倪 劍 田瑞青

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川618000)

船用給水泵機(jī)組轉(zhuǎn)子泵輪各轉(zhuǎn)動(dòng)部件間的配合間隙，及因拆裝而變化的安裝狀態(tài)對(duì)給水泵的振動(dòng)噪聲影響很大，減小或者去除配合間隙，控制每次拆裝的安裝狀態(tài)，有利于改善轉(zhuǎn)子泵輪的不平衡響應(yīng)，降低給水泵對(duì)機(jī)組振動(dòng)噪聲的影響。

某型船用汽輪給水泵機(jī)組的科研樣機(jī)性能試驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)組各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足要求，但振動(dòng)噪聲水平較要求還存在一定差距。雖然機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)部件轉(zhuǎn)子泵輪在機(jī)組運(yùn)行前已做過(guò)動(dòng)平衡，但是由于實(shí)際工作狀態(tài)下給水泵機(jī)組需要經(jīng)常維修和更換零件，而轉(zhuǎn)子泵輪鎖緊螺母的鎖緊力在受到泵輪結(jié)構(gòu)影響的情況下很難保證每次都相同，所以后續(xù)拆裝泵輪會(huì)破壞原先動(dòng)平衡狀態(tài)，并且受使用條件的限制，無(wú)法在每次拆裝后重新做轉(zhuǎn)子泵輪的動(dòng)平衡。泵輪及軸套內(nèi)孔與配合的軸分別都有0.02 mm～0.03 mm的間隙，所以泵輪在泵水時(shí)徑向位置會(huì)出現(xiàn)晃動(dòng)，在水流的作用下振動(dòng)情況更加明顯。動(dòng)平衡的破壞及配合間隙的存在都會(huì)讓給水泵產(chǎn)生振動(dòng)噪音。

以某型汽輪給水泵機(jī)組為研究對(duì)象，對(duì)給水泵的內(nèi)部轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子泵輪進(jìn)行優(yōu)化，并通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)上試驗(yàn)來(lái)測(cè)量振動(dòng)及驗(yàn)證拆裝復(fù)原性。

圖1 原轉(zhuǎn)子泵輪結(jié)構(gòu)圖Figuer 1 Structural diagram of the former rotor pump impeller

1 試驗(yàn)件的設(shè)計(jì)

由于原泵輪結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1)較為復(fù)雜，生產(chǎn)周期較長(zhǎng)，故考慮在試驗(yàn)件上進(jìn)行相同的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

為了減小轉(zhuǎn)子軸徑和泵輪內(nèi)孔的間隙，保證泵輪和軸套在徑向方向上的定位，分別設(shè)計(jì)了3種方案進(jìn)行比較，如圖2所示。

方案三通過(guò)擰緊鎖緊螺母，對(duì)泵輪產(chǎn)生軸向壓力，使軸套和泵輪配合的內(nèi)外錐面產(chǎn)生彈性變形，從而克服孔和軸之間的間隙，直到內(nèi)錐面將軸抱緊后完全實(shí)現(xiàn)徑向定位。并且為了防止軸向壓力過(guò)大使錐面在還沒(méi)有和軸貼緊之前發(fā)生塑形變形，特別設(shè)計(jì)了分段錐面，減小了使分段錐面產(chǎn)生足夠變形卻未達(dá)到塑形變形的軸向壓力，保證了定位結(jié)構(gòu)的重復(fù)使用性。

圖2 各種定位結(jié)構(gòu)Figure 2 Various positioning strutures

圖3 鎖緊螺母擰緊示意圖Figure 3 Screwing sketch of locknut

圖4 轉(zhuǎn)子泵輪試驗(yàn)件
Figure 4 Testing sample of rotor pump impeller

和方案一、方案二相比較，方案三沒(méi)有額外增加零件數(shù)量，并且只有四個(gè)定位面，在保證各個(gè)泵輪及軸套實(shí)現(xiàn)徑向定位的同時(shí)，減小因定位面過(guò)多而引起的定位不可靠性，因此最終選擇方案三作為優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

原轉(zhuǎn)子泵輪的鎖緊螺母結(jié)構(gòu)很難實(shí)現(xiàn)擰緊力矩的可控性，故在原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行了一系列的改進(jìn)優(yōu)化，如圖3所示。調(diào)整好扭力扳手的擰緊力矩后，利用自制扳手將鎖緊螺母擰緊，直到扭力扳手到達(dá)設(shè)定的力矩，此時(shí)的力矩就是鎖緊螺母的擰緊力矩，這樣可以保證每次安裝泵輪時(shí)作用在外錐面上的軸向壓力一樣，錐面的變形也一樣，從而保證安裝狀態(tài)一致。

圖5 試驗(yàn)臺(tái)布置圖Figure 5 Arrangement of testing table

圖6 轉(zhuǎn)子泵輪安裝狀態(tài)值
Figure 6 Assembly status values of rotor pump impeller

2 試驗(yàn)件的加工制造及試驗(yàn)臺(tái)的建立

試驗(yàn)件圖紙的公差及精度要求完全按照原產(chǎn)品圖紙的設(shè)計(jì)要求，在保證與原產(chǎn)品外形及材料盡可能一致的情況下，簡(jiǎn)化原產(chǎn)品的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，方便試驗(yàn)件的加工制造，縮短試驗(yàn)周期，為了進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，加工兩套試驗(yàn)件：有定位結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子泵輪及無(wú)定位結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子泵輪，如圖4所示。

