郭 峰，蘇中帥，李秀剛，陳 曦，薄 磊

（沈陽鼓風機集團有限公司，遼寧 沈陽 110869）

離心壓縮機轉子葉輪裝配應力分析及拆卸方案研究

郭 峰，蘇中帥，李秀剛，陳 曦，薄 磊

（沈陽鼓風機集團有限公司，遼寧 沈陽 110869）

離心壓縮機轉子葉輪與主軸之間大部分采用過盈配合形式，裝配過程一般采用溫差法實現(xiàn)，即加熱葉輪使內(nèi)孔膨脹量大于過盈量。離心壓縮機轉子在檢修過程中如需要更換葉輪或轉子葉輪間部件，首先經(jīng)過應力分析得出葉輪受力情況，然后對轉子部分葉輪及其他套類零件進行拆卸。采用對葉輪部分區(qū)域集中加熱的方式使輪與軸之間在短時間內(nèi)形成溫差到達拆卸的目的。

離心壓縮機轉子；葉輪裝配；應力分析；拆卸

0 引言

離心壓縮機的轉子是整套機組的核心部件，轉子質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到一套產(chǎn)品是否可以正常的工作。壓縮機轉子的裝配過程及檢修過程中的轉子解體都需要采用溫差法來實現(xiàn)過盈配合的裝拆。本文借助有限元分析軟件，通過對葉輪裝配后的應力分布情況制定檢修過程中的解體拆卸方案。通過局部重點加熱快速產(chǎn)生溫差實現(xiàn)拆卸的新工藝方法，大大的降低了轉子解體過程中部件報廢的幾率。

1 滿足過盈值條件下葉輪在裝配過程中溫度、應力的計算

離心壓縮機轉子中葉輪與主軸在裝配時，要加熱葉輪使之溫度升高，在加熱的過程中整個葉輪會發(fā)生膨脹，而葉輪內(nèi)孔的徑向膨脹達到一定溫度時，內(nèi)孔的膨脹量等于過盈量，在這種加熱狀態(tài)下軸、孔之間的過盈值為零。繼續(xù)提高葉輪的加熱溫度，使兩者之間的間隙可以滿足裝配需求，葉輪就可裝配到軸上。溫度下降后，葉輪與軸產(chǎn)生過盈配合，裝配完成。

在上述的過程中葉輪實際所需的加熱溫度，需要考慮到葉輪與軸配合的過盈值和葉輪加熱后向軸上套裝時的裝配要求，同時裝配過程中的熱量損失也需要一并考慮進行計算。過盈量與溫度的關系由下式確定：

△=αD（T-T0）

其中：△—直徑過盈量；α—材料的熱膨脹系數(shù)；D—葉輪孔尺寸；T—加熱溫度；T0—環(huán)境溫度。

假設初始設計的過盈量為△0，理論需加熱的溫度為：

T=△0/αD+T0

使用ANSYS有限元分析程序計算時，取葉輪的零應力參考溫度為T，節(jié)點溫度（終了溫度）為T0（取室溫為20℃），軸的溫度同樣設為T0，這樣可模擬葉輪由T降到T0就是裝配后葉輪的整個工作狀態(tài)。通過這個溫降的過程，我們可以得出在各個溫度下的應力軸與葉輪的應力分布情況。

1.1載荷工況和邊界條件

ANSYS的前處理的材料特性為：線膨脹系數(shù)α為12.5×10-6/℃；泊松比為0.3；彈性模量E為2.1×1011Pa。邊界條件：在軸孔的外邊界施加周向和軸向約束。

1.2 裝配過程分析

1.3 葉輪—軸過盈裝配的應力分布有限元分析

圖1 葉輪的徑向變形分布云圖（300℃）Fig.1 Contours of impeller radial deformation(300℃)

過盈連接是孔軸配合尺寸發(fā)生干涉的情況下實現(xiàn)的。為了實現(xiàn)孔軸零件兩個實體在相互作用條件下的有限元分析，在對孔軸兩個零件實體分別進行單元劃分的基礎上，在孔軸配合表面設置接觸單元，傳遞兩個表面的壓力。在幾何建模時，主要改變軸的尺寸來改變過盈值。

