離心壓縮機(jī)葉輪主動再制造設(shè)計和時機(jī)調(diào)控方法

宋守許 卜 建 柯慶鏑

合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，合肥，230009

離心壓縮機(jī)葉輪主動再制造設(shè)計和時機(jī)調(diào)控方法

宋守許 卜 建 柯慶鏑

合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，合肥，230009

針對目前再制造中零部件經(jīng)常出現(xiàn)的“滯后再制造”或“提前再制造”問題，提出了離心壓縮機(jī)葉輪主動再制造設(shè)計和時機(jī)調(diào)控方法。選取關(guān)鍵零部件特征結(jié)構(gòu)，結(jié)合疲勞壽命理論和葉輪設(shè)計基礎(chǔ)，建立結(jié)構(gòu)與服役性能的映射模型，實現(xiàn)關(guān)鍵零部件的主動再制造設(shè)計。通過優(yōu)化特征結(jié)構(gòu)參數(shù)，改變零部件服役壽命和再制造臨界點，并與產(chǎn)品綜合性能劣化拐點相匹配，完成零部件主動再制造時機(jī)調(diào)控。以PCL8L型葉輪為例，基于構(gòu)建的葉輪特征結(jié)構(gòu)(出口安放角、入口安放角和后緣厚度)與壽命之間的量化關(guān)系模型，在當(dāng)前定期維護(hù)需求下，通過理論計算和仿真分析，驗證了主動再制造設(shè)計和時機(jī)調(diào)控方法的可行性。

主動再制造；離心壓縮機(jī)；特征結(jié)構(gòu)；時機(jī)調(diào)控

0 引言

離心壓縮機(jī)是技術(shù)密集典型化的機(jī)電產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力和能源等國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)，隨著國家可持續(xù)發(fā)展重大戰(zhàn)略的推進(jìn)，離心壓縮機(jī)的再制造研究也愈發(fā)重要。而葉輪又是離心壓縮機(jī)等大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的主要承力和做功部件，其性能直接影響整個壓縮機(jī)組運行的安全性和可靠性[1]。由于葉輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜、服役狀態(tài)參差不一，故離心壓縮機(jī)葉輪的再制造設(shè)計具有挑戰(zhàn)性。國內(nèi)已經(jīng)有許多學(xué)者對葉輪再制造進(jìn)行了研究，張洪潮等[2]通過模擬壓縮機(jī)葉輪在通電瞬間的電流密度、溫度場和應(yīng)力場的分布，提出了阻止葉輪疲勞裂紋擴(kuò)展的方法；舒林森等[3]針對再制造葉輪結(jié)構(gòu)特征的三維建模問題，提出了葉輪結(jié)構(gòu)特征重構(gòu)方法，構(gòu)建了再制造葉輪零部件服役壽命預(yù)測模型；許磊等[4]為了提高離心壓縮機(jī)再制造葉輪仿真實驗的仿真精度與求解效率，提出了一種基于拓?fù)涞脑僦圃烊~輪六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方法；劉慧楊[5]通過模擬不同工況下的葉輪，采集力學(xué)狀態(tài)數(shù)據(jù)，分析了葉輪的工作轉(zhuǎn)速和過盈量對其接觸壓力分布的影響規(guī)律；趙彥華等[6]提出一種使用FeCr合金粉料并通過激光熔覆技術(shù)在預(yù)置缺陷的KMN鋼基體上制得修復(fù)層的方法；王浩等[7]對受損葉輪原始三維點云進(jìn)行濾波和精簡，重建了葉輪葉片的再制造目標(biāo)模型。上述研究主要集中在再制造葉輪壽命預(yù)測模型的建立、網(wǎng)格劃分和損傷修復(fù)方法等方面，總體仍存在以下問題：①對葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計和服役性能的關(guān)系研究較少，亦未見將壽命預(yù)測模型用于葉輪的結(jié)構(gòu)反饋優(yōu)化設(shè)計；②傳統(tǒng)的葉輪優(yōu)化設(shè)計主要以性能為目標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，兼及結(jié)構(gòu)改變對葉輪壽命的影響，很少對葉輪壽命進(jìn)行定量控制，從而導(dǎo)致葉輪的再制造時機(jī)出現(xiàn)提前或滯后現(xiàn)象，產(chǎn)生很大的資源浪費。