定制的試驗(yàn)臺(tái)如圖5所示，試驗(yàn)臺(tái)下部?jī)蓧K墊箱位于實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)上，用壓塊固定，墊塊上部用底板連接，底板和減震底座間布置六塊隔振器，隔振器可以隔離試驗(yàn)臺(tái)外部的振動(dòng)，體現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠性。轉(zhuǎn)子泵輪試驗(yàn)件通過(guò)變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，軸承壓蓋上90°方向上布置有兩個(gè)測(cè)振探頭，方便試驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)取和記錄。

3 試驗(yàn)方案及結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)方案

為了保證對(duì)比的統(tǒng)一性，對(duì)有定位結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子泵輪及無(wú)定位結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子泵輪分別拆裝三次，并且每一種結(jié)構(gòu)每次安裝時(shí)擰緊力矩都設(shè)置在80 N·m，裝好轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)前分別測(cè)量圖6中相應(yīng)位置的跳動(dòng)值及泵輪端面和軸套端面的間隙，轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中通過(guò)振動(dòng)測(cè)頭，記錄升速和降速過(guò)程中轉(zhuǎn)子的振動(dòng)情況。

(a)有定位結(jié)構(gòu)(x軸單位rmin，y軸單位μm)(b)無(wú)定位結(jié)構(gòu)(x軸單位rmin，y軸單位μm) 圖7 探頭1、2升降速振動(dòng)數(shù)據(jù)Figure 7 Lifting speed vibration datum of probe 1 and probe 2

表1 安裝狀態(tài)情況記錄(mm)Table 1 Assembly status condition records

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 安裝狀態(tài)情況記錄

安裝狀態(tài)情況記錄見(jiàn)表1。

3.2.2 振動(dòng)情況記錄

探頭1、2升降速振動(dòng)數(shù)據(jù)如圖7所示。

3.3 試驗(yàn)分析

從安裝狀態(tài)跳動(dòng)值數(shù)據(jù)可以看出：與無(wú)定位結(jié)構(gòu)相比，有定位結(jié)構(gòu)每次拆裝完跳動(dòng)值變化均比較小，說(shuō)明帶錐面定位結(jié)構(gòu)的安裝復(fù)原性較好，每次泵輪和軸的相對(duì)安裝位置變化不大。

從測(cè)量的振動(dòng)測(cè)頭數(shù)據(jù)可以看出，兩種結(jié)構(gòu)在x、y測(cè)量方向上的振動(dòng)基本一致，并且在升速和降速過(guò)程中，振動(dòng)趨勢(shì)都隨轉(zhuǎn)速增大而增大。經(jīng)過(guò)三次安裝后，可以看出在升速和降速過(guò)程中，有定位結(jié)構(gòu)的不僅振動(dòng)幅值較小，而且振動(dòng)幅值變化也較小，振動(dòng)幅值基本控制在10 μm～20 μm，振動(dòng)幅值變化控制在10 μm；而無(wú)定位結(jié)構(gòu)的振動(dòng)幅值則是25 μm～50 μm，振動(dòng)幅值變化25 μm，均比有定位結(jié)構(gòu)的大。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子泵輪定位結(jié)構(gòu)可靠性的研究，可以得出以下結(jié)論：

(1)優(yōu)化后的轉(zhuǎn)子泵輪定位結(jié)構(gòu)克服了泵輪、軸套與轉(zhuǎn)子之間裝配晃動(dòng)的問(wèn)題，減小了轉(zhuǎn)子泵輪的振動(dòng)，減小了機(jī)組振動(dòng)，降低了噪聲。

(2)優(yōu)化后的轉(zhuǎn)子泵輪定位結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、定位準(zhǔn)確，拆裝復(fù)原性高，其穩(wěn)定性及可靠性均高于無(wú)定位結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子泵輪。

由于內(nèi)外錐面配合的外錐面邊緣較薄，在加工過(guò)程中變形不易控制，加工難度較大，配合時(shí)，導(dǎo)致內(nèi)外錐面的端面間隙在圓周方向上不均勻，在一定程度上影響了定位結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，因此該優(yōu)化結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)并未體現(xiàn)得非常明顯。

錐面的加工精度對(duì)試驗(yàn)影響較大，因此要盡量?jī)?yōu)化錐面加工工藝，保證錐面加工精度。具體解決辦法：

(1)錐面加工的最后一次走刀，可以在沒(méi)有進(jìn)給量的情況下光切，并用手工打磨。

(2)從補(bǔ)償加工變形考慮，可在內(nèi)孔配一個(gè)軸，最大程度地減小錐面向內(nèi)變形。

(3)采用高速加工，高速切削時(shí)，由于刀具切削力小，由于讓刀，錐面產(chǎn)生的變形較小，比較容易保證錐面的尺寸精度和位置精度。