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        離心式壓縮機(jī)組半聯(lián)軸節(jié)裝配數(shù)據(jù)核算與安裝要點(diǎn)

        2023-08-29 01:40:26石寬寬
        設(shè)備管理與維修 2023年13期
        關(guān)鍵詞:聯(lián)軸節(jié)過盈過盈量

        石寬寬,藍(lán) 天

        (海洋石油富島有限公司,海南東方 572600)

        0 引言

        在離心式壓縮機(jī)組檢修過程中,半聯(lián)軸節(jié)的拆裝一直是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。半聯(lián)軸節(jié)與軸之間通常采用過盈配合連接,依靠配合件裝配以后的過盈量達(dá)到緊固連接,裝配后由于材料的彈性變形,使配合面之間產(chǎn)生壓力,因此在工作時(shí)配合面間具有相當(dāng)?shù)倪B接摩擦力來傳遞扭緊力矩或軸向力,同時(shí)配合面具有一定的錐度(圖1)。采用液壓裝配的方法,可以實(shí)現(xiàn)半聯(lián)軸節(jié)的多次拆裝。

        圖1 離心式壓縮機(jī)聯(lián)軸節(jié)結(jié)構(gòu)

        檢修時(shí)為了安裝過盈配合的半聯(lián)軸節(jié),離心式壓縮機(jī)組需要同時(shí)使用兩臺(tái)油泵,一臺(tái)低壓油泵、一臺(tái)高壓油泵(高壓油泵出口壓力需要大于200 MPa)。高壓油泵通過接頭與軸頭進(jìn)油孔相連,其輸出的高壓油經(jīng)過軸頭上的流道進(jìn)入半聯(lián)軸節(jié)與軸表面之間,在高壓油的壓力作用下,半聯(lián)軸節(jié)膨脹、內(nèi)徑變大,再通過安裝在軸頭螺紋上、與低壓油泵相連的推進(jìn)器推上帶錐度的軸頸表面,實(shí)現(xiàn)半聯(lián)軸節(jié)的裝配(圖2)。在整個(gè)裝配過程中,低壓油泵和高壓油泵需要分多次升壓,每次升壓后均需保壓10 min左右,然后才能進(jìn)行下一次的升壓,并且還需要使用百分表和深度尺共同測(cè)量半聯(lián)軸節(jié)的推進(jìn)量。拆卸半聯(lián)軸節(jié)時(shí),應(yīng)保證推進(jìn)器與半聯(lián)軸節(jié)之間的間隙大于半聯(lián)軸節(jié)的推進(jìn)量,然后升高高壓油泵壓力、使膨脹壓略大于安裝時(shí)的壓力,半聯(lián)軸節(jié)即可從軸頸上拆下。

        圖2 半聯(lián)軸節(jié)拆裝示意

        1 現(xiàn)場(chǎng)檢修中關(guān)于半聯(lián)軸節(jié)安裝的問題

        在設(shè)備檢修時(shí),經(jīng)常有人認(rèn)為半聯(lián)軸節(jié)回裝時(shí)的推進(jìn)量不能小于上次回裝時(shí)的推進(jìn)量,因?yàn)榘肼?lián)軸節(jié)經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的工作后,內(nèi)孔很可能會(huì)變大,如果回裝不到原來的位置,半聯(lián)軸節(jié)在運(yùn)行過程中可能抱緊力不夠(即配合面徑向壓力不夠),便會(huì)發(fā)生松動(dòng)現(xiàn)象。但是半聯(lián)軸節(jié)回裝時(shí)很難剛好回裝到檢修前的位置,所以每次回裝都會(huì)較上次檢修時(shí)推進(jìn)量更大,長(zhǎng)此以往半聯(lián)軸節(jié)安裝、拆卸的高壓油泵壓力也就越來越高,拆裝的難度、操作的危險(xiǎn)性也隨之增加。

        2 半聯(lián)軸節(jié)安裝強(qiáng)度核算

        2.1 配合面間所需的徑向壓力P

        當(dāng)半聯(lián)軸節(jié)傳遞軸向力F 時(shí),應(yīng)保證連接在此載荷作用下不產(chǎn)生軸向滑動(dòng),即當(dāng)配合面徑向壓力為P 時(shí),在外載荷F 作用下,配合面上所能產(chǎn)生的軸向摩擦阻力Ff應(yīng)不小于外載荷F。