針對傳統(tǒng)再制造模式所存在的問題，國內(nèi)學(xué)者提出了主動再制造的理念。文獻(xiàn)[8]探討了主動再制造時間區(qū)域上限和下限的預(yù)判方法，為主動再制造時機(jī)點的選擇提供了理論依據(jù)；文獻(xiàn)[9]針對目前缺乏再制造可行性強(qiáng)度指標(biāo)以及再制造設(shè)計反饋機(jī)制的不完善現(xiàn)象，提出強(qiáng)度冗余的概念，實現(xiàn)了基于強(qiáng)度冗余的零部件的主動再制造優(yōu)化設(shè)計；文獻(xiàn)[10]針對再制造毛坯中零件壽命的不確定因素，提出了零部件壽命匹配模式，建立了零部件設(shè)計信息與服役映射模型；文獻(xiàn)[11]分析了額定轉(zhuǎn)速下同尺寸非晶定子鐵心替換對再制造電機(jī)空載、負(fù)載性能的影響，并對再制造電機(jī)中非晶合金定子鐵心槽型尺寸及繞組結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。但是關(guān)于離心壓縮機(jī)葉輪的主動再制造設(shè)計的研究非常少。

本文以離心壓縮機(jī)葉輪為例，基于主動再制造模式的理念，通過分析葉輪特征結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對其服役性能的影響，研究葉片特征結(jié)構(gòu)(出口安放角、入口安放角和后緣厚度)與葉輪服役疲勞壽命之間的關(guān)系，運用CREO軟件構(gòu)建葉輪三維模型，結(jié)合ANSYS軟件進(jìn)行仿真驗證，通過調(diào)整葉輪設(shè)計參數(shù)，確定較優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合值，使葉輪主動再制造時間點處于定期維護(hù)時域中，從而實現(xiàn)離心壓縮機(jī)葉輪的主動再制造設(shè)計和時機(jī)調(diào)控。

1 葉輪主動再制造設(shè)計

與傳統(tǒng)再制造相比，主動再制造[12]具有主動性、時機(jī)最佳性、關(guān)鍵件優(yōu)先性和可批量性等顯著特征，而且產(chǎn)品在服役過程中存在一個可以進(jìn)行再制造的使用時間區(qū)域，在此區(qū)域之前，產(chǎn)品不需要進(jìn)行再制造；在此區(qū)域之后，在當(dāng)前技術(shù)條件下，產(chǎn)品喪失再制造價值，這個時間區(qū)域為再制造時域，如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品主動再制造時域Fig.1 Product predecisional remanufacturing time domain

圖1中產(chǎn)品性能退化拐點(IP)與性能退化閾值點(TP)分別對應(yīng)時間點TIP與TTP，產(chǎn)品的再制造時域R=[TIP,TTP]。產(chǎn)品處于再制造時域內(nèi)時，適合再制造。當(dāng)產(chǎn)品處于性能退化拐點附近區(qū)間2ΔT時，進(jìn)行再制造，其經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境性、技術(shù)性最佳，對應(yīng)的時間區(qū)域(RP=[TIP-ΔT,TIP+ΔT])即主動再制造時域。

拐點的產(chǎn)品性能為PIP，閾值的產(chǎn)品性能為PTP，從TIP-ΔT點開始，產(chǎn)品的各項性能指標(biāo)會隨著使用時間的延長而急劇劣化，如果PU對應(yīng)TIP-ΔT時刻的產(chǎn)品性能(包括產(chǎn)品服役能耗、使用及再制造成本等)，PD對應(yīng)TIP+ΔT時刻產(chǎn)品性能(包括產(chǎn)品服役能耗、使用及再制造成本等)，則有TIP-ΔT

