一、课题背景与意义

螺杆膨胀机作为能量转换的关键设备，在诸多工业领域广泛应用。转子作为螺杆膨胀机的核心部件，其受力状态直接影响设备的性能、可靠性与使用寿命。在实际运行中，螺杆膨胀机转子常面临非对称载荷作用，如气体力分布不均、机械振动冲击、不同工况下的复杂受力等。非对称载荷会使转子产生不均匀变形，引发振动加剧、疲劳损伤等问题，进而降低设备效率，甚至导致设备故障停机，造成经济损失与安全隐患。

目前，针对螺杆膨胀机转子在非对称载荷下受力分析的研究尚不完善，缺乏系统、精确的分析方法。因此，开展本课题研究，探索有效的受力分析方法，对于深入理解转子在复杂载荷下的力学行为、优化转子设计、提高设备可靠性与运行效率具有重要的理论意义与实际应用价值。

二、国内外研究现状

（一）膨胀机转子动力特性研究

针对TRT转子振动过高及机组运行效率低等问题，有研究采用三维软件UG进行转子几何建模，导入Ansys Workbench建立有限元分析模型，对转子动力特性模态、临界转速和稳态不平衡响应进行计算与分析。在此基础上，分析不同支承刚度和支承位置对转子动力特性的影响规律，并在高速转子试验台上试验。结果表明，计算与试验结果相差3%以内，有限元分析结果能真实反映转子动力特性，支承刚度与支承位置对转子第1、2阶临界转速有明显影响，不平衡响应中1阶最敏感的为二级叶片位置，2阶最敏感的为头部联轴器位置，为同类型转子动力特性计算与分析提供参考。

（二）不同类型转子膨胀机应用与性能分析

1. 三角转子膨胀机：在有机朗肯循环应用背景下，有研究分析三角转子机械作为膨胀机的运行特征，建立含泄漏影响的运行过程热力学模型，计算膨胀机性能。以R245fa为工质，分析单个膨胀周期内进气角度、形状因子、偏心距和轴距系数等型线设计参数对膨胀机性能的影响。结果显示，三角转子膨胀机可实现较大膨胀压比，所讨论因素会影响质量流量、输出功率、膨胀压比和容积效率，适当选择结构参数可优化膨胀机性能。在跨临界CO₂制冷循环中，采用膨胀机替代节流元件对提高循环效率有较大潜力，也有研究对其进行应用分析。

2. 两相流双转子膨胀机：为实现双碳目标，提高制冷循环效率，采用膨胀机代替节流阀是有效方式。针对已有两相流双转子膨胀机样机效率不高的情况，有研究根据膨胀过程能流特性，分析膨胀过程不可逆损失来源与特性，并结合样机试验结果提出改造方案。对于大中型制冷与热泵系统，采用膨胀机代替节流阀回收的膨胀功可逐步走向实用，回收的膨胀功可作为分布式能源系统下的分散能源使用。

（三）转子受力相关研究

1. 高速电机转子：永磁体开裂是外转子永磁同步电机常见故障，有研究考虑永磁体形状、永磁体和磁轭材料配合对电机转子各部分受力的影响，进行力学分析。结果表明，瓦形磁体应力分布优于矩形磁体，磁体和磁轭材料配合为DT4N35EH时，安全余量最高，达到56.41；当材料配合为DT4SmCo28时，永磁体最大应力超过屈服强度22.38，导致永磁体出现裂纹，对电机结构设计和安全可靠运行具有重要参考意义。

2. 螺杆式压缩机转子：为便于工程人员或设计人员进行螺杆式压缩机转子受力计算，满足转子强度校核、轴承选型以及轴承寿命核算要求，有研究提出一种简化计算方法，并通过计算流体动力学方法验证。结果表明，在不同工况下，该简化计算方法对径向力预测偏差在8.0%以内，个别工况最大偏差为11.4%，轴向力预测偏差在5.0%以内，简化模型能满足工程应用要求。

3. 采油单螺杆泵转子：螺杆泵转子在定子型腔内自转同时绕定子中心公转，不同接触位置所受定子橡胶作用力不同，引起运行振动。有研究依据其运动特点，将单个周期运动分为曲线运动区间和直线运动区间，分析受力状态并建立动力学模型。鉴于定子橡胶厚度变化及橡胶自身非线性因素影响，采用有限元方法，运用ABAQUS软件分析转子在定子型腔内不同位置受力状态，得到受力状态随接触位置和橡胶厚度的变化关系。

4. 双螺杆制冷压缩机转子：为提高双螺杆压缩机运行可靠性，有研究对部分负荷工况下转子轴向受力进行试验研究，测量部分负荷下压缩机转子齿槽内气体压力变化趋势以及转子轴向受力变化特性，并根据转子轴向受力组成，分别得到气体轴向力和端面轴向力对转子轴向受力的影响。结果表明，随着负荷降低，转子轴向受力不断减小；在转子受力组成中，端面轴向力约为气体轴向力的1.5倍，因此压缩机设计阶段要充分考虑端面轴向力影响。

三、课题研究内容与方法

（一）研究内容

1. 螺杆膨胀机转子非对称载荷分析：深入研究螺杆膨胀机在实际运行中转子所承受的非对称载荷类型、来源及特点，包括气体力、机械力、热应力等，分析不同工况下各载荷的相互作用与变化规律。

