到的压缩机-离合器三轴承系统的轴段信息输入madyn2000软件中，采用timoshenko梁力学模型进行转子系统建模，分别得到压缩机1、刚性联轴器2、离合器3的力学模型图；

11、步骤3：采用节点刚性耦合方式，在madyn2000软件中将压缩机1、刚性联轴器2、离合器3的安装连接口串联，形成转子系统力学模型图；

12、步骤4：根据预设的轴承力学模型参数，将预设的轴承力学模型参数输入madyn2000软件中分别得到三个支撑轴承的力学模型图；将三个支撑轴承的力学模型图分别导入转子系统力学模型图中支撑轴承的1/2轴承宽度部位，形成三支撑转子-轴承系统力学模型图；

13、步骤5：将第三支撑轴承6的变形协调条件导入步骤4形成的三支撑转子-轴承系统力学模型图中，分别得到三个支撑轴承部位的支反力，使得该三轴承超静定系统变为有特定解的静定系统；

14、步骤6：将步骤5得到的三个支撑轴承部位的支反力分别导入步骤4得到的对应的三个支撑轴承的力学模型图中，根据调整轴承宽径比或改变轴承规格，得到三个支撑轴承的轴承比压和轴颈线速度；

15、步骤7：根据步骤6中的轴承比压和轴颈线速度的限定范围，基于等间距插值法，分别导入三个支撑轴承的等间距转速插值，得到三个支撑轴承在不同转速下的刚度及阻尼值；

16、步骤8：将步骤7得到的三个支撑轴承在不同转速下的刚度及阻尼值导入三支撑转子-轴承系统力学模型图中，得到三支撑转子-轴承系统的动力学参数，所述动力学参数包括无阻尼临界转速、特征值、阻尼不平衡响应。

17、所述步骤1的压缩机-离合器三轴承系统中刚性联轴器2的长直轴段部位至少分为3段。

18、所述步骤4中轴承力学模型参数包括：轴承类型、轴承瓦块数量、轴承直径、轴承宽度、轴承安装间隙、轴瓦曲率间隙，轴承预负荷，润滑油牌号及轴承油温，通过输入的润滑油牌号和轴承油温获得润滑油粘度。

19、所述步骤5中变形协调条件为第三支撑轴承6的标高，即标高≤+0.3mm。

20、所述步骤6中轴承比压范围限制在5-25bar，同时轴颈线速度≤100m/s；所述步骤7中三个支撑轴承的转速均不低于机组额定转速的180％，等间距插值个数至少为9个工作转速点。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果：

22、1.降本节能效益：本发明通过在压缩机-离合器三轴承系统两端分别设置电机和膨胀机，机组运行过程中可通过电机直接驱动增速箱带动压缩机-离合器三轴承系统运行，也可在膨胀机具备输出动力的条件下将离合器部分投入使用，还可以通过电机和膨胀机双系统驱动两侧增速箱，本发明设计的压缩机-离合器三轴承系统能够同时适应于单驱动和双驱动模式，在双驱模式下实现了现场能量回收，达到降本节能的目的。

23、2.机械稳定性提升：本发明通过采用刚性联轴器，与双驱的压缩机机组系统中大多采用柔性联轴器串联各机组相比，增加了转子系统的振动约束点，提升了转子运行的稳定性。

24、3.形成设计方法：本发明的转子动力学分析方法通过步骤1至步骤4，能够完成压缩机-离合器三轴承系统的转子、轴承力学模型图建立，为压缩机-离合器三轴承系统动力学计算做好转子数据准备；通过步骤5给定的变形协调条件，可以获得3支撑点部位的实际支反力，进而求解获得3支撑点部位的轴承刚度、阻尼参数，为压缩机-离合器三轴承系统动力学计算做好轴承数据准备；通过步骤6限制轴承的比压及线速范围，可以初步得到满足工程使用的轴承结构方案；通过步骤7至步骤8，能够完成压缩机-离合器三轴承系统的转子动力学计算，获得相关动力学指标，设计人员可以根据所计算的结果进行压缩机-离合器三轴承系统的设计方案评判。