根據(jù)離心式壓縮機(jī)設(shè)計手冊[1]，壓縮機(jī)在服役過程中，葉輪等核心部件因為疲勞損傷導(dǎo)致性能下降，造成整機(jī)運行狀態(tài)不安全，為避免產(chǎn)生嚴(yán)重后果，離心壓縮機(jī)會在使用N年后進(jìn)行一次停機(jī)維護(hù)。此時刻對壓縮機(jī)葉輪進(jìn)行再制造，又往往會因為葉輪的性能退化拐點并不是停機(jī)維護(hù)的時間點，遠(yuǎn)離主動再制造時域，導(dǎo)致葉輪因為過度使用而產(chǎn)生滯后再制造，或性能退化指標(biāo)還沒有達(dá)到再制造臨界點而出現(xiàn)提前再制造。由此，針對葉輪的主動再制造設(shè)計，如果使葉輪的再制造臨界點Tcr能夠落在主動再制造時間區(qū)域[TIP-ΔT,TIP+ΔT]內(nèi)，不僅可以省略檢測判斷葉輪能否再制造的步驟，直接對葉輪進(jìn)行主動再制造，而且避免了葉輪的提前或滯后再制造，即N≈TIP，且00)。葉輪是壓縮機(jī)服役過程中易導(dǎo)致壓縮機(jī)功能失效的薄弱部分，葉輪的服役時間決定了壓縮機(jī)的服役時間，同時為了減少壓縮機(jī)拆卸裝配的次數(shù)，在滿足性能要求的前提下，須對關(guān)鍵零部件——葉輪進(jìn)行以服役壽命為目標(biāo)的設(shè)計。

在主動再制造設(shè)計中，再制造時機(jī)的選擇與零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)聯(lián)，因為設(shè)計參數(shù)改變，零件的應(yīng)力分布、彎曲強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度等也會隨之變化，進(jìn)而影響服役壽命。零件服役壽命和結(jié)構(gòu)之間存在著映射關(guān)系，而且產(chǎn)品的服役時間主要取決于零部件的磨損和疲勞。對于離心壓縮機(jī)，葉輪的疲勞損傷是主要因素[13]，所以當(dāng)進(jìn)行壓縮機(jī)葉輪主動再制造設(shè)計時，需要確定葉輪結(jié)構(gòu)與疲勞壽命之間的關(guān)系。葉輪主動再制造設(shè)計和時機(jī)調(diào)控的主要過程(圖2)如下：①根據(jù)設(shè)計手冊、行業(yè)規(guī)范、統(tǒng)計分析、失效評估、客戶需求等確定初始設(shè)計方案下壓縮機(jī)綜合性能退化拐點TIP；②選取葉輪特征結(jié)構(gòu)，通過理論分析和仿真實驗相結(jié)合的方法建立特征結(jié)構(gòu)-壽命映射模型，確定葉輪再制造臨界點Tcr，完成主動再制造設(shè)計；③匹配葉輪再制造臨界點和壓縮機(jī)主動再制造時機(jī)點，判斷該葉輪再制造問題屬于提前或者滯后再制造問題,并基于特征結(jié)構(gòu)-壽命映射模型，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，調(diào)控葉輪再制造臨界點，使葉輪再制造臨界點Tcr趨向壓縮機(jī)主動再制造理想時間點TIP，從而完成葉輪再制造時機(jī)調(diào)控；④對調(diào)控后的葉輪優(yōu)化設(shè)計方案進(jìn)行效率分析，確定葉輪性能變化。

圖2 葉輪主動再制造設(shè)計和時機(jī)調(diào)控過程Fig.2 Design and Timing control process for impeller Predecissional Remanufacturing

2 葉輪特征結(jié)構(gòu)-壽命映射模型的確定

對于機(jī)械零件，零部件的再制造可行性是與設(shè)計參數(shù)、失效形式和服役特性相互關(guān)聯(lián)的，需要選取關(guān)鍵結(jié)構(gòu)來進(jìn)行分析，為此引入特征結(jié)構(gòu)的概念[9]，將零件中承擔(dān)特定功能或作用的結(jié)構(gòu)定義為特征結(jié)構(gòu)，而將其他結(jié)構(gòu)規(guī)劃為一般的輔助結(jié)構(gòu)。輔助結(jié)構(gòu)的設(shè)計只要滿足功能要求即可，特征結(jié)構(gòu)則對應(yīng)于再制造，是需要重點進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化的結(jié)構(gòu)。離心壓縮機(jī)葉輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)通常有：轉(zhuǎn)速n，葉片出入口安放角βb2、βb1，葉片數(shù)Z，葉片出口相對寬度b2/D2(葉片出口寬度b2、葉輪出口直徑D2)，葉片后緣厚度δ，輪轂直徑dh，葉片寬度b，葉輪入口直徑D1，葉道寬度a等，結(jié)構(gòu)參數(shù)標(biāo)記如圖3所示。

