張思宇 郝建國 胡冰*/沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司

王潔/中國北車集團(tuán)大連機(jī)車研究所

離心壓縮機(jī)主軸冷態(tài)下的精確矯直*

張思宇 郝建國 胡冰*/沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司

王潔/中國北車集團(tuán)大連機(jī)車研究所

0 引言

主軸是離心壓縮機(jī)的核心部件之一，精加工主軸的精度要求十分嚴(yán)格，任何微小尺寸及形位變化都將影響整臺(tái)離心壓縮機(jī)機(jī)組的穩(wěn)定性，然而離心壓縮機(jī)主軸都采用柔軸結(jié)構(gòu)，長徑比較大，剛度不足，相對(duì)易產(chǎn)生變形[1-2]。在主軸熱處理過程中，主軸的非彈性彎曲至今也時(shí)常發(fā)生，在余量不足的情況下，有一種方法采用集中點(diǎn)加熱的方法對(duì)主軸進(jìn)行修復(fù)[3-5]，但這種對(duì)主軸加熱的方式存在許多不利因素：首先如果矯直過程中集中加熱溫度較低，對(duì)變形嚴(yán)重的主軸修復(fù)效果甚微；其次如果集中加熱溫度較高，對(duì)已經(jīng)調(diào)質(zhì)完畢的主軸性能勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生影響，尤其是對(duì)超低溫下運(yùn)行的主軸，因此這種方法尚存在許多不確定的因素。無論是在生產(chǎn)過程中還是機(jī)組運(yùn)行過程中主軸非彈性彎曲問題均是國內(nèi)各大壓縮制造廠商困擾多年的問題。雖然近些年來，隨著計(jì)算機(jī)模擬等技術(shù)的發(fā)展，各大制造商聯(lián)合科研院校對(duì)其原因及防彎措施進(jìn)行了分析和研究，但在實(shí)際中主軸彎曲的問題依然存在。隨著我國大型乙烯機(jī)的國產(chǎn)化對(duì)超低溫主軸的需求越來越大，在主軸彎曲問題沒有徹底得到解決的情況下，新的冷態(tài)下主軸矯直方案就顯得十分必要了。

1 概述

1.1 研究背景

某國內(nèi)大型石化廠家乙烯壓縮機(jī)低壓缸主軸為進(jìn)口鍛件超低溫材料1Ni9,半精加工后做深冷處理[10-11]，處理后主軸產(chǎn)生嚴(yán)重非彈性彎曲，在電跳儀上對(duì)主軸均勻位置打表數(shù)據(jù)如圖1。主軸中間位置最大撓度0.7mm，此時(shí)軸頸精加工磨量最小處只剩下單邊0.2mm，這種情況下已經(jīng)無法繼續(xù)使用，如果報(bào)廢，會(huì)給生產(chǎn)制造企業(yè)帶來巨大損失。

圖1 主軸撓度圖

1.2 問題分析

該主軸若繼續(xù)使用必須進(jìn)行矯直，但矯直也存在諸多問題，該主軸實(shí)際運(yùn)行溫度在-100℃以下，當(dāng)前熱處理狀態(tài)為IHT+深冷處理[12]，如果采用集中點(diǎn)加熱法矯直，溫度很難控制，勢(shì)必對(duì)主軸的局部性能產(chǎn)生不利影響。只能采用機(jī)械矯直的方法，在冷態(tài)下用壓力機(jī)進(jìn)行矯直，但是這樣矯直也存在許多問題，首先主軸質(zhì)量超過2t，軸頸最粗處近320mm，屈服點(diǎn)在570MPa左右，塑性韌性都很好。再有主軸彎曲量也僅有0.7mm，壓軸的過程中回彈量還必須同時(shí)考慮，如此精確的量級(jí)如何能夠在平時(shí)工作精度比較粗的壓力機(jī)上實(shí)現(xiàn)，同時(shí)又能保證壓軸過程中不會(huì)壓過量，以及如何測(cè)量矯直過程中主軸撓度的變化量都是問題。

