張 威， 白俊峰， 劉謙祥， 張?jiān)剑?李 琳

（沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司， 遼寧 沈陽(yáng) 110869）

引言

轉(zhuǎn)子需要落實(shí)合理的穩(wěn)定性，穩(wěn)定性分析由幾個(gè)部分組成，主要包括單個(gè)葉輪的理論強(qiáng)度分析和轉(zhuǎn)子軸系的動(dòng)力學(xué)理論分析。組裝成轉(zhuǎn)子組件的轉(zhuǎn)子軸系的動(dòng)力學(xué)分析包括模擬轉(zhuǎn)子彎曲臨界轉(zhuǎn)速及運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中不平衡響應(yīng)計(jì)算、轉(zhuǎn)子組部運(yùn)轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)臨界轉(zhuǎn)速的模擬計(jì)算、扭振應(yīng)力參數(shù)分析及主軸和鍵等轉(zhuǎn)子構(gòu)成件的強(qiáng)度計(jì)算。

在此過(guò)程中，主要參照既定操作流程，填寫(xiě)項(xiàng)目信息后選擇控制參數(shù)、確定進(jìn)口流量和進(jìn)口壓力、選定葉輪參數(shù)后錄入段間冷卻和抽加氣信息，確定好介質(zhì)組分參數(shù)后應(yīng)用工況計(jì)算參數(shù)來(lái)輸出結(jié)果，繪制曲線圖，包括轉(zhuǎn)子一階正進(jìn)動(dòng)的對(duì)數(shù)衰減量隨轉(zhuǎn)速的變化曲線，如圖1所示；及轉(zhuǎn)子一階正進(jìn)動(dòng)復(fù)模態(tài)圖，如圖2所示，基于轉(zhuǎn)子總長(zhǎng)及跨距配比，推算出計(jì)算轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)速及最大連續(xù)轉(zhuǎn)速分別為9521.25 r/min和13 329.8 r/min，理論上確定轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性滿足工況要求。

圖1 轉(zhuǎn)子一階正進(jìn)動(dòng)的變化曲線

圖2 轉(zhuǎn)子一階正進(jìn)動(dòng)復(fù)模態(tài)圖

1 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子彎曲因素的分析

1.1 材料選擇對(duì)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子彎曲的影響

轉(zhuǎn)子組件主軸主要為鍛造而成，常用材料為40NiCrMo7、1Ni9，鍛造工藝流程如何也是至關(guān)重要，因此嘗試優(yōu)化鍛造工藝與主軸鍛件來(lái)料質(zhì)量，提高組織均勻性，降低殘余應(yīng)力。

在轉(zhuǎn)子主軸加工制造過(guò)程中將會(huì)安排兩道熱處理工序，分別是粗加工后的調(diào)質(zhì)處理和半精加工后的消應(yīng)力處理，經(jīng)過(guò)對(duì)軸類(lèi)零件熱處理后的彎曲情況調(diào)研，得知延長(zhǎng)熱處理時(shí)長(zhǎng)對(duì)釋放加工應(yīng)力很有益處，因此在原有基礎(chǔ)上嘗試提高穩(wěn)定化熱處理時(shí)間，進(jìn)一步消除殘余應(yīng)力，在原有穩(wěn)定處理時(shí)間的基礎(chǔ)上增加一倍的時(shí)間，轉(zhuǎn)子主軸半精加工后的穩(wěn)定處理曲線[1-2]。

1.2 加工制造對(duì)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子彎曲的影響

切削參數(shù)對(duì)加工質(zhì)量有著決定性的影響，不合理的加工參數(shù)必然帶來(lái)加工應(yīng)力的提升，因此設(shè)計(jì)合理的加工工藝，控制主軸冷加工過(guò)程，防止各序加工不規(guī)范引起的加工應(yīng)力，降低機(jī)加應(yīng)力的產(chǎn)生，規(guī)范主軸磨削加工操作，其中關(guān)鍵指標(biāo)是需要保證主軸磨削后的各段軸徑尺寸精度、軸徑磨削后的粗糙度、各軸段對(duì)應(yīng)位置的形位公差、軸頭及對(duì)應(yīng)頂尖孔的錐度研合達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

1.3 轉(zhuǎn)子組件裝配方案對(duì)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子彎曲的影響

壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子組件一般裝配工藝流程為熱裝及液壓過(guò)盈裝配，那么裝配過(guò)程中會(huì)帶來(lái)應(yīng)力，使轉(zhuǎn)子出現(xiàn)彎曲情況，這就需要設(shè)計(jì)合理的葉輪裝配工藝，防止裝配過(guò)程中因葉輪與主軸局部接觸，使主軸受熱不均，產(chǎn)生彎曲。