        離心式壓縮機(jī)組半聯(lián)軸節(jié)與軸配合面具有一定錐度,裝配后半聯(lián)軸節(jié)通過軸頭鎖母固定在軸上,為避免鎖母在離心式壓縮機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)松動(dòng),鎖母上加工有頂絲,起到放松作用,使半聯(lián)軸節(jié)和軸在工作時(shí)不會(huì)發(fā)生相對(duì)位移。此外,為平衡設(shè)備運(yùn)行過程中產(chǎn)生的軸向力,用于驅(qū)動(dòng)離心式壓縮機(jī)的汽輪機(jī)常采用平衡孔、平衡盤、止推瓦平衡軸向力,離心式壓縮機(jī)則采用對(duì)稱布置葉輪、平衡盤、止推軸承平衡軸向力,通過一系列措施,轉(zhuǎn)子運(yùn)行產(chǎn)生的軸向力基本上被平衡掉了,因轉(zhuǎn)子位移、聯(lián)軸節(jié)預(yù)拉伸產(chǎn)生的軸向力通過轉(zhuǎn)子上的聯(lián)軸節(jié)膜片變形也會(huì)被抵消,基本上不會(huì)影響半聯(lián)軸節(jié)。因此,半聯(lián)軸節(jié)與軸配合面承受的軸向力載荷很小,可以忽略不計(jì),即

        其中,F(xiàn)f為配合面軸向摩擦阻力;d 為配合面公稱直徑(計(jì)算時(shí)忽略實(shí)際配合面錐度的影響,按照?qǐng)A柱表面計(jì)算);l 為配合面軸向長(zhǎng)度;P 為配合面徑向壓力;f 為配合面摩擦系數(shù),對(duì)于鋼—鑄鋼來說,液壓裝配時(shí)f=0.125。

        半聯(lián)軸節(jié)在工作時(shí)只要傳遞的是扭矩T,離心式壓縮機(jī)通過聯(lián)軸節(jié)與驅(qū)動(dòng)設(shè)備相連,驅(qū)動(dòng)設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)離心式壓縮機(jī)產(chǎn)生扭矩,使離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),負(fù)荷越大扭矩也就越大。因此,為保證離心式壓縮機(jī)工作的安全性和可靠性,要求在扭矩作用下半聯(lián)軸節(jié)相對(duì)于軸頸表面決不能產(chǎn)生周向滑移。即當(dāng)徑向壓力為P、扭矩為T 的工況下,配合面間所產(chǎn)生的摩擦阻力矩Mf不得小于扭矩T。

        工作時(shí)需要保證Mf≥T,則P≥

        2.2 半聯(lián)軸節(jié)的最小有效過盈量δmin

        為保證半聯(lián)軸節(jié)與軸頸有足夠的配合強(qiáng)度,就需要半聯(lián)軸節(jié)產(chǎn)生一定的彈性變形,通過彈性變形產(chǎn)生的壓力與軸頸抱死,即半聯(lián)軸節(jié)孔的內(nèi)徑要小于軸頸尺寸,產(chǎn)生過盈配合。根據(jù)材料力學(xué)有關(guān)厚壁圓筒的計(jì)算理論,在徑向壓力為P 時(shí),過盈連接傳遞載荷所需的最小過盈量δmin應(yīng)為:

        2.3 過盈配合的強(qiáng)度計(jì)算

        半聯(lián)軸節(jié)過盈配合的強(qiáng)度計(jì)算包括兩個(gè)方面,一是連接的強(qiáng)度,二是連接零件本身的強(qiáng)度。聯(lián)軸節(jié)在設(shè)計(jì)使選用的過盈量往往大于設(shè)計(jì)的最小過盈量,即使按照最小過盈量選擇的過盈配合已能產(chǎn)生所需的徑向壓力,即能保證連接的強(qiáng)度。因?yàn)檩S中心為膨脹油的流通通道,內(nèi)表面直徑非常小、相當(dāng)于無內(nèi)表面,所以這里不涉及被包容件內(nèi)表層的計(jì)算。下面只須討論連接零件本身的強(qiáng)度問題。