圖3 葉輪結(jié)構(gòu)平面簡圖Fig.3 Impeller structure plane diagram

由于離心力和氣動力在葉輪葉片根部最易產(chǎn)生疲勞斷裂，故葉片的疲勞破壞是葉輪失效的主要形式[13]。根據(jù)離心式葉輪設(shè)計理論，壓縮機(jī)葉輪通常采用圓柱形葉片[14]，在設(shè)計時，是通過先確定葉輪入口安放角βb1和出口安放角βb2，再繪制型線，從而得到圓弧形葉片每一處葉片安放角。本文以某壓縮機(jī)企業(yè)PCL8L型葉輪為研究對象，該葉輪是閉式后彎葉片葉輪，即葉片彎曲方向與葉輪旋轉(zhuǎn)方向相反，葉片前緣和后緣呈橢圓形狀。由于氣體從后緣流出通道面積擴(kuò)大，在葉片尾部形成尾跡，會帶來損失，葉輪尾緣的厚度改變會對壓縮機(jī)的壓比、氣動性能及效率造成影響[13]。

綜上所述，本文選擇葉輪的入口安放角、出口安放角及葉片后緣厚度作為葉輪的特征結(jié)構(gòu)來進(jìn)行葉輪的主動再制造設(shè)計。

根據(jù)結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計基本理論，對于平均應(yīng)力為σm的非對稱疲勞應(yīng)力，疲勞壽命估計方程的Basquin修正方程為[15]

(1)

對于離心壓縮機(jī)后彎型圓弧葉片，其質(zhì)點處的彎曲應(yīng)力[17]

(2)

式中，ρ為葉輪材料密度；ω為角速度；β為葉片質(zhì)點處的安放角；葉輪入口半徑R1=0.174 m，葉輪出口半徑R2=0.360 m，葉輪圓弧所對應(yīng)的中心角α=0.172 75π，葉片平均寬度b=0.0539 m，葉片質(zhì)心到葉輪中心距離Rc=0.2538 m。

根據(jù)D’Alembert原理，在動平衡狀態(tài)下，離心力可以看作一個外載荷，可以用質(zhì)點平衡應(yīng)力表示整個單元乃至整個零件的應(yīng)力分布狀況[18-19]，因此，當(dāng)用質(zhì)點處彎曲應(yīng)力σ來表示平均應(yīng)力σm時，假設(shè)σm=kσ，k為表征零件不同結(jié)構(gòu)的系數(shù)，并把式(2)代入式(1)，則可得到基于葉片入口安放角、出口安放角和后緣厚度的特征結(jié)構(gòu)-壽命映射模型：

(3)

3 特征結(jié)構(gòu)-壽命映射模型仿真分析

根據(jù)確定的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行離心壓縮機(jī)的仿真分析。本文以某企業(yè)PCL8L型葉輪為研究對象，葉輪材料采用馬氏體不銹鋼FV520B -I，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，密度為7860 kg/m3，葉輪葉片數(shù)為15，工作轉(zhuǎn)速為8500 r/min，工作介質(zhì)為理想氣體，質(zhì)量流量qm為10.5 kg/s，進(jìn)口壓力為0.8 MPa，進(jìn)口溫度為20 ℃，出口壓力為13 MPa，總壓比約16。取葉輪初始設(shè)計參數(shù)入口角βb1=24.38°，出口角βb2=38.17°，葉片后緣厚度δ=7 mm，葉輪入口直徑D=348 mm，葉輪出口直徑D2=720 mm，葉片出口寬度b2=37.44 mm，根據(jù)文獻(xiàn)[14]，本文中離心壓縮機(jī)葉輪為后向葉輪，入口安放角的取值范圍為21.9830°<βb1<27.1573°，出口安放角的取值范圍為35.7730°<βb2<40.9473°。應(yīng)用CREO3.0軟件建立葉輪模型和9種不同葉片后緣厚度(5.0 mm、5.5 mm、6.0 mm、6.5 mm、7.0 mm、7.5 mm、8.0 mm、8.5 mm、9.0 mm)的葉片模型，如圖4、圖5所示。同時調(diào)整葉片入口安放角為22.00°、23.25°、24.38°、25.75°、27.00°，出口安放角為36.00°、37.23°、38.17°、39.68°、40.90°，運用ANSYS進(jìn)行仿真分析，根據(jù)單一特征結(jié)構(gòu)的變化數(shù)量，進(jìn)行19組實驗，結(jié)果見表1，葉片出口安放角、入口安放角和后緣厚度的單一特征結(jié)構(gòu)與葉輪壽命(循環(huán)次數(shù))之間的關(guān)系曲線如圖6～圖8所示。