2. 转子受力分析方法研究：探索适用于螺杆膨胀机转子在非对称载荷作用下的受力分析方法，结合有限元分析、理论计算和试验研究等多种手段，建立精确的转子力学模型，考虑材料的非线性、几何非线性以及接触非线性等因素对转子受力的影响。

3. 不同因素对转子受力的影响规律研究：分析转子结构参数（如螺杆型线、螺距、转子直径等）、运行工况（如转速、压力、温度等）以及载荷特性（如载荷大小、方向、作用点等）对转子受力的影响规律，为转子优化设计提供理论依据。

4. 转子受力试验研究：设计并开展转子受力试验，搭建试验平台，模拟实际运行工况下的非对称载荷作用，测量转子在不同工况下的应力、应变等参数，验证受力分析方法的准确性与可靠性，为理论分析提供试验支持。

（二）研究方法

1. 文献研究法：广泛查阅国内外相关文献资料，了解螺杆膨胀机转子受力分析的研究现状与发展趋势，借鉴前人的研究成果与经验，为课题研究提供理论支持。

2. 有限元分析法：运用有限元分析软件（如ANSYS、ABAQUS等）建立螺杆膨胀机转子的三维有限元模型，考虑非对称载荷作用，对转子进行静力学和动力学分析，计算转子的应力、应变、变形等力学参数，分析转子的力学性能。

3. 理论计算法：基于材料力学、弹性力学等理论，建立转子受力分析的理论模型，推导转子在非对称载荷作用下的应力、应变计算公式，通过理论计算分析转子的受力状态，与有限元分析结果相互验证。

4. 试验研究法：设计并制造螺杆膨胀机转子试验样机，搭建试验平台，采用应变片、位移传感器等测量设备，对转子在不同工况下的应力、应变、位移等参数进行实时测量，获取试验数据，分析转子的实际受力情况，验证理论分析和有限元分析的正确性。

四、课题研究计划与预期成果

（一）研究计划

1. 第1—2个月：完成文献调研，收集国内外相关研究成果与资料，确定课题研究方案与技术路线，撰写开题报告。

2. 第3—4个月：开展螺杆膨胀机转子非对称载荷分析，建立转子力学模型，确定受力分析方法与计算流程。

3. 第5—6个月：运用有限元分析软件对转子进行建模与分析，研究不同因素对转子受力的影响规律，进行理论计算与有限元分析结果的对比验证。

4. 第7—8个月：设计并搭建转子受力试验平台，制造试验样机，制定试验方案与测试方法。

5. 第9—10个月：开展转子受力试验，采集试验数据，分析试验结果，验证受力分析方法的准确性与可靠性。

6. 第11个月：总结课题研究成果，撰写论文，进行课题结题验收。

（二）预期成果

1. 形成一套完整的螺杆膨胀机转子在非对称载荷作用下的受力分析方法：该方法能够准确计算转子在不同工况下的应力、应变、变形等力学参数，为转子设计、优化和性能评估提供理论依据。

2. 揭示不同因素对螺杆膨胀机转子受力的影响规律：通过理论分析、有限元分析和试验研究，明确转子结构参数、运行工况和载荷特性等因素对转子受力的影响程度和变化规律，为转子的优化设计提供指导。

3. 完成毕业论文撰写：撰写一篇高质量的毕业论文，系统总结课题研究内容、方法、成果和创新点，为毕业答辩提供充分依据。

五、课题研究的创新点与难点

（一）创新点

1. 综合考虑多种非线性因素：在转子受力分析中，综合考虑材料的非线性、几何非线性以及接触非线性等因素，建立更精确的转子力学模型，提高受力分析的准确性。

2. 多方法融合的受力分析体系：将有限元分析、理论计算和试验研究等多种方法有机结合，形成一套完整的螺杆膨胀机转子受力分析体系，相互验证、相互补充，确保研究结果的可靠性。

3. 深入揭示影响因素的作用机制：通过系统研究不同因素对转子受力的影响规律，深入揭示各因素之间的相互作用机制，为转子的优化设计提供更具针对性的理论指导。

（二）难点

1. 非对称载荷的准确模拟：螺杆膨胀机转子所承受的非对称载荷复杂多样，准确模拟这些载荷的分布、大小和变化规律是受力分析的关键难点之一，需要深入研究实际工况下的载荷特性，建立合理的载荷模型。

2. 多因素耦合作用的分析：转子受力受到多种因素的耦合影响，如何准确分析各因素之间的相互作用关系，建立综合考虑多因素耦合作用的受力分析模型，是课题研究面临的又一难题。

3. 试验验证的准确性：转子受力试验的准确性直接影响研究成果的可靠性，试验过程中需要精确控制试验工况，准确测量转子的应力、应变等参数，同时要排除各种干扰因素的影响，确保试验数据的真实性和准确性。

六、结论

本课题针对螺杆膨胀机转子在非对称载荷作用下的受力分析问题展开研究，具有重要的理论意义和实际应用价值。通过综合运用文献研究、有限元分析、理论计算和试验研究等多种方法，建立一套完整的转子受力分析体系，揭示不同因素对转子受力的影响规律，为螺杆膨胀机转子的优化设计、性能评估和可靠运行提供理论支持和技术保障。在课题研究过程中，虽然面临一些难点问题，但通过深入研究、合理分析和有效解决，有望取得具有创新性的研究成果。