離心壓縮機轉(zhuǎn)子防彎曲工藝方法的研究

張 威， 白俊峰， 劉謙祥， 張原平， 李 琳

（沈陽鼓風機集團股份有限公司， 遼寧 沈陽 110869）

引言

轉(zhuǎn)子需要落實合理的穩(wěn)定性，穩(wěn)定性分析由幾個部分組成，主要包括單個葉輪的理論強度分析和轉(zhuǎn)子軸系的動力學理論分析。組裝成轉(zhuǎn)子組件的轉(zhuǎn)子軸系的動力學分析包括模擬轉(zhuǎn)子彎曲臨界轉(zhuǎn)速及運轉(zhuǎn)過程中不平衡響應計算、轉(zhuǎn)子組部運轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)臨界轉(zhuǎn)速的模擬計算、扭振應力參數(shù)分析及主軸和鍵等轉(zhuǎn)子構(gòu)成件的強度計算。

在此過程中，主要參照既定操作流程，填寫項目信息后選擇控制參數(shù)、確定進口流量和進口壓力、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)后應用工況計算參數(shù)來輸出結(jié)果，繪制曲線圖，包括轉(zhuǎn)子一階正進動的對數(shù)衰減量隨轉(zhuǎn)速的變化曲線，如圖1所示；及轉(zhuǎn)子一階正進動復模態(tài)圖，如圖2所示，基于轉(zhuǎn)子總長及跨距配比，推算出計算轉(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)子一階正進動的變化曲線

圖2 轉(zhuǎn)子一階正進動復模態(tài)圖

1 壓縮機轉(zhuǎn)子彎曲因素的分析

1.1 材料選擇對壓縮機轉(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料質(zhì)量，提高組織均勻性，降低殘余應力。

在轉(zhuǎn)子主軸加工制造過程中將會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力處理，經(jīng)過對軸類零件熱處理后的彎曲情況調(diào)研，得知延長熱處理時長對釋放加工應力很有益處，因此在原有基礎上嘗試提高穩(wěn)定化熱處理時間，進一步消除殘余應力，在原有穩(wěn)定處理時間的基礎上增加一倍的時間，轉(zhuǎn)子主軸半精加工后的穩(wěn)定處理曲線[1-2]。

1.2 加工制造對壓縮機轉(zhuǎn)子彎曲的影響

切削參數(shù)對加工質(zhì)量有著決定性的影響，不合理的加工參數(shù)必然帶來加工應力的提升，因此設計合理的加工工藝，控制主軸冷加工過程，防止各序加工不規(guī)范引起的加工應力，降低機加應力的產(chǎn)生，規(guī)范主軸磨削加工操作，其中關(guān)鍵指標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、各軸段對應位置的形位公差、軸頭及對應頂尖孔的錐度研合達到設計要求。

1.3 轉(zhuǎn)子組件裝配方案對壓縮機轉(zhuǎn)子彎曲的影響

壓縮機轉(zhuǎn)子組件一般裝配工藝流程為熱裝及液壓過盈裝配，那么裝配過程中會帶來應力，使轉(zhuǎn)子出現(xiàn)彎曲情況，這就需要設計合理的葉輪裝配工藝，防止裝配過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右端面與輪子的內(nèi)孔端面緊密相連，便是熱脹長度Δ尺寸，如圖3所示。

圖3 葉輪與隔套熱裝收縮間隙示意圖

一個串量Δ，然后轉(zhuǎn)子組件需要逐級裝配，那么再裝葉輪和隔套的過程中還要持續(xù)產(chǎn)生Δ串量，如此累計下來，就無法保證設計理論的軸向尺寸要求，為了避免此類情況，必須控制其在具體的裝配過程中，各級尺寸鏈達到要求的軸向尺寸，那么在轉(zhuǎn)子裝配前就需要把這個理論數(shù)值準確地計算出來，解決裝配過程中的軸向定位問題。

2 壓縮機轉(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?shù)恼{(diào)整，第一次磨削時，應先磨削一段軸徑，主要是為了進行打表檢查，打表值超過0.005 mm時，需重新修頂尖孔。磨削裝輪軸徑，葉輪超轉(zhuǎn)結(jié)束后，內(nèi)孔尺寸符合設計要求，按主軸的設計尺寸磨外徑；否則，按裝配要求尺寸進行配磨。磨削裝葉輪軸徑的過程中，要保證裝軸瓦處打表值不超過0.005 mm。

在標準化主軸磨削工藝過程的同時，還結(jié)合數(shù)控機床性能指標對加工制造參數(shù)進行梳理，形成各階段磨削制造的工藝參數(shù)表單。

完成機械加工后，轉(zhuǎn)子裝配中聯(lián)軸器液壓裝卸的技術(shù)要求十分嚴格，軸頭安裝聯(lián)軸器與主軸之間應設計為錐度過盈配合。并且與聯(lián)軸器孔的接觸面應大于85%以上。錐面的粗超度Ra1.6 μm以上。聯(lián)軸器安裝過程必須按照指定的設計推進量進行軸向推進，以此來確保過盈裝配值。聯(lián)軸器液壓裝卸時，聯(lián)軸器將會受到液壓應力，對應應力不得超過聯(lián)軸器材料彈性變形所允許應力，否則將會破壞聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)及強度，拆裝方案的實施拆裝過程用到的工裝設備如圖4所示。

圖4 液壓拆裝聯(lián)軸器工裝示意圖

3 結(jié)論

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

1）通過對離心壓縮機轉(zhuǎn)子進行穩(wěn)定性分析，確定了影響轉(zhuǎn)子軸系不平衡響應的因素為轉(zhuǎn)子組件彎曲變形，單個葉輪的理論強度和轉(zhuǎn)子軸系進行了動力學理論分析，得到交叉耦合剛度曲線，通過分析可知，優(yōu)化轉(zhuǎn)子重心位置，有效消除軸向應力，可使壓縮機轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。

2）通過分析可知加工應力及焊接應力對轉(zhuǎn)子軸系彎曲影響較大。通過對加工制造參數(shù)的標準化和精細處理，同時優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式，可使壓縮機轉(zhuǎn)子組件滿足實際工作要求。

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