離心壓縮機(jī)水壓仿真及試驗(yàn)研究

曹萬(wàn)林，劉 超，于震遠(yuǎn)

（沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110869）

壓縮機(jī)殼體的液壓測(cè)試是壓縮機(jī)組裝過(guò)程的重要部分，該液壓測(cè)試可以檢測(cè)壓縮機(jī)殼體的焊縫是否有缺陷。當(dāng)機(jī)殼焊接不達(dá)標(biāo)時(shí)，在高壓條件下，水就會(huì)從缺陷處滲出。水壓測(cè)試同時(shí)還可以檢驗(yàn)機(jī)殼的各處強(qiáng)度，是否會(huì)在高壓的環(huán)境下產(chǎn)生變形。如果有上述問(wèn)題出現(xiàn)，需要采取必要的措施進(jìn)行補(bǔ)救。液壓模擬測(cè)試主要是在內(nèi)部壓力下對(duì)殼體的各個(gè)部分進(jìn)行測(cè)試，比如中壓法蘭、中縫螺栓孔和其他部分，是通過(guò)對(duì)焊接殼體進(jìn)行液壓測(cè)試。隨著內(nèi)部壓力的增加，應(yīng)力和應(yīng)變發(fā)生變化，分析并評(píng)估焊接套管的強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)缺陷和不足之處，并在以后的設(shè)計(jì)過(guò)程中加以改進(jìn)。

1 有限元建模及驗(yàn)證

壓縮機(jī)機(jī)殼結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可整體焊接鑄造。外邊是進(jìn)出口，里面用隔板分隔成房間。為了便于有限元網(wǎng)格的劃分，合理地簡(jiǎn)化和分割了三維模型。水壓測(cè)試時(shí)，要堵住壓氣機(jī)進(jìn)出口和高檔軸孔，以保證水壓測(cè)試的密封性能。上殼體和下殼體用螺栓連接。錨桿只是一種提供預(yù)緊力的部件，在水壓試驗(yàn)?zāi)M分析中沒(méi)有引起足夠的重視。把螺栓簡(jiǎn)化為圓形橫梁?jiǎn)卧蓚€(gè)端子分別與上下缸相連，作用在螺栓梁上，相當(dāng)于固體螺栓對(duì)上下缸的作用。機(jī)殼選用有中間節(jié)點(diǎn)的高次四面體單元，螺栓選用有中間節(jié)點(diǎn)的三維梁?jiǎn)卧?/p>

當(dāng)有限元分析模型建立后，為了保證模型能進(jìn)行合理、可靠的計(jì)算分析，必須對(duì)其適用性和真實(shí)性進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)該模型進(jìn)行了有限元分析，驗(yàn)證了其壓力自平衡特性和缸模位移。壓力自平衡主要檢查殼體的密封性，而模態(tài)缸體移位主要檢查殼體各部位的連接。利用1 MPa 的內(nèi)壓作用，使殼體的外支反力接近于0，并對(duì)殼體進(jìn)行了模態(tài)分析，結(jié)果表明，所建立的有限元模型是有效的，其結(jié)果也是正確的。

水壓試驗(yàn)邊界條件：離心式壓縮機(jī)殼體的水壓試驗(yàn)是壓縮機(jī)分析過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，能夠檢驗(yàn)出壓氣機(jī)殼體焊后各部位的抗壓強(qiáng)度，焊縫密封度以及中間表面的氣密性是否達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)。在水壓試驗(yàn)前進(jìn)行有限元分析，可初步分析出殼體的強(qiáng)度，如分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)殼體有薄弱部位，應(yīng)該先對(duì)殼體薄弱部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，降低水壓試驗(yàn)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。外殼在試驗(yàn)中要保證以下2 點(diǎn)：①確保外殼固定在外殼底座上而不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)；②保證外殼可自由伸縮。其約束方式按貓爪支撐方式作用于下機(jī)殼的開(kāi)口表面，如圖1 所示。

圖1 約束方式

根據(jù)水壓試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的不同，A 處約束X、Y、Z方向的自由度；B 處約束X、Z方向的自由度；C 處約束5.5 MPa，高壓水壓試驗(yàn)分為低壓加載和高壓加載兩種，低壓加載2.3 MPa，高壓加載5.5 MPa。在預(yù)緊力為961 090 N 時(shí)，考慮了重力的影響。中間部分采用摩擦接觸形式，摩擦系數(shù)取推薦值0.15。

2 水壓試驗(yàn)的密封

在進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)，一定要確保設(shè)備的密封性，為了確保在完全封閉的環(huán)境中進(jìn)行水壓測(cè)試，必須將與外部連通的所有零件采用適當(dāng)?shù)拿芊庑问矫芊?。只有這樣，液壓測(cè)試的結(jié)果才能可靠、準(zhǔn)確。我們將采用以下密封形式。