1.3 矯直方案制定

綜合以上因素，制定了一整套的冷態(tài)矯直方案：

1）前期利用計(jì)算機(jī)對(duì)整個(gè)壓軸過程進(jìn)行數(shù)字化模擬，初步了解壓軸過程中位移與應(yīng)力的關(guān)系以及對(duì)回彈量的預(yù)測(cè)；

2）選擇合適的矯直設(shè)備，設(shè)計(jì)并制造矯直過程用的各種工裝；

3）研究討論了在主軸矯直過程中如何進(jìn)行撓度變化量的測(cè)量，并制作了簡(jiǎn)易的測(cè)量工具；

4）制定矯直過程方案，設(shè)置防止過壓簡(jiǎn)易裝置，以及矯直后熱處理方案。

2 矯直前處理

2.1 壓軸布置情況

選擇500t單柱油壓機(jī)進(jìn)行主軸矯直，輔助裝置及布置情況見圖2。

圖2 主軸矯直輔助裝置及布置情況圖

2.2 靜力分析

利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)壓軸過程進(jìn)行靜力分析。采用平面二維單元PLANE42相近建模，對(duì)壓力機(jī)上平臺(tái)下降過程模擬，壓力機(jī)上平臺(tái)通過上模具與主軸接觸后，每施加一定位移量主軸的變化和主軸內(nèi)部產(chǎn)生的相應(yīng)的應(yīng)力云圖見圖3。

圖3 主軸加載位移后云圖

該主軸材料最終熱處理后的屈服強(qiáng)度在570MPa左右，通過圖3的應(yīng)力云圖可以看出，當(dāng)主軸位移加載2mm和4mm時(shí)，主軸的絕大部分區(qū)域處于屈服值范圍內(nèi)。主軸雖然產(chǎn)生相當(dāng)形變，但均為彈性變形，壓力卸載后主軸依然會(huì)彈回原始位置。當(dāng)主軸加載位移在6～7mm時(shí)，一部分區(qū)域應(yīng)經(jīng)應(yīng)力超過屈服值，真正的有效矯直應(yīng)該從這一點(diǎn)開始。通過計(jì)算機(jī)靜力模擬，大致得出了在真正矯直過程中能夠產(chǎn)生效果的位移區(qū)間。通過以上模擬云圖還可以看出，主軸在矯直過程中與下模接觸的內(nèi)側(cè)局部應(yīng)力非常大，為了保護(hù)主軸，必須在各模具與主軸接觸的邊緣位置增加圓角。

2.3 回彈分析

主軸矯直過程中如超過彈性極限值將會(huì)發(fā)生永久變形，但也并非超過彈性極限后，施加多少位移主軸就會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生多大的位移變化。由于內(nèi)應(yīng)力勢(shì)能等因素的存在，當(dāng)壓力卸載后依然會(huì)有一定的回彈量，通過采用LS-DYNA軟件進(jìn)行顯式-隱式分析瞬間的大變形動(dòng)力學(xué)，來相似的模擬主軸加載超過彈性極限后，每施加1mm位移載荷后，主軸的回彈數(shù)值，見圖4。這里采用LS-DYNA中的SHELL163殼單元，定義殼厚度為主軸直徑320mm。

圖4 回彈分析有限元模型圖

通過圖5可以看出，當(dāng)主軸超過彈性極限開始發(fā)生非完全彈性變形后單次施加1mm位移，主軸回彈量在0.75mm左右，也就是說單次增加1mm位移量，壓力卸載后的主軸的實(shí)際變化量在0.25mm左右。

圖5 超過彈性極限后加載1mm主軸回彈情況圖

通過LS-DYNA軟件和可以得知當(dāng)壓力卸載后主軸內(nèi)部的殘余內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)見圖6，從此可以了解到當(dāng)主軸每次加載完成后主軸內(nèi)部依然存在一定的殘余應(yīng)力，這些應(yīng)力的累積對(duì)于將來主軸服役是不利的，因此應(yīng)該在主軸壓型后進(jìn)行消應(yīng)力處理。