接觸單元是覆蓋在分析模型接觸面之上的一層單元，對于葉輪和軸的過盈接觸，我們可以使用面—面的接觸單元來模擬模型的柔體—柔體的面面接觸。葉輪內(nèi)孔的接觸表面被當作“目標”面，用Targe170來模擬3-D的“目標”面；軸的接觸表面被當作 “接觸”面，用Con ta174來模擬。圖2為軸與葉輪的接觸區(qū)域，采用ANSYS Workbench進行計算，為保證計算的精確度，在接觸區(qū)域附近，采用Solid186六面體網(wǎng)格，結構離散化后，全部的模型擁有109070個單元和252604個節(jié)點，如圖2所示。

2 裝配過程加熱-冷卻溫度以及應力研究

當葉輪溫度加熱到300℃時，開始與軸裝配，開始冷卻，葉輪與軸孔裝配在一起，設定空氣傳熱系數(shù)為5.3W/m2℃，分析計算在1000s和5000s時溫度的分布云圖，如圖4所示。圖5為在1000s和5000s時的應力分布云圖，從圖中可以看出，隨著溫度的降低，葉輪內(nèi)孔逐步收縮，應力逐漸變大，由于有溫度應力的存在，其應力值要略大于在常溫狀態(tài)時的應力值。當溫度為常溫時，其裝配應力為467MPa。

通過上面的介紹，我們了解轉子在裝配葉輪的過程中的溫度、應力分析情況。通過計算的結果，我們在轉子拆卸的過程中就可以針對應力集中的區(qū)域進行特殊快速加熱，同樣使用溫差法達到拆卸的目的。

圖2 軸與葉輪接觸區(qū)域及有限元模型圖Fig.2 The contact area between the impeller and the shaft as well as the finite element model

圖3 常溫下接觸應力分布云圖Fig.3 Contact stress contours at room temperature

圖4 1000s～5000s時溫度分布云圖Fig.4 Temperature distribution during 1000s～5000s

圖5 1000s～5000s時應力分布云圖Fig.5 Stress distribution during 1000s～5000s

3 葉輪拆卸過程中加熱方式的研究

轉子葉輪的拆卸需要使用氧氣、乙炔設備，通過快速加熱葉輪使之與軸產(chǎn)生溫差實現(xiàn)拆卸過程。氧與乙炔混合燃燒所形成的火焰稱為氧乙炔焰。通過調(diào)節(jié)氧氣閥門和乙炔閥門，可改變氧氣和乙炔的混合比例得到三種不同的火焰——中性焰、氧化焰和碳化焰。

（1）中性焰。當氧氣與乙炔的體積比為1～1.2時，所產(chǎn)生的火焰稱為中性焰。它由焰芯，內(nèi)焰和外焰組成，靠近焊咀處為焰芯，呈白亮色；其次為內(nèi)焰，呈蘭紫色，最外層為外焰，呈桔紅色。

（2）碳化焰。當氧氣和乙炔的體積比小于1時，燃燒產(chǎn)生的為碳化焰。由于氧氣較少，燃燒不完全。整個火焰比中性焰長且溫度也較低。

（3）氧化焰。當氧氣和乙炔的體積比大于1.2時，則形成氧化焰。乙炔在富氧的條件下充分燃燒，火焰長度明顯縮短，焰心呈錐形，內(nèi)焰幾乎消失，氧化焰最大的特點是有較強的絲絲聲。

通過計算得出的葉輪葉輪裝配所需要溫度，我們認為葉輪的拆卸過程使用中性焰中的外焰加熱即可。

3.1 葉輪拆卸的工藝步驟介紹

根據(jù)葉輪有限元分析的數(shù)據(jù)，可以得出在常溫狀態(tài)下葉輪的內(nèi)孔為所受應力最大區(qū)域，葉輪軸盤與葉片連接部分應力也較同半徑的其他區(qū)域應力大。所以加熱區(qū)域應重點選擇這些應力較大的區(qū)域進行加熱。制定具體加熱步驟如下：

（1）對葉輪的蓋盤以及軸盤外部進行預熱，預熱時間根據(jù)葉輪直徑的大小略有不同，例如直徑為1米的葉輪預熱時間約為3～5分鐘。

（2）對葉輪的葉片、軸盤計算應力較大部分進行集中加熱，尤其是軸盤輪轂區(qū)域。要求加熱過程轉子要進行勻速旋轉，加熱過程中保證氧乙炔焰由內(nèi)向外加熱，盡量避免加熱過程中熱量向主軸方向過多的傳導。