3 水壓試驗(yàn)的方法及步驟

水平剖分機(jī)殼作水壓試驗(yàn)之前，要對(duì)合箱分面自由間隙進(jìn)行檢查。首先要對(duì)試驗(yàn)的零件進(jìn)行清洗，在殼體壁上涂抹防銹油，在接合面上加密封填料，安裝壓力試件。用油脂潤(rùn)滑螺母的底面，該油脂必須是黃油或另一種摩擦系數(shù)為0.15的油脂。使用扭矩板將密封螺栓安裝在殼體上，扭矩公差為-5%～+10%。必須在遠(yuǎn)離中心線的蝸殼位置開(kāi)始在水平分流器殼體中的螺栓布置順序，然后在首次進(jìn)氣后沿?cái)Q緊方向轉(zhuǎn)動(dòng)。組合擰緊4 個(gè)螺母，然后先擰緊一側(cè)再將另一側(cè)中心線旋緊。對(duì)于水平剖分機(jī)殼螺栓，應(yīng)分2 步進(jìn)行：①使用定額扭矩60%進(jìn)行緊固；②用100%定額扭矩進(jìn)行緊固檢查，對(duì)至少10%的螺栓進(jìn)行采樣檢查，如果一根螺栓的扭矩超出公差范圍，則必須按照規(guī)定值檢查并擰緊所有螺栓。折水是在試驗(yàn)前按組裝順序進(jìn)行的，充水時(shí)在最上部留一個(gè)未關(guān)閉的孔，將殼體型腔內(nèi)全部充水，確保內(nèi)部空氣全部從上方孔道逸出，然后將該孔關(guān)閉。

4 離心壓縮機(jī)試驗(yàn)過(guò)程

4.1 試驗(yàn)內(nèi)容

在自重、螺栓預(yù)緊力和內(nèi)部壓力共同作用下的殼體靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量和位移測(cè)量：在殼體、風(fēng)管和螺栓的特定部分上貼上標(biāo)記，在這些位置測(cè)量靜應(yīng)變、計(jì)算應(yīng)力值。位移傳感器用于測(cè)量軸承端部的軸向位移，法蘭中間的徑向和垂直位移以及頂殼表面中心的垂直位移。

4.2 具體方案

設(shè)計(jì)人員、計(jì)算人員和測(cè)試人員應(yīng)根據(jù)測(cè)試目的設(shè)計(jì)合理的測(cè)量點(diǎn)放置計(jì)劃。使用電阻應(yīng)變儀測(cè)量應(yīng)變，使用YHD位移傳感器測(cè)量位移，并使用UCAL-10A 通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量和記錄。

4.3 試驗(yàn)載荷及工況

在進(jìn)行機(jī)殼水壓試驗(yàn)時(shí)，測(cè)量荷載是水壓試驗(yàn)時(shí)的機(jī)殼內(nèi)壓，不用考慮機(jī)殼和水的自重荷載。機(jī)殼的正常工作壓力是2.0 MPa，在水壓試驗(yàn)中，該套必須承受2.9 MPa 以上的壓力。按照實(shí)驗(yàn)方案，內(nèi)壓為0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa、2.5 MPa、3.0 MPa。數(shù)據(jù)先由低壓力到高壓力進(jìn)行測(cè)量，再由高壓力到低壓力進(jìn)行測(cè)量。

4.4 試驗(yàn)系統(tǒng)和試驗(yàn)點(diǎn)布置

試驗(yàn)采用電測(cè)量方法。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和微機(jī)對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行采集，并對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行處理。測(cè)試結(jié)果表明：雙向力和應(yīng)變直角測(cè)量點(diǎn)分別為4 點(diǎn)和28 點(diǎn)，共測(cè)得82 片。測(cè)量10 次位移。

在測(cè)試中，總共測(cè)量了4 個(gè)點(diǎn)的雙向應(yīng)力和28 個(gè)直角應(yīng)變，并且總共測(cè)量了82 個(gè)點(diǎn)。測(cè)量10 個(gè)位移點(diǎn)。

4.5 試驗(yàn)結(jié)果

4．5．1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

因篇幅所限，本報(bào)告未列出所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)，僅選擇性地列出試壓成功后的一段試壓數(shù)據(jù)。部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1 所示。

表1 各測(cè)點(diǎn)的位移測(cè)試值結(jié)果

4．5．2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

焊接機(jī)殼在水壓試驗(yàn)中，對(duì)殼體結(jié)構(gòu)的變形和位移進(jìn)行了靜態(tài)試驗(yàn)研究。當(dāng)工作壓力為1.5 倍或3.0 MPa 時(shí)，外殼的最大應(yīng)力值沒(méi)有超出材料的容許范圍，并且沒(méi)有發(fā)生永久性變形。最大測(cè)試應(yīng)力在支撐軸承密封體（上）端板連接處（端板）和推軸承密封體（上）端板連接處（端板）測(cè)點(diǎn)上。從試驗(yàn)結(jié)果中可以看出，應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的2 個(gè)試驗(yàn)值的重復(fù)性很好。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)的收集和分析，可以確認(rèn)在測(cè)試用例的每個(gè)點(diǎn)上都沒(méi)有發(fā)生永久變形，并且在每個(gè)點(diǎn)上的應(yīng)力和應(yīng)變都在材料可接受的范圍內(nèi)，以確保測(cè)試用例的靜態(tài)、強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。同時(shí)本次實(shí)驗(yàn)明確了水壓過(guò)程中各部位應(yīng)力應(yīng)變情況，并且找到最大應(yīng)力部位，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)具有很大的指導(dǎo)性意義。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作中將對(duì)最大應(yīng)力部位采取加大預(yù)緊力的方法給予控制，同時(shí)對(duì)最大應(yīng)力部分做設(shè)計(jì)加厚處理。本次實(shí)驗(yàn)將為今后壓縮機(jī)的機(jī)殼設(shè)計(jì)提供資料。