圖6 主軸壓力卸載后殘余應(yīng)力情況圖

3 主軸矯直

3.1 限位措施及測(cè)量方法

為了防止矯直過程中發(fā)生主軸過壓的情況，矯直過程中必須要安排限位措施，這里的限位措施由圖2中序號(hào)6限位擋柱及序號(hào)1墊片組成。按照?qǐng)D2擺放好主軸和上下模具后，測(cè)量上模具上端面與壓力機(jī)下平臺(tái)的距離，確定限位擋柱與墊片的總高度。矯直過程中，通過減少墊片的厚度來控制壓力機(jī)下降距離，進(jìn)而保證不能過壓。

在矯直過程中，如何測(cè)量主軸撓度的變化量十分關(guān)鍵，因此提出了塞尺測(cè)量間隙法，制作了圖2中序號(hào)7的測(cè)量工具，其結(jié)構(gòu)見圖7。測(cè)量工具本身應(yīng)具備足夠的剛性，放置位置應(yīng)盡量靠近上模具位置，每次對(duì)主軸加載后，通過塞尺測(cè)量頂針與軸面的間隙，進(jìn)而得出每次加載主軸撓度的變化量。

圖7 測(cè)量工具結(jié)構(gòu)圖

3.2 矯直過程

1）按圖2所示，將主軸架設(shè)在兩下模具上，將上模具落在主軸上，測(cè)量上模具到壓力機(jī)下平臺(tái)距離，放置好限位擋柱及墊片，墊片規(guī)格見表1，放置墊片的厚度保證限位裝置總高與之前測(cè)量的距離值一致。

表1 墊片數(shù)量與規(guī)格表

2）試壓不加載位移量，壓力機(jī)與上模具接觸即可，通過墊片是否能夠挪動(dòng)來重新檢測(cè)限位擋柱與主軸一側(cè)高度是否一致，若不一致通過調(diào)整墊片規(guī)格進(jìn)行調(diào)整。

3）調(diào)整高度一致后，將測(cè)量工具放置在主軸靠近中心位置處，保證測(cè)量工具的頂針與主軸緊密接觸，用塞尺檢驗(yàn)，以0.01mm塞尺無法通過間隙為準(zhǔn)。通過調(diào)整墊片規(guī)格，撤掉0.5mm墊片厚度進(jìn)行加載，這樣就保證主軸位移量最大為0.5mm。壓力機(jī)一直加載到和限位擋柱之間沒有間隙為止。依然通過剩余墊片是否可以挪動(dòng)來判斷是否壓實(shí)。

4）壓實(shí)后卸載抬起壓力機(jī)，再次用塞尺測(cè)量頂針與主軸間隙，發(fā)現(xiàn)撤掉0.5mm墊片加載，主軸完全回彈，0.01mm塞尺依然無法通過間隙，表明主軸撓度沒有發(fā)生變化。

5）通過每次撤掉0.5mm墊片厚度的方式不斷加載位移量，在累計(jì)加載位移達(dá)到7mm之前，卸載后，主軸均回到原位置，撓度沒有變化；當(dāng)加載位移7mm時(shí)，撤掉壓力后，測(cè)量頂針與主軸產(chǎn)生間隙，通過塞尺測(cè)量間隙為0.12mm。

6）將數(shù)據(jù)記錄下來后，調(diào)整測(cè)量頂針與主軸再次緊密接觸，之后繼續(xù)重復(fù)之前過程，每次加載位移量及測(cè)量間隙值見表2，在加載位移達(dá)到10mm，累計(jì)間隙值達(dá)到0.54mm，矯直結(jié)束。

表2 加載量與測(cè)量間隙表mm

7）由于矯直之前最大撓度在0.7mm，此數(shù)據(jù)為打表值，相當(dāng)于中軸線偏離中心線位移的2倍，因此矯正時(shí)需要矯正的數(shù)值為0.35mm。由于主軸在矯正后還需進(jìn)行一次消應(yīng)力處理，初步預(yù)測(cè)消應(yīng)力后主軸具有回復(fù)效應(yīng)，因此制定的矯正量在0.5mm，這樣撓度的變化應(yīng)該為-0.3～0.7mm。