圖4 葉輪模型Fig.4 Impeller model

圖5 不同后緣厚度葉片模型Fig.5 Leaf model with different trailing edge thickness

實驗序號后緣厚度δ(mm)入口角βb1(°)出口角βb2(°)最大應(yīng)力σmax(MPa)最小應(yīng)力σmin(MPa)仿真壽命(循環(huán)次數(shù))Nf15.024.3838.17523.71162.469.66×10525.524.3838.17538.52166.841.04×10636.024.3838.17560.84179.021.07×10646.524.3838.17551.26178.731.03×10657.024.3838.17565.19185.231.02×10667.524.3838.17566.25189.251.13×10678.024.3838.17572.33194.371.11×10688.524.3838.17560.49184.289.88×10599.024.3838.17530.25163.029.76×105107.022.0038.17617.32141.967.77×105117.023.2538.17600.01143.789.22×105127.024.3838.17565.19185.231.02×106137.025.7538.17647.95153.621.43×106147.027.0038.17581.42149.971.35×106157.024.3836.00696.39157.221.71×106167.024.3837.23639.98151.671.55×106177.024.3838.17565.19185.231.02×106187.024.3839.68603.16146.889.34×105197.024.3840.90608.34148.288.16×105

圖6 葉片入口角和葉輪壽命之間的關(guān)系Fig.6 Relationship between leaf inlet angle and impeller life

根據(jù)仿真結(jié)果，在其他變量一定時，葉輪壽命在規(guī)定的入口角范圍內(nèi)，壽命與入口角呈增函數(shù)關(guān)系；在規(guī)定的出口角范圍內(nèi)，壽命與出口角呈減函數(shù)關(guān)系；在規(guī)定后緣厚度范圍內(nèi)，壽命呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢。

圖7 葉片出口角和葉輪壽命之間的關(guān)系Fig.7 Relationship between leaf outlet angle and impeller life

圖8 葉片后緣厚度和葉輪壽命之間的關(guān)系Fig.8 Relationship between leaf trailing edge thickness and impeller life

在葉輪單一特征結(jié)構(gòu)與壽命關(guān)系的基礎(chǔ)上，分別取葉輪的入口角βb1為22.00°、23.25°、24.38°、25.75°、27.00°，出口角βb2為36.00°、37.23°、38.17°、39.68°、40.90°，葉片后緣厚度δ為5 mm、6 mm、7 mm、8 mm、9 mm進(jìn)行正交試驗，選擇L25(56)正交表來進(jìn)行仿真分析，結(jié)果見表2。同時通過MATLAB軟件建立后緣厚度分別為5 mm、6 mm、7 mm、8 mm、9 mm時入口角、出口角和壽命關(guān)系的三維曲面模型，如圖9所示。在進(jìn)行ANSYS軟件進(jìn)行仿真分析的過程中，由仿真得出的最大應(yīng)力σmax和最小應(yīng)力σmin可以計算出應(yīng)力幅σa：

σa=Δσ/2=(σmax-σmin)/2

(4)

平均應(yīng)力可用Goodman方程σa=σ-1(1-σm/σb)計算，其中σb=1030 MPa(σb為葉輪材料的斷裂極限)，σ-1=500 MPa(σ-1為葉輪材料對稱循環(huán)疲勞強(qiáng)度)，則平均應(yīng)力

σm=(1-σa/σ-1)σb=1030(1-σa/500)(MPa)

(5)

將計算出的應(yīng)力幅σa代入式(5)即可求出平均應(yīng)力σm。

表2 特征結(jié)構(gòu)與壽命關(guān)系正交試驗

(a)δ=5 mm

(b)δ=6 mm

(c) δ=7 mm

(d) δ=8 mm

(e) δ=9 mm圖9 出口角、入口角和壽命關(guān)系三維曲面模型Fig.9 3D surface model for inlet angle, outlet angle and life relationship

對特征結(jié)構(gòu)和壽命關(guān)系進(jìn)行量化，采用響應(yīng)曲面法對仿真結(jié)果進(jìn)行最小二乘法擬合，確定二次多項式回歸方程：

(6)