（3）使用溫度測量儀檢測葉輪以及主軸的溫度分布情況，比對有限元分析應力區(qū)域分布，要求應力大的區(qū)域溫度要較高一些。

（4）加熱區(qū)域的最高溫度不允許超過葉輪材料熱處理過程中的回火溫度，一般直徑1000mm的葉輪使用5～6支氧乙炔焰加熱半個小時左右即可進行拆卸。

3.2 葉輪拆卸、修復過程

當葉輪加熱溫度達到拆卸條件時即可進行拆卸，拆卸受力點為葉輪軸盤區(qū)域（優(yōu)先選取軸盤與葉片對應強度高區(qū)域）。采用均勻對稱的錘擊方式（受力點至少兩點）。在錘擊過程中應繼續(xù)保持的葉輪的加熱狀態(tài)，并可以采用增加軟金屬墊片用以保護葉輪受力部位，通過不斷錘擊直至將葉輪拆卸。

葉輪拆卸后經(jīng)過自然冷卻后安裝到工裝芯軸上進行端面跳動以及外圓跳動檢查。由于葉輪加熱后的溫度差、葉輪拆卸的錘擊會對要求的檢測數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。修復方法按照如下幾條進行：

（1）在臥式車床對葉輪進行軸向和徑向進行檢查，在滿足葉片厚度的前提下對軸盤局部變形區(qū)域進行車修。

（2）鉚工進行整形修復，局部加熱變形的塌陷區(qū)域可以加熱修復。

（3）對葉輪外表面氧化層以及表面低點進行修復處理。

（4）對葉輪出口輪盤外徑30mm以里兩側范圍（拆卸時敲擊范圍）進行著色檢驗。

（5）對葉輪進行低速平衡，然后進行超轉試驗，檢查尺寸變形量。對葉輪進行著色檢查。

（6）以上檢查各項均滿足使用要求后，葉輪可以繼續(xù)使用。

4 結論

（1）葉輪裝配溫度可以通過材料熱膨脹公式計算出理論溫度，考慮到其他外在因素影響后可以確定在實際操作過程中的加熱溫度。

（2）葉輪拆卸過程中主要依據(jù)有限元的分析結果，對應力較大的幾個區(qū)域集中加熱，在這些區(qū)域快速升溫的過程中與主軸產(chǎn)生溫差，達到拆卸的目的。

（3）拆卸后的葉輪，要經(jīng)過一系列的工藝檢查，經(jīng)過修復后才可以重新使用，這些修復的步驟是不可以忽略的。

[1]徐忠.離心壓縮機原理[M].北京：機械工業(yè)出版社，1990.

[2]趙連成.金屬熱處理原理[M].哈爾濱工業(yè)大學出版社，1987.

[3]（美）莫維尼（Moaveni,S.）.ANSYS理論與應用[M].電子工業(yè)出版社，2008.

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《機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新》雜志社

2014年5月

Studies on Impeller Assembly Stress Analysis and Disassembly of Centrifugal Compressor Rotor

GUO Feng，SU Zhong-Shuai，LI Xiu-Gang，CHEN Xi，BO Lei
（Shenyang Blower Works Group Corporation，Shenyang Liaoning 110869，China）

The form of interference fit is mostly adopted between the impeller and the shaft of centrifugal compressor rotor.Temperature difference,which is commonly used in the assembly process,means the heat expansion of the impeller to make the hole larger than the amount of interference.During the repair process,there is a need to disassemble the impeller rotor section and other sets of parts followed by the stress analysis if we have to replace the impeller or components between the impeller and impeller rotor.Temperature difference between the shaft and the wheel is achieved by heating some areas of the impeller in a short time to realize disassembly.

centrifugal compressor rotor;impeller assembly;stress analysis;disassembly

TP319.9

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.03.040

1002－6673（2014）03－101－03

2014－04－03

郭峰（1981-），男，學士，工程師。研究方向：離心壓縮機裝配工藝編制及壓縮機機械運轉試驗方案的設計。