3.3 矯直結(jié)果

將矯直后的主軸從壓力機(jī)上轉(zhuǎn)移到電跳儀上重新打表，打表數(shù)據(jù)見圖8，通過數(shù)據(jù)顯示看出矯直結(jié)果非常理想。矯直后主軸內(nèi)部的殘余應(yīng)力，通過穩(wěn)定處理后消除，進(jìn)爐前主軸表面需要涂防氧化涂料，穩(wěn)定處理后重新打表。

圖8主軸撓度變化值

4 結(jié)論

1）通過以上內(nèi)容制定的一整套矯直方案，矯直后最終主軸的撓度值為0.16mm，已經(jīng)滿足精加工要求，表明這套精確矯直方案是非常有效，為企業(yè)節(jié)省了大量的工期和資金。

2）利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)矯直前過程的靜力模擬，顯示主軸矯直的有效區(qū)間從主方向位移6～7mm開始，在實(shí)際矯直過程中在主方向位移加載到6.5～7mm時(shí)，撓度開始發(fā)生變化，說明模擬軟件對(duì)過程控制的結(jié)果是準(zhǔn)確的，為今后同類問題的前處理提供了方法。

3）利用ANSYS/LS-DYNA軟件對(duì)主軸開始屈服后，每加載1mm產(chǎn)生的回彈量進(jìn)行了模擬，主軸撓度模擬變化量數(shù)據(jù)為每加載1mm變化0.25mm，實(shí)際矯正過程中平均每加載1mm的變化量為0.15mm，可以看出回彈趨勢(shì)，雖存在一定誤差，但具有一定的參考價(jià)值。

4）針對(duì)矯直提出的塞尺測(cè)量間隙法，通過矯直過程中的測(cè)量數(shù)據(jù)和主軸打表的數(shù)據(jù)對(duì)比，測(cè)量誤差在0.05mm以內(nèi)，對(duì)于壓型矯直這一鉚工過程來說，對(duì)精度的控制已經(jīng)相當(dāng)精確，具有可用價(jià)值。

5）通過ANSYS/LS-DYNA顯-隱式分析，得出主軸矯直后內(nèi)部的殘余應(yīng)力狀態(tài)。通過穩(wěn)定處理前后打表數(shù)據(jù)也證實(shí)了該內(nèi)應(yīng)力的存在，為了主軸服役期間的可靠性，該應(yīng)力必須消除。因此，矯直后必須進(jìn)行消應(yīng)力處理。

在該主軸矯直后，另外一臺(tái)國家某重點(diǎn)乙烯項(xiàng)目壓縮機(jī)組試車時(shí)，主軸又一次發(fā)生彎曲事故，該主軸已經(jīng)是精加工狀態(tài)沒有任何余量，外形尺寸也和上文提到的主軸差距較大，返廠后經(jīng)過與壓縮機(jī)設(shè)計(jì)部門溝通，設(shè)計(jì)者同意采用減少主軸與葉輪過盈利量和的主軸加鍵的方式，爭(zhēng)取到主軸單邊允許減少0.1mm，通過本文論述的一整套方案對(duì)該主軸進(jìn)行矯直依然獲得成功，再一次證明了該套主軸的精確矯直方案的有效性及通用性。

[1]徐忠.離心壓縮機(jī)原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1990.

[2]黃忠躍，王曉放.透平式壓縮機(jī)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[3]高俊福.大型離心壓縮機(jī)主軸熱裝彎曲機(jī)理研究[D].遼寧：大連理工大學(xué)，2013.

[4]李澈，張偉民，徐偉.淺談汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的局部加熱法[J].廣西電力,2007(1)：27-29.

