離心式壓縮機(jī)組半聯(lián)軸節(jié)裝配數(shù)據(jù)核算與安裝要點(diǎn)

石寬寬，藍(lán) 天

（海洋石油富島有限公司，海南東方 572600）

0 引言

在離心式壓縮機(jī)組檢修過(guò)程中，半聯(lián)軸節(jié)的拆裝一直是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。半聯(lián)軸節(jié)與軸之間通常采用過(guò)盈配合連接，依靠配合件裝配以后的過(guò)盈量達(dá)到緊固連接，裝配后由于材料的彈性變形，使配合面之間產(chǎn)生壓力，因此在工作時(shí)配合面間具有相當(dāng)?shù)倪B接摩擦力來(lái)傳遞扭緊力矩或軸向力，同時(shí)配合面具有一定的錐度（圖1）。采用液壓裝配的方法，可以實(shí)現(xiàn)半聯(lián)軸節(jié)的多次拆裝。

圖1 離心式壓縮機(jī)聯(lián)軸節(jié)結(jié)構(gòu)

檢修時(shí)為了安裝過(guò)盈配合的半聯(lián)軸節(jié)，離心式壓縮機(jī)組需要同時(shí)使用兩臺(tái)油泵，一臺(tái)低壓油泵、一臺(tái)高壓油泵（高壓油泵出口壓力需要大于200 MPa）。高壓油泵通過(guò)接頭與軸頭進(jìn)油孔相連，其輸出的高壓油經(jīng)過(guò)軸頭上的流道進(jìn)入半聯(lián)軸節(jié)與軸表面之間，在高壓油的壓力作用下，半聯(lián)軸節(jié)膨脹、內(nèi)徑變大，再通過(guò)安裝在軸頭螺紋上、與低壓油泵相連的推進(jìn)器推上帶錐度的軸頸表面，實(shí)現(xiàn)半聯(lián)軸節(jié)的裝配（圖2）。在整個(gè)裝配過(guò)程中，低壓油泵和高壓油泵需要分多次升壓，每次升壓后均需保壓10 min左右，然后才能進(jìn)行下一次的升壓，并且還需要使用百分表和深度尺共同測(cè)量半聯(lián)軸節(jié)的推進(jìn)量。拆卸半聯(lián)軸節(jié)時(shí)，應(yīng)保證推進(jìn)器與半聯(lián)軸節(jié)之間的間隙大于半聯(lián)軸節(jié)的推進(jìn)量，然后升高高壓油泵壓力、使膨脹壓略大于安裝時(shí)的壓力，半聯(lián)軸節(jié)即可從軸頸上拆下。

圖2 半聯(lián