關于重型壓力離心機外轉鼓加工技術的研究

張中鼎 王瑞

北京工商大學材料與機械工程學院（郵編 100048） 遼陽職業技術學院（郵編 111004）

關于重型壓力離心機外轉鼓加工技術的研究

張中鼎 王瑞

北京工商大學材料與機械工程學院（郵編 100048） 遼陽職業技術學院（郵編 111004）

為重心壓力離心機外轉鼓及其轉子頭設計了專用夾具，提出了特殊加工制造技術及加工工藝方法，不僅有效地提高了零件機械性能，而且為后續的金屬切削和動平衡奠定了基礎，為重型壓力離心機設計制造提供了參考。

重型壓力離心機；外轉鼓力；加工技術

重型壓力離心機主要由驅動系統、轉子、承壓殼體、差速裝置、機架及控制保障系統等構成[1]。轉子是離心機的最核心部件，由外轉鼓、內轉子、轉子頭及內部軸承箱等組成。

合理設計離心機轉子不僅能保證離心機正常、安全地運行，而且使離心機有理想的生產能力、工作壽命。在現代數學、力學理論的基礎上，借助計算機來獲得滿足工程要求的數值解，是合理設計的重要步驟。目前在工程技術領域內常用的數值解方法有：有限單元法、邊界元法、離散單元法和有限差分法等。但就實用性和應用的廣泛性而言，主要還是有限單元法。有限單元法的基本思想是：將問題求解的連續性領域劃分為一系列單元，單元之間僅靠節點連接。單元內部的待求量可由單元節點量通過選定的函數關系插值求得；由于單元形狀簡單，易于由平衡關系或能量關系建立節點量之間方程式，然后將各個單元方程“組集”在一起而形成總體代數方程組，計入邊界條件后即可對方程組求解。單元劃分越細，計算結果就越精確。有限單元法的應用已由彈性力學平面問題擴展到空間問題、板殼問題，由靜力平衡問題擴展到穩定性問題、動力學問題和波動問題，分析的對象從彈性材料擴展到塑性、粘性、粘塑性和復合材料等，從固體力學擴展到流體力學、傳熱學、電磁學領域。國際上較大型的面向工程的通用有限元程序達到幾百種，其中著名的有：ANSYS，Nastran，Aska等。它們的功能越來越完善，不僅包含多種條件的有限元分析程序而且帶有功能強大的前處理和后處理程序。由于通用有限元程序使用方便、計算精確高，其計算結果已成為各類工業產品設計和性能分析的可靠依據。本文針對中國石油遼陽石化分公司聚脂廠PTA裝置中重型離心機轉子外轉股，設計了專用夾具，提出了特殊加工技術。實踐證明，在保證強度、剛度等生產要求條件下，轉鼓在機械效率和壽命方面均有很大程度的提高。

1 外轉鼓加工技術

外轉鼓是重型壓力離心機的主要部件，轉鼓的結構形狀和技術參數在很大程度上體現了離心機的特點和使用效果。本機選用柱-錐形外轉鼓，轉鼓材料為304L(00Cr18Ni9)不銹鋼[2]。轉鼓工作轉速為900r/min，離心機的額定功率為：N=260kW。

JB4732-95《鋼制壓力容器—分析設計標準》是一種壓力容器設計規范,它是基于詳細的應力計算和應力分類,并采用更為合理的許用應力值。本文采用有限元法對重型壓力離心機外轉鼓結構進行應力分析，并依據JB4732-95《鋼制壓力容器—分析設計標準》[3]進行強度校核。