[5]吳志剛，孟連潼.210MW汽輪機(jī)大軸彎曲原因及矯直方法[J].廣東電力,2007(20)：53-54.

[6]胡紅軍，黃偉九，楊明波.ANSYS在材料工程中的應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[7]李文平，聶紹珉，付寶連.計(jì)算直梁彎曲成型回彈的最小勢(shì)能原理及其有限元法[J].塑性工程學(xué)報(bào),2003(10)：20-22.

[8]Narkeeran Narasimban.Michael Lovell.Predicting springback in sheet metal forming:an explicit to implicit sequential solution procedure,Finite Elements in Analysis and Design[J].1999(33)：29-42.

[9]王勖力.有限元分析法[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[10]姜妍，印明洋，王廣蘭，等.百萬噸乙烯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)[J].GM通用機(jī)械,2009(5)：18-21.

[11]呂立博，張立，向青春，等.1Ni9鋼在乙烯壓縮機(jī)上的應(yīng)用[J].風(fēng)機(jī)技術(shù),2010(4)：36-44.

[12]張敏，張興璇，楊亮.熱處理工藝對(duì)1Ni9鋼組織與性能的影響[J].金屬熱處理,2013(8)：96-98.

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綜合介紹了某國內(nèi)大型石化廠家乙烯壓縮機(jī)主軸在生產(chǎn)過程中發(fā)生的彎曲情況而制定的整套修復(fù)方案。該主軸在冷處理的過程中發(fā)生嚴(yán)重非彈性彎曲，又因?yàn)橹鬏S運(yùn)行在超低溫環(huán)境中，進(jìn)而排除了集中點(diǎn)加熱的方式進(jìn)行矯直。采用冷態(tài)下進(jìn)行矯直，綜合ANSYS力學(xué)分析模擬結(jié)果及LS-DYNA回彈模擬結(jié)果對(duì)主軸矯直量的控制，針對(duì)模擬結(jié)果對(duì)實(shí)際壓軸過程進(jìn)行優(yōu)化，矯正過程中采用了限位措施并提出了塞尺測(cè)量間隙法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。結(jié)果表明：通過以上方案冷態(tài)壓型后的主軸滿足精加工要求；模擬軟件對(duì)于主軸壓型過程的描述具有相當(dāng)?shù)膮⒖純r(jià)值；提出的測(cè)量方案能準(zhǔn)確反映在實(shí)際壓型過程中主軸撓度的變化。

離心壓縮機(jī)；主軸；非彈性彎曲；精確矯直；回彈

Accurate Straightening for Centrifugal Compressor Spindlein the Cold Treatment Process

Zhang Siyu,Hao Jianguo,Hu Bing,Zhang Jiangnan,WengJiming，JinShengbo/ Shenyang Blower Works Group Corporation WangJie/CNRDalian Locomotive Research Institute Co.,Ltd.

centrifugal compressor；spindle;inelastic bending;accurate straightening;spring back

TH452；TK05

A

1006-8155（2015）02-0054-06

10.16492/j.fjjs.2015.02.038

*國家資助項(xiàng)目：國家科技支撐計(jì)劃（2013BAF01B03）課題名稱：大型離心式壓縮機(jī)節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

*本文其他作者：張江楠翁吉銘金圣博/沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司

2014-02-28遼寧沈陽110869

Abstract:In this paper,aiming at the situations that some giant domestic petrochemical manufacturer’s ethylene compressor spindle bends during the production process,a series of repairing programs are pointed out.The spindle inelastic bends seriously in the cold treatment process,while the spindle works in the ultra-low temperature，focus point heating straightening is excluded. Combined the controls from ANSYS analysis stimulation and LS-DYNA springback simulation on the spindlestraightening amount,the practical compressing process based on the simulation result is optimized.Limitation is utilized in the straightening process and feeler-measuring method is utilized in the field measuring.The result indicates the spindle after cold compressing based on programs above meets the requirements of machining,the simulating of the spindle compressing process has certain reference value,and the measuring program above is able to reflex the change of the spindle deflection of the practical compressing accurately.