對回歸方程的系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗，特征因素βb1、βb2和δ都對壽命Nf的線性效應(yīng)顯著，δ2對壽命Nf的曲面效應(yīng)最為顯著，βb2δ對壽命Nf的交互影響最為顯著。

分析正交試驗以及三維曲面模型圖的結(jié)果，可以得出：①出口安放角的變化對葉輪壽命的影響最大，其次為入口安放角，后緣厚度的變化對葉輪壽命的影響最小。根據(jù)文獻(xiàn)[14]，因為出口角βb2對壓縮機(jī)葉輪級的能量頭系數(shù)和效率影響最為顯著，βb2越大，能量頭系數(shù)越高，工作效率越低，而且入口角βb1越小，效率越低；另外，當(dāng)葉片后緣厚度增大到合適的數(shù)值時，能顯著地提高葉輪的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，所以上述仿真結(jié)果符合理論分析。②固定葉片后緣厚度δ為5 mm、7 mm和8 mm時，壽命最大區(qū)域集中在βb1>23.25°，βb2<38.17°范圍內(nèi)，后緣厚度δ=6 mm時，壽命隨著出口角和入口角的增大而增大；后緣厚度δ=9 mm時，壽命隨著出口角和入口角的增大呈現(xiàn)凹函數(shù)變化趨勢。

由上述對葉輪特征結(jié)構(gòu)-壽命映射模型的仿真分析可知，當(dāng)選取小出口角、大入口角并增大適當(dāng)?shù)暮缶壓穸葧r，葉輪疲勞壽命增加，從而為主動再制造時機(jī)調(diào)控提供參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方案。

4 葉輪主動再制造時機(jī)調(diào)控

葉輪主動再制造時機(jī)調(diào)控，是在確定壓縮機(jī)主動再制造時間點的情況下，根據(jù)葉輪特征結(jié)構(gòu)-壽命映射模型，優(yōu)化葉輪特征結(jié)構(gòu)出口角、入口角和后緣厚度的設(shè)計參數(shù)值，調(diào)控再制造臨界點，并與壓縮機(jī)主動再制造時機(jī)相匹配的過程。

因為壓縮機(jī)的主動再制造時間點是5年，即1.1130×106次循環(huán)，代入式(3)，借助MATLAB軟件求解，并根據(jù)仿真分析確定每個厚度下的參數(shù)選擇，見表3。

表3 特征結(jié)構(gòu)參數(shù)值選取

根據(jù)式(2)求出每組參數(shù)對應(yīng)的質(zhì)點處彎曲應(yīng)力，又已知平均應(yīng)力，便可確定k值，再根據(jù)式(3)求出每組參數(shù)對應(yīng)的計算壽命，選取與仿真壽命接近的一組，即βb1=25.75°、βb2=36°、δ=8 mm，此時葉輪循環(huán)次數(shù)為1.1575×106，壽命為Tcr2=5.19 a，滿足Tcr2>N>TIP-ΔT，符合主動再制造設(shè)計要求。

調(diào)控葉輪再制造時機(jī)Tcr2=5.19 a后，須驗證葉輪性能的變化。根據(jù)文獻(xiàn)[14]，流動損失占能量損失的絕大部分，對流體機(jī)械的工作效率起決定性的作用。針對本文的閉式后彎型葉輪，采用損失系數(shù)計算法確定葉輪效率變化。葉輪內(nèi)總的流動損失

ΔPimp=ΔPr+ΔPb+ΔPdif=

(7)

式中，ΔPr為軸向變徑向的流動損失；ΔPb為葉道內(nèi)的損失；Pdif為葉道內(nèi)的擴(kuò)散損失；ζr為彎道損失系數(shù)；ζb為葉道內(nèi)的損失系數(shù)；ζdif為葉道內(nèi)的擴(kuò)散損失系數(shù)；ρ為流體的密度;w1、w2分別為葉道入口和出口前的相對速度。

根據(jù)壓縮機(jī)設(shè)計理論[13]，葉輪喉部流速

c0=qVn/(πD1b)

(8)

式中，qVn為葉道內(nèi)流量。

葉道入口后的相對速度

(9)

葉道出口前的相對速度

(10)