        過盈連接零件本身的強(qiáng)度可按照材料力學(xué)中壁厚圓筒強(qiáng)度計(jì)算方法進(jìn)行校核。半聯(lián)軸節(jié)和軸都為塑性材料,失效形式為發(fā)生塑性變形,所以按第三強(qiáng)度理論(σ1-σ3≤σs)檢驗(yàn)其承受最大應(yīng)力的表層是否在彈性變形范圍之內(nèi),則不出現(xiàn)塑性變形。

        半聯(lián)軸節(jié)包裹在軸頸上,為包容件,對(duì)包容件內(nèi)表層使用Mises 屈服失效判據(jù)得:

        其中,σs1、σs2分別為被包容件和包容件材料的屈服極限;K為半聯(lián)軸節(jié)外、內(nèi)表面直徑的比值,K=

        2.4 包容件外徑膨脹量

        當(dāng)半聯(lián)軸節(jié)內(nèi)表面因過盈配合變大,相應(yīng)的變形也會(huì)傳遞到半聯(lián)軸節(jié)的外表面,半聯(lián)軸內(nèi)表面過盈量的大小決定了半聯(lián)軸節(jié)外表面的變形量,而包容件外徑膨脹量的計(jì)算實(shí)際就是計(jì)算材料在拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生的應(yīng)變。包容件外徑膨脹量Δd2=mm。

        3 半聯(lián)軸節(jié)的安裝核算及強(qiáng)度校核

        3.1 安裝校核

        以三菱MCH454 型離心式壓縮機(jī)對(duì)半聯(lián)軸節(jié)安裝進(jìn)行核算。

        由三菱公司提供的資料可知,MCH454 型離心式壓縮機(jī)的功率W 為6666 kW,工作轉(zhuǎn)速n 為9990 r/min;半聯(lián)軸節(jié)長(zhǎng)度l為80 mm,內(nèi)表面直徑d 為90 mm、外表面直徑d2為135 mm。根據(jù)離心式壓縮機(jī)組功率W=,可計(jì)算得出扭矩T:

        將扭矩T=6.37×104N·m 代入P≥可得半聯(lián)軸節(jié)配合面徑向壓力P≥50 MPa,即配合面最小徑向壓力為50 MPa。

        將P=50 MPa 代入包容件外徑膨脹量公式,得到半聯(lián)軸節(jié)外表面最小膨脹量Δdmin=0.054 mm。

        MCH454 型離心式壓縮機(jī)在設(shè)備檢修時(shí)測(cè)得半聯(lián)軸節(jié)回裝時(shí)的膨脹量為0.12 mm;查材料力學(xué)資料,碳鋼的彈性模量約為200 GPa,則可求得回裝后的配合面徑向壓力P0=111 MPa。此時(shí)P0>P 且安全系數(shù)S==2.22,因此完全可以滿足連接的可靠性使用要求。

        檢修時(shí),半聯(lián)軸節(jié)拆裝膨脹油壓設(shè)計(jì)值為147.3~155.7 MPa,約為1.35P0,在此膨脹壓下也可保證回裝后的半聯(lián)軸節(jié)完全可以滿足使用要求。

        3.2 過盈配合強(qiáng)度校核

        校核半聯(lián)軸節(jié)外徑最大膨脹量,需要知道半聯(lián)軸節(jié)材料的屈服強(qiáng)度σs2。通過設(shè)備資料查得半聯(lián)軸節(jié)材料為SNCM439,其屈服強(qiáng)度為835 MPa。將σs=835 MPa 代入Mises 屈服失效判據(jù)式(3),可得Pmax≤267.82 MPa。

        配合面所能承受的徑向壓力最大值Pmax=267.82 MPa,遠(yuǎn)大于現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)的配合面徑向壓力和半聯(lián)軸節(jié)拆裝時(shí)的膨脹油壓。也就是說,在半聯(lián)軸節(jié)拆裝過程中,只要油泵壓力不超過267.82 MPa,半聯(lián)軸節(jié)就不會(huì)發(fā)生塑性變形,也就不會(huì)被損壞。

