基于離心壓縮機(jī)葉輪平衡試驗(yàn)的工裝芯軸研制

史天翔，辜嘉誠，史 江，郭建燁

（1.沈陽航空航天大學(xué)，沈陽 110136；2.沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，沈陽 110869）

0 引言

離心壓縮機(jī)是高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械，因此對轉(zhuǎn)子部件的加工及裝配精度要求都很高。特別是對葉輪進(jìn)行動(dòng)、靜平衡校驗(yàn)及超轉(zhuǎn)破壞性試驗(yàn)尤其重要，這就需要使用芯軸配合完成試驗(yàn)。傳統(tǒng)芯軸的設(shè)計(jì)方案是：按照葉輪口圈內(nèi)孔實(shí)際尺寸，加工出與葉輪過盈配合的階梯光軸，并對階梯光軸各軸段的同軸度進(jìn)行檢測。葉輪采用溫差脹縮法裝配在與芯軸配合的軸段上，最終將兩者整體吊運(yùn)，進(jìn)行葉輪的各項(xiàng)試驗(yàn)。但是葉輪在安裝前的整體預(yù)熱會延誤葉輪的最終裝配周期，并且在拆卸葉輪時(shí)，由于此時(shí)葉輪與芯軸是處于過盈裝配狀態(tài)，因此即便用火焰噴槍加熱葉輪外壁，葉輪也不易拆下，給操作者帶來了許多的麻煩。因此傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案雖然可以保證葉輪與芯軸在裝配完成后具有較高的同軸度要求，但在葉輪的裝拆時(shí)，會給操作者增添許多勞動(dòng)量，并且加熱葉輪也延誤了大量的生產(chǎn)時(shí)間，加長了主軸的裝配周期，導(dǎo)致葉輪裝配工藝性較差，工裝使用效率較低。因此本文針對傳統(tǒng)芯軸設(shè)計(jì)方案所反映出的問題，結(jié)合車間實(shí)際操作，提出了一種可冷拆裝結(jié)構(gòu)的芯軸設(shè)計(jì)方案。

1 新結(jié)構(gòu)芯軸的研制及其裝配

1.1 新結(jié)構(gòu)芯軸的研制需求

為了滿足葉輪與芯軸在最終裝配完成后整體有較高的同軸度要求，也為了滿足將兩者裝配完成并放入超轉(zhuǎn)機(jī)后，葉輪不會在離心力的作用下脫離芯軸發(fā)生繞軸自轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，這就要求葉輪與芯軸在裝配完成后為過盈配合狀態(tài)；為了避免葉輪在拆裝的過程中需要進(jìn)行加熱處理，因此也要實(shí)現(xiàn)葉輪可以使用冷裝的方式安裝在在芯軸上。綜合以上兩點(diǎn)研制需求，得出所研制的芯軸既要能冷裝在葉輪內(nèi)，又要能在冷裝后要產(chǎn)生一定的過盈量，此為本次研制新結(jié)構(gòu)芯軸的難點(diǎn)。

1.2 新結(jié)構(gòu)芯軸的研制及裝配方式

根據(jù)芯軸的研制需求，現(xiàn)研制出一套通過擠壓相互接觸的兩錐面，使外層薄壁錐面工件因受軸向擠壓力而發(fā)生徑向膨脹的芯軸，其結(jié)構(gòu)及芯軸的裝配如圖1所示。

圖1 芯軸裝配體圖

在圖1所示的新結(jié)構(gòu)芯軸裝配體中，工件主要包括了：葉輪1、彈簧套2、錐面芯軸3、壓板4、鎖緊螺釘5與6。

新結(jié)構(gòu)芯軸的總體研制思路是在原有芯軸及葉輪口圈的中間部位裝入一件可變壁厚且延徑向方向開豁槽的彈簧套工件。葉輪口圈內(nèi)孔與彈簧套工件外圓為間隙配合，彈簧套與芯軸的接觸配合面皆設(shè)計(jì)為錐度面。實(shí)際使用時(shí)，將彈簧套壓入芯軸與葉輪口圈的間隙內(nèi)，通過擠壓彈簧套工件，使其在徑向發(fā)生膨脹變形，從而脹緊葉輪與芯軸，彈簧套與芯軸在錐面配合的自定心作用下，保證了葉輪與芯軸在裝配完成后具有較高的同軸度要求。最后通過將葉輪頂部的壓板壓緊，進(jìn)一步確保了葉輪在芯軸上不會發(fā)生軸向竄動(dòng)，從而保證了葉輪軸向端面平面度的試驗(yàn)要求。

