離心葉輪立式裝配專用工裝的研究

徐養(yǎng)卓+趙興環(huán)+蔣傳杰+劉海波

摘要：離心葉輪裝配通常采用立式裝配：葉輪在電爐加熱后，水平放置到裝配平臺(tái)上，主軸吊起后豎直插入葉輪。但一些空分類壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子，由于其特殊的結(jié)構(gòu)，不允許被垂直吊離地面。本文設(shè)計(jì)發(fā)明了一種專用工裝，以解決這類壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的離心葉輪裝配問題。

關(guān)鍵詞：葉輪 裝配 專用工裝

【分類號(hào)】：TG661

0.引言

葉輪是離心式壓縮機(jī)等通用機(jī)械設(shè)備的核心部件，通常采用熱裝的方式與主軸過盈配合，共同組成轉(zhuǎn)子，是風(fēng)機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。因此葉輪裝配是整個(gè)壓縮機(jī)制造過程中的重點(diǎn)也是難點(diǎn)，直接決定整個(gè)產(chǎn)品能否成功制造。葉輪裝配通常采用立裝。有兩種實(shí)施方案：1）葉輪在電爐加熱后，水平放置到裝配平臺(tái)上，將主軸吊起后豎直插入葉輪。這種方案適用于重量較輕、尺寸較小的轉(zhuǎn)子類型。2）將主軸通過定位夾具等專用工具固定到豎井中，葉輪在電爐加熱后，將葉輪吊起豎直裝入主軸。這種方案適用于重量較大、尺寸較大的轉(zhuǎn)子類型。某空分裝置類壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子主軸由三段組成，通過螺栓連接，總長7620mm，重26.5t。為了避免拉伸螺栓承受過大的靜載荷，設(shè)計(jì)明確提出在裝配過程中不允許將主軸豎直吊離地面。因此原有的裝配方案不能滿足要求。目前國內(nèi)還沒有用于這類壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的裝配方案。在國外，日本三菱有用于燃?xì)廨啓C(jī)輪盤式轉(zhuǎn)子的裝配方案：相同的是，無需將整個(gè)轉(zhuǎn)子吊離地面。不同的是其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)由各級(jí)輪盤組成，而不是離心葉輪與主軸熱裝過盈配合。

1.裝配原理與工裝結(jié)構(gòu)

利用力矩平衡原理，將主軸樹立并固定，吊裝葉輪。如圖所示。在轉(zhuǎn)子非驅(qū)動(dòng)側(cè)找一支撐點(diǎn)，在驅(qū)動(dòng)側(cè)作用一起吊力矩，使整個(gè)轉(zhuǎn)子繞非驅(qū)動(dòng)側(cè)支撐點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，從而使轉(zhuǎn)子豎立。可以保證在此過程中，轉(zhuǎn)子不受拉應(yīng)力。

設(shè)計(jì)用于離心葉輪立式裝配的專用工裝：由三部分組成：支撐旋轉(zhuǎn)裝置，起吊裝置，以及固定調(diào)節(jié)裝置。支撐底座及旋轉(zhuǎn)裝置安裝在轉(zhuǎn)子非驅(qū)動(dòng)側(cè)，使得轉(zhuǎn)子主軸繞其旋轉(zhuǎn)至豎立狀態(tài)；吊裝夾具安裝在轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)側(cè)；主軸豎直后，通過拉桿裝置與固定支架連接。固定支架具有足夠的強(qiáng)度和剛性以固定整個(gè)轉(zhuǎn)子。拉桿裝置調(diào)平主軸后固定。葉輪加熱后，吊起裝入主軸。

2.實(shí)施方案

1）支撐旋轉(zhuǎn)裝置：由支撐底座、旋轉(zhuǎn)套、旋轉(zhuǎn)軸以及軸瓦組成。

軸瓦安裝在推力軸承位置處，軸瓦由兩半組成，中分面有間隙。通過螺栓連接，使其抱緊主軸，與主軸過盈配合。旋轉(zhuǎn)套裝在其外側(cè)，旋轉(zhuǎn)套同樣由兩半組成，與軸瓦過盈配合。旋轉(zhuǎn)軸穿過旋轉(zhuǎn)套，安裝在底座軸承上。底座用T型槽螺栓安裝到地軌。旋轉(zhuǎn)套繞芯軸旋轉(zhuǎn)，從而使轉(zhuǎn)子從水平狀態(tài)旋轉(zhuǎn)到豎直狀態(tài)。在豎直狀態(tài)時(shí)，旋轉(zhuǎn)套與旋轉(zhuǎn)軸承受轉(zhuǎn)子的所有重量。旋轉(zhuǎn)軸（材料45#，屈服強(qiáng)度355MPa）受到的剪切應(yīng)力為ζ：