轉(zhuǎn)子小件左側(cè)內(nèi)孔與轉(zhuǎn)子軸頭是過(guò)盈配合，但在右側(cè)內(nèi)孔與主軸是屬于間隙配合關(guān)系，零部件在加熱裝配時(shí)右端面與輪子的內(nèi)孔端面緊密相連，便是熱脹長(zhǎng)度Δ尺寸，如圖3所示。

圖3 葉輪與隔套熱裝收縮間隙示意圖

一個(gè)串量Δ，然后轉(zhuǎn)子組件需要逐級(jí)裝配，那么再裝葉輪和隔套的過(guò)程中還要持續(xù)產(chǎn)生Δ串量，如此累計(jì)下來(lái)，就無(wú)法保證設(shè)計(jì)理論的軸向尺寸要求，為了避免此類(lèi)情況，必須控制其在具體的裝配過(guò)程中，各級(jí)尺寸鏈達(dá)到要求的軸向尺寸，那么在轉(zhuǎn)子裝配前就需要把這個(gè)理論數(shù)值準(zhǔn)確地計(jì)算出來(lái)，解決裝配過(guò)程中的軸向定位問(wèn)題。

2 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子組件工藝方案的優(yōu)化

轉(zhuǎn)子磨削操作，頂尖的壓力根據(jù)主軸的重量做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，第一次磨削時(shí)，應(yīng)先磨削一段軸徑，主要是為了進(jìn)行打表檢查，打表值超過(guò)0.005 mm時(shí)，需重新修頂尖孔。磨削裝輪軸徑，葉輪超轉(zhuǎn)結(jié)束后，內(nèi)孔尺寸符合設(shè)計(jì)要求，按主軸的設(shè)計(jì)尺寸磨外徑；否則，按裝配要求尺寸進(jìn)行配磨。磨削裝葉輪軸徑的過(guò)程中，要保證裝軸瓦處打表值不超過(guò)0.005 mm。

在標(biāo)準(zhǔn)化主軸磨削工藝過(guò)程的同時(shí)，還結(jié)合數(shù)控機(jī)床性能指標(biāo)對(duì)加工制造參數(shù)進(jìn)行梳理，形成各階段磨削制造的工藝參數(shù)表單。

完成機(jī)械加工后，轉(zhuǎn)子裝配中聯(lián)軸器液壓裝卸的技術(shù)要求十分嚴(yán)格，軸頭安裝聯(lián)軸器與主軸之間應(yīng)設(shè)計(jì)為錐度過(guò)盈配合。并且與聯(lián)軸器孔的接觸面應(yīng)大于85%以上。錐面的粗超度Ra1.6 μm以上。聯(lián)軸器安裝過(guò)程必須按照指定的設(shè)計(jì)推進(jìn)量進(jìn)行軸向推進(jìn)，以此來(lái)確保過(guò)盈裝配值。聯(lián)軸器液壓裝卸時(shí)，聯(lián)軸器將會(huì)受到液壓應(yīng)力，對(duì)應(yīng)應(yīng)力不得超過(guò)聯(lián)軸器材料彈性變形所允許應(yīng)力，否則將會(huì)破壞聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度，拆裝方案的實(shí)施拆裝過(guò)程用到的工裝設(shè)備如圖4所示。

圖4 液壓拆裝聯(lián)軸器工裝示意圖

3 結(jié)論

離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的彎曲控制有著深遠(yuǎn)意義，通過(guò)理論分析結(jié)合工藝試驗(yàn)，得出結(jié)論[3-6]：

1）通過(guò)對(duì)離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行穩(wěn)定性分析，確定了影響轉(zhuǎn)子軸系不平衡響應(yīng)的因素為轉(zhuǎn)子組件彎曲變形，單個(gè)葉輪的理論強(qiáng)度和轉(zhuǎn)子軸系進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)理論分析，得到交叉耦合剛度曲線，通過(guò)分析可知，優(yōu)化轉(zhuǎn)子重心位置，有效消除軸向應(yīng)力，可使壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。

2）通過(guò)分析可知加工應(yīng)力及焊接應(yīng)力對(duì)轉(zhuǎn)子軸系彎曲影響較大。通過(guò)對(duì)加工制造參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和精細(xì)處理，同時(shí)優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式，可使壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子組件滿足實(shí)際工作要求。

3）將加工制造完成的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子組件作為主要研究對(duì)象，關(guān)注組件熱裝及液壓裝配兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)熱膨脹及液壓膨脹的理論計(jì)算，確定了組裝過(guò)程轉(zhuǎn)子彎曲的趨勢(shì)，經(jīng)過(guò)分析可知，在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子組件組裝過(guò)程中，受熱膨脹及散熱不均是造成彎曲的部分原因。