為保證離心機轉鼓和螺旋卸料器的運動精度，加工過程中必須嚴格控制外轉鼓組件的尺寸精度和同軸度、垂直度等形位公差。由于轉鼓水平段和錐段在車削加工過程中必須進行翻轉才能完成全部加工過程。用常規的卡盤爪裝卡方式，由于裝卡應力的影響，無法保證工件的圓柱度和兩端面的同軸度和平行度。為了解決這一難題，在工件精加工時，先將一端加工到規定的尺寸和精度，在立車卡盤上裝卡一塊有足夠剛度的鋼板，根據加工好的工件一端的法蘭口，加工出裝卡胎具，這個在車床上加工出的裝卡胎具和車床有著非常理想的形位公差。再將一端加工好的工件坐放到裝卡胎具上，用壓板壓牢，這樣就保證了工件裝卡端與車床間的形位公差。然后在相對較小的切削力下完成其余的加工。實踐證明，用這樣的裝卡方式可以在通用的車床上加工出兩端有較高形位公差要求的工件。直段和錐段轉鼓就采用這種方法，滿足設計和使

用要求。

其次是轉鼓半軸的加工。由于奧氏體不銹鋼材料的硬度相對較小，用它做軸類零件特別是經常裝拆的軸類零件時，其配合表面極易劃傷和磨損。因此必須對半軸上與軸承和密封配合的表面進行強化處理，選用在軸的表面進行超音速鎳合金噴焊。強化后在經改造的軋輥磨床上進行精加工，保證了配合表面的幾何精度，增加了表面耐磨性。這樣既保證了半軸的精度又保證了半軸的耐拆裝能力。

2 供料端轉子頭鑄造工藝研究

離心機供料端轉子頭毛坯一般采用鑄鋼制造。在工作時圓盤根部是應力集中區域，應力最大，制造過程中要求此部位組織致密，沒有缺陷。鑄造過程中，圓盤根部是相對較大的熱節，且補縮通道過長，如何解決縮孔和縮松等鑄造缺陷，則成為鑄造轉子頭能否成功的關鍵。

為解決上述問題，本文在離心機轉子頭鑄造過程中采取措施如下：

(1)從鑄造工藝的角度考慮，鑄件選擇圓盤水平的造型方位，在圓盤上加設暗冒口，以縮短補縮距離，同時在中軸底部設置冷鐵，使鑄件從下向上順序凝固，從而解決了圓盤根部的補縮問題；

(2)合理布置澆鑄通道，由下部及圓盤處開通兩個澆口，使金屬液快速沖型；

(3)合理選擇澆鑄溫度，因304L不銹鋼液體的流動性比較差，選擇適當提高澆鑄溫度；

(4)在鑄型上刷涂耐高溫涂料，合理安排排氣通道，保證因提高澆鑄溫度而導致的大量氣體能順暢地排出型外，避免產生氣孔。

綜合考慮以上因素，確定了轉子頭的鑄造工藝簡圖，如圖1所示。

圖1 供料端轉子頭鑄造工藝簡圖

圖2 供料端轉子頭加工樣件

采用以上的鑄造工藝，毛坯鑄造成功后，須進行探傷檢查，不得有影響質量的裂紋、夾層、疏松、氣孔等缺陷，且不允許修補。探傷合格后，對轉子頭毛坯進行固溶熱處理，以細化晶粒，從而改善材料的綜合性能，制造完成后的工件如圖2所示。

影響重型壓力離心機分離效果的因素很多，且各因素間彼此相互影響，實際工況是多因素綜合作用的結果，離心機的設計是多指標優化的過程。本文針對重型壓力離心機主要部件外轉鼓及轉子頭，設計了專用夾具，提出了特殊加工制造技術及加工工藝方法，不僅有效地提高了零件機械性能，而且為后續的金屬切削和動平衡奠定了基礎，為重型壓力離心機設計制造提供了參考。

[1]中華人民共和國機械行業標準JB/T 502-1991.螺旋卸料沉降離心機型式與基本參數[M].北京:中國標準出版社,2003.

[2]李服明.螺旋卸料沉降式離心機的螺旋展開計算研究[J]，過濾與分離,2006,(8).

[3]化學工業部設備設計技術中心站、全國壓力容器標準化技術委員會.化工設備標準手冊第三卷-金屬化工設備第二冊(設計標準)[M].北京：化學工業出版社,1987.

(責任編輯：文婷)

TP306.3

A

1003-3319(2016)04-00025-02

10.19469/j.cnki.1003-3319.2014.04.0025