ζ=F/A

ζ=353000/0.0314

ζ=11.24MPa

利用ANSYS對(duì)旋轉(zhuǎn)套進(jìn)行強(qiáng)度分析，旋轉(zhuǎn)套的最大應(yīng)力為3.9MPa，旋轉(zhuǎn)套采用16MN焊接而成，16MN的屈服強(qiáng)度為343MPa。所以旋轉(zhuǎn)軸與旋轉(zhuǎn)套的強(qiáng)度足夠承受轉(zhuǎn)子的全部重量。

2）起吊裝置安裝在轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)側(cè)。由吊裝夾具、保護(hù)套、壓板組成

保護(hù)套熱裝到主軸軸頭，與主軸過盈配合。吊裝夾具裝在保護(hù)套軸肩內(nèi)側(cè)，由上下兩半組成，通過弓形模鍛卸扣與吊車連接。壓板通過軸頭鉆孔把在軸端，用來壓緊保護(hù)套，防止保護(hù)套因受到?jīng)_擊載荷而脫出。

保護(hù)套熱裝到主軸軸頭。過盈量太小，不足以承受轉(zhuǎn)子重量，會(huì)造成保護(hù)套脫出；過盈量過大，主軸軸頭會(huì)產(chǎn)生塑性變形。經(jīng)計(jì)算過盈量的范圍：0.2385mm—0.4564mm。取保護(hù)套與主軸軸頭過盈0.4mm。

壓板通過8-M20內(nèi)六角頭螺釘把合到軸頭上，以壓緊保護(hù)套，防止保護(hù)套因沖擊載荷等因素意外脫出。經(jīng)計(jì)算：即使保護(hù)套已脫出，壓板承受全部轉(zhuǎn)子重量，壓板產(chǎn)生的剪切應(yīng)力為18.4MPa，擠壓應(yīng)力為14.85MPa，均小于其材質(zhì)45#屈服極限355MPa。螺釘受到的正應(yīng)力140.45MPa，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于性能等級(jí)8.8的螺釘?shù)那O限640MPa。通過查閱設(shè)計(jì)手冊(cè)，單個(gè)螺釘?shù)某休d力為201062N，8個(gè)螺釘?shù)某休d力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)子自重。

3）調(diào)平固定：主軸豎立后，吊車不撤，使用固定架將主軸固定。此工裝支架規(guī)格：長寬均5000mm，高8500mm，由三層組成。轉(zhuǎn)子主軸通過兩層8個(gè)拉桿裝置與固定架相連。完全調(diào)平的主軸無偏心，拉桿不受力。

性能等級(jí)5.6的規(guī)格為M30的螺桿可以承受的極限拉應(yīng)力為：

轉(zhuǎn)子允許的最大偏心θ=5°

可以計(jì)算得F=25242N，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于螺桿可以承受的極限拉應(yīng)力。而且僅僅是只有一個(gè)拉桿作用的前提下。因此采用拉桿裝置固定主軸是非常安全可靠的。

3.結(jié)論

本文設(shè)計(jì)發(fā)明了一種專用工裝，解決了大型轉(zhuǎn)子類組部件的立式裝配問題：利用力矩平衡原理，可以很好地解決大型主軸類組部件的吊裝、樹立以及固定問題；利用合理的過盈配合，可以很好地傳遞扭矩，承載靜載荷以及一定的沖擊載荷；利用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行理論分析：合理結(jié)構(gòu)和尺寸的軸類零件、簡支梁類零件均可以承受較大的剪應(yīng)力。從而給出了一種解決方案，可廣泛用于大型組裝類組部件的立式裝配。