1.3 新結(jié)構(gòu)芯軸的優(yōu)化與推廣

由于離心壓縮機(jī)葉輪內(nèi)孔尺寸為非標(biāo)準(zhǔn)尺寸，因此，芯軸需滿足在一定尺寸范圍內(nèi)的葉輪都可使用，即滿足一軸多用的情況。例如：對多組口圈內(nèi)徑尺寸相差20mm以內(nèi)的葉輪進(jìn)行平衡及超轉(zhuǎn)試驗(yàn)，若采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案需要根據(jù)葉輪口圈尺寸投產(chǎn)數(shù)根不同定位直徑的階梯光軸，這會造成壓縮機(jī)整體制造成本的上升。而選用新結(jié)構(gòu)芯軸，只需通過更換不同壁厚尺寸的彈簧套，即可以實(shí)現(xiàn)口圈內(nèi)徑在一定尺寸范圍內(nèi)葉輪的裝配需求，從而提高了芯軸的通用性，減少了芯軸材料成本的浪費(fèi)。

此套新研制的芯軸在投產(chǎn)試驗(yàn)完成后經(jīng)操作者反饋，葉輪的裝拆過程簡便且無危險(xiǎn)性，最重要的是即使經(jīng)過多次裝拆彈簧套，也不會對葉輪口圈內(nèi)孔表面造成任何刮傷和壓痕，保證了葉輪口圈內(nèi)孔表面的質(zhì)量。同時(shí)也避免了葉輪裝拆時(shí)等待高溫預(yù)熱所花費(fèi)的時(shí)間，大幅降低了操作者勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短了葉輪的試驗(yàn)周期，提高了勞動(dòng)效率及車間的自動(dòng)化能力。試驗(yàn)結(jié)果表明，此套芯軸設(shè)計(jì)方案在安全性、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)際易操作性等方面均能滿足葉輪的各項(xiàng)試驗(yàn)參數(shù)需求和相關(guān)裝配原則。

2 芯軸彈簧套的強(qiáng)度校核及應(yīng)用實(shí)例

2.1 彈簧套強(qiáng)度校核

本套新研制的芯軸在使用過程中，通過在軸向方向擠壓彈簧套，其內(nèi)圈表面與芯軸外圈表面在接觸后發(fā)生徑向膨脹，因此彈簧套為本套芯軸的重點(diǎn)結(jié)構(gòu)件。在研制時(shí)需要考慮彈簧套在錐度作用下的最大徑向膨脹量；也要考慮不同壁厚的彈簧套在徑向膨脹時(shí)是否為彈性變形。所以針對彈簧套進(jìn)行相應(yīng)的分析是非常重要的，本次分析利用有限元法針對集團(tuán)內(nèi)為某一尺寸葉輪而設(shè)計(jì)的芯軸彈簧套工件進(jìn)行仿真計(jì)算，并對不同壁厚的彈簧套徑向膨脹量進(jìn)行了對比。

針對實(shí)際工況，彈簧套內(nèi)徑與芯軸外徑錐度均設(shè)計(jì)為1∶20，這確保了彈簧套在安裝后具有自鎖性，彈簧套壓入量設(shè)定為5mm，各工件材料參數(shù)如表1所示。

表1 芯軸材料參數(shù)

2.1.1 三維模型的建立和網(wǎng)格劃分

在三維建模軟件UG中建立芯軸、葉輪、彈簧套的三維整體模型，芯軸兩端的相關(guān)定位止口及中心孔對彈簧套的接觸分析和剛度分析影響較小，所以在建模中將其忽略，同時(shí)為了簡化模型，將葉輪的葉片部分及相關(guān)緊固用螺栓孔省略。其三維模型如圖2所示。

圖2 三維整體模型

將三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于彈簧套結(jié)構(gòu)不規(guī)則，多處存在圓角及棱邊，所以綜合考慮求解效率和求解精度，采用自動(dòng)劃分網(wǎng)格，其余工件則采用六面體劃分網(wǎng)格。為了使接觸部位的應(yīng)力傳遞較為準(zhǔn)確，需要對模型接觸部位網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，劃分完網(wǎng)格的有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元網(wǎng)格模型

2.1.2 邊界約束和載荷施加

本次分析為校核彈簧套在施加推進(jìn)量后的靜態(tài)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，根據(jù)試驗(yàn)時(shí)的加載和約束在Workbench中還原，需要對芯軸尾端進(jìn)行各向零位移約束，同時(shí)對彈簧套施加軸向方向5mm位移，對彈簧套與葉輪之間施加直徑方向0.1mm的間隙值。