        半聯(lián)軸安裝時(shí)的推進(jìn)量是根據(jù)半聯(lián)軸在設(shè)計(jì)中選擇的配合過盈量計(jì)算得到的,通常情況下半聯(lián)軸與軸頸的過盈量為軸頸尺寸的0.002 5 倍。以MCH454 型離心式壓縮機(jī)為例,軸頸尺寸為90 mm,則配合過盈量為90×0.002 5=0.225 mm,如果半聯(lián)軸節(jié)與軸頸配合面的錐度為1:20,那么半聯(lián)軸節(jié)在安裝時(shí)所需的推進(jìn)量為20×0.225=4.5 mm。也就是說,半聯(lián)軸節(jié)的推進(jìn)量是根據(jù)其配合所需的過盈量計(jì)算出來的。

        通過上述分析可以看出,半聯(lián)軸節(jié)在設(shè)計(jì)時(shí)完全考慮到連接所需的安全裕度,既能保證在此裝配數(shù)據(jù)下半聯(lián)軸完全滿足使用要求、不發(fā)生松動(dòng),又能保證及時(shí)超過安裝壓力一定值,也不會(huì)造成半聯(lián)軸節(jié)的損壞。但根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢修實(shí)踐,當(dāng)半聯(lián)軸節(jié)壓力升高后,對(duì)拆裝過程中高壓油泵的要求就會(huì)越高,壓力越高則高壓油泵中的密封件(特別是橡膠O 形圈)越容易損壞,半聯(lián)軸節(jié)拆卸的難度也就越大。

        4 總結(jié)

        通過上述核算過程可以發(fā)現(xiàn),半聯(lián)軸節(jié)的抱緊力,即半聯(lián)軸節(jié)與軸的配合面徑向壓力,與推進(jìn)量并無關(guān)系。推進(jìn)量的大小是由配合面的錐度和徑向壓力共同決定的,是為了更好地控制半聯(lián)軸節(jié)安裝時(shí)的膨脹量而給出的一個(gè)安裝參考數(shù)據(jù),現(xiàn)場(chǎng)安裝中不應(yīng)將其作為控制檢修質(zhì)量的決定性數(shù)據(jù)。真正能測(cè)量的、決定半聯(lián)軸節(jié)安裝質(zhì)量的參數(shù)是半聯(lián)軸節(jié)的膨脹量,由膨脹量可以計(jì)算出半聯(lián)軸節(jié)與軸之間配合面的徑向壓力,再根據(jù)機(jī)組的功率、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)就可以判斷出半聯(lián)軸節(jié)的安裝質(zhì)量是否合格。在半聯(lián)軸節(jié)的設(shè)計(jì)、選材時(shí)也充分考慮到安全性,選用的材料為高強(qiáng)度合金鋼,在工作狀態(tài)下半聯(lián)軸節(jié)處在彈性變形范圍內(nèi),且與達(dá)到塑性變形還有很大的安全裕度,不會(huì)發(fā)生塑性變形,而在彈性范圍內(nèi)金屬的應(yīng)力釋放后都會(huì)恢復(fù)到原有的尺寸。從多次的半聯(lián)軸節(jié)拆裝記錄來看,半聯(lián)軸節(jié)拆后的尺寸與回裝前相比未發(fā)生過變化。這也充分說明,采用液壓裝配的離心式壓縮機(jī)半聯(lián)軸節(jié),只要根據(jù)設(shè)計(jì)安裝數(shù)據(jù)進(jìn)行安裝不會(huì)發(fā)生塑性變形的情況。

        在很多離心式壓縮機(jī)組中,半聯(lián)軸節(jié)的安裝位置已經(jīng)超過設(shè)計(jì)值,而且在原有思想的指導(dǎo)下,很多機(jī)組半聯(lián)軸節(jié)安裝時(shí)的推進(jìn)量還在繼續(xù)增大。在這種情況下回裝半聯(lián)軸節(jié)時(shí),不能只比較推進(jìn)量而忽視其他數(shù)據(jù),應(yīng)先按照檢修方案中的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回裝,使推進(jìn)量處于設(shè)計(jì)范圍之內(nèi),然后再測(cè)量膨脹量。如果膨脹量符合或大于設(shè)計(jì)要求,則半聯(lián)軸節(jié)已經(jīng)安裝到位,不需要再增大推進(jìn)量,否則可以再適當(dāng)?shù)卦龃笸七M(jìn)量、使膨脹量符合設(shè)計(jì)要求。

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