選取ζr=0.15，ζb=0.15，ζdif=0.15，ρ=1.2 kg/m3，qVn=1.76 m3/s。代入?yún)?shù)值βb1=24.38°、βb2=38.17°、δ=7 mm，可以由式(7)計算出初始設(shè)計參數(shù)下葉輪的流動損失為150.23 Pa，再代入?yún)?shù)值βb1=25.75°、βb2=36°、δ=8 mm，則可算出優(yōu)化設(shè)計參數(shù)下葉輪的流動損失為137.65 Pa，說明參數(shù)優(yōu)化后的葉輪流動損失降低，效率提升。

綜上所述，通過優(yōu)化葉輪特征結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)值為βb1=25.75°、βb2=36°、δ=8 mm，延長葉輪服役壽命，使葉輪的再制造臨界點延后，并落于壓縮機(jī)主動再制造時域中，不僅使葉輪的性能得到優(yōu)化提升，而且避免了初始設(shè)計方案下葉輪的過度使用。

5 結(jié)論

(1)研究葉輪特征結(jié)構(gòu)與疲勞壽命之間的量化關(guān)系，構(gòu)建了特征結(jié)構(gòu)-壽命映射模型，并將服役映射模型應(yīng)用在葉輪主動再制造的結(jié)構(gòu)反饋優(yōu)化設(shè)計中，由于考慮材料的本身特性和零件結(jié)構(gòu)對質(zhì)點處彎曲應(yīng)力分布以及壽命的影響，故基于映射模型進(jìn)行的主動再制造設(shè)計更加符合葉輪服役的實際情況。

(2)闡述了借助特征結(jié)構(gòu)-壽命映射模型對關(guān)鍵零部件進(jìn)行主動再制造時機(jī)調(diào)控的過程，綜合考慮產(chǎn)品-關(guān)鍵零部件-結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系，以PCL8L型葉輪為例，調(diào)控葉輪的再制造臨界點為5.19年，實現(xiàn)了對葉輪壽命的定量控制，并且結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化后的葉輪最大應(yīng)力為669.79 MPa，小于材料屈服極限，符合設(shè)計強(qiáng)度要求，從而驗證了主動再制造設(shè)計和時機(jī)調(diào)控方法的可行性，為目前零部件提前或者滯后再制造問題提供了新的解決途徑。

(3) 本設(shè)計方法對于不同的產(chǎn)品及零部件可以具體分析，具有普適性。但是葉輪特征結(jié)構(gòu)與壽命映射模型的模擬結(jié)果只能應(yīng)用于離心式壓縮機(jī)，對于其他機(jī)械，仍需建立一個新的服役映射模型，而且應(yīng)分析零件結(jié)構(gòu)之間的交互作用以及裝配應(yīng)力影響等，隨著對主動再制造研究的深入，將逐步進(jìn)行完善。

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(編輯 陳 勇)

Design and Timing Control for Centrifugal Compressor Impeller Predecissional Remanufacturing

SONG Shouxu BU Jian KE Qingdi

School of Mechanical Engineering, Hefei University of Technology, Hefei, 230009

Aimed at the present situations of remanufacturing components that often occured the issues of ‘lag of remanufacturing’ or ‘remanufacturing in advance’, a design method of predecisional remanufacturing and timing control for centrifugal compressor impellers was presented herein. By choosing vital component characteristic structures, combined with the theory of fatigue life and basic design method of impellers, the structure and performance of the service mapping model was established, the predecisional remanufacturing design of vital components was implemented. Through the optimization of structure parameters, changing the service performances and remanufacturing points of components, and matching with product performance degradation inflection points, the predecisional remanufacturing timing control was implemented. Taking the PCL8L type of centrifugal compressor impeller as an example, three structure characteristis of impellers(outlet angle, entrance angle and the trailing edge thickness)were selected, the quantitative relationship among the impeller structure characteristics and the service fatigue lifes was built. Then, through the simulation analysis and considering the current preventive maintenance requirements, the predecisional remanufacturing of timing control for centrifugal compressors.

predecisional remanufacturing; centrifugal compressor; characteristics of structure; timing control

2016-09-19

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)資助項目(2011CB013406)；國家自然科學(xué)基金資助項目(51375133)

TH122

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.15.015

宋守許，男，1964年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。主要研究方向為綠色設(shè)計與綠色制造、再制造工程、產(chǎn)品資源化。E-mail：shouxus@163.com。卜 建(通信作者)，男，1991年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生?？聭c鏑，男，1984年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授、博士。