2.1.3 仿真結(jié)果分析

彈簧套有限元模型在承受給定推進(jìn)量后的等效應(yīng)力分布云圖如圖4所示。可以看出，彈簧套內(nèi)徑與芯軸外徑在錐度的配合作用下，彈簧套徑向發(fā)生膨脹，應(yīng)力傳遞方向符合實(shí)際裝配時(shí)產(chǎn)生的實(shí)際應(yīng)力分布情況。在彈簧套所開豁槽根部產(chǎn)生較大應(yīng)力，為了減小應(yīng)力集中現(xiàn)象，在彈簧套所開豁槽根部加工出了應(yīng)力釋放孔，這與材料力學(xué)中所提出的應(yīng)力集中現(xiàn)象及降低應(yīng)力集中的理論相一致。各工件最大應(yīng)力值均小于材料的屈服極限，滿足工件僅發(fā)生彈性變形的要求。

圖4 彈簧套與芯軸有限元模型受載后等效應(yīng)力云圖及形變量

由于葉輪與芯軸為間隙配合，兩者在直徑方向上有0.1mm的間隙值，將彈簧套安裝完成并進(jìn)行5mm的軸向推進(jìn)后，彈簧套將完全脹緊葉輪與芯軸。彈簧套在根部留有砂輪越程槽，其與葉輪的接觸應(yīng)力分布如圖5所示，彈簧套形變量最大處的表面接觸應(yīng)力約為25.958MPa。

圖5 彈簧套接觸壓力

根據(jù)材料力學(xué)有關(guān)圓筒類的計(jì)算理論，裝配體徑向壓力p與過盈量δ的關(guān)系式由下式確定：

式中，E1、μ1：內(nèi)筒材料的彈性模量和泊松比；

E0、μ0：外筒材料的彈性模量和泊松比；

r1、r3：分別為被包容件的內(nèi)半徑和包容件的外半徑；

r2：配合處的公稱半徑。

按上式計(jì)算彈簧套形變量最大處的過盈值，得出過盈量δ=0.2351mm；在ANSYS仿真分析中，彈簧套的徑向變形值約為0.1533mm，葉輪的徑向變形值約為0.0695mm，兩者之和為0.2228mm，此數(shù)值為彈簧套與葉輪的半徑過盈量，經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證后，軟件計(jì)算出的數(shù)值與理論計(jì)算得出的數(shù)值誤差僅相差約5.2%，滿足計(jì)算精度要求。

對于口圈內(nèi)徑尺寸相近的幾組葉輪，可以通過更換幾組不同壁厚的彈簧套工件完成各項(xiàng)試驗(yàn)，其最大等效應(yīng)力均小于材料的屈服強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)要求，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 不同壁厚彈簧套的計(jì)算

2.2 應(yīng)用實(shí)例

本套芯軸根據(jù)車間的葉輪試驗(yàn)件進(jìn)行研制，將葉輪套入芯軸后，在其縫隙內(nèi)壓入彈簧套，通過螺釘將彈簧套把合在芯軸端面上，最終在葉輪端面上放置壓板并用螺釘鎖緊。裝配完成后將整體吊運(yùn)至打表機(jī)床上，對葉輪端面的平面度及葉輪外圓的圓跳度進(jìn)行校驗(yàn)，經(jīng)過最終檢驗(yàn)，葉輪端面的平面度滿足0.01mm的平面跳動(dòng)值，葉輪外圓的圓跳度滿足0.015mm的圓跳動(dòng)值，滿足了葉輪進(jìn)行動(dòng)、靜平衡和超轉(zhuǎn)試驗(yàn)的需求，如圖6所示。

圖6 芯軸及葉輪打表校正

3 結(jié)語

以滿足車間對葉輪進(jìn)行各項(xiàng)平衡試驗(yàn)及超轉(zhuǎn)破壞性試驗(yàn)為研制目的，以設(shè)計(jì)錐度自定心彈簧套為核心要點(diǎn)，通過持續(xù)不斷的模型對比及對現(xiàn)場實(shí)物的芯軸打表檢測，完成了離心壓縮機(jī)中滿足葉輪進(jìn)行各項(xiàng)平衡及超轉(zhuǎn)試驗(yàn)的芯軸研制過程，確立了冷裝結(jié)構(gòu)的芯軸在裝配完成后也可與葉輪產(chǎn)生過盈狀態(tài)的裝配關(guān)系。車間操作者通過冷拆裝方式裝配葉輪，減少了葉輪裝配時(shí)的等待時(shí)間，達(dá)到了葉輪在芯軸上快速拆裝的目的。此外針對于不同口圈內(nèi)徑的葉輪，也可以在規(guī)定的尺寸范圍內(nèi)，通過更換不同壁厚的彈簧套實(shí)現(xiàn)芯軸的一軸多用，真正做到了從源頭上控制節(jié)省原材料，降低了生產(chǎn)成本。本套芯軸結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)用性強(qiáng)，操作方便，達(dá)到了工藝及設(shè)計(jì)的要求，為研究人員在日后研制轉(zhuǎn)子或葉輪等回轉(zhuǎn)類工件的裝夾或定位方案提供了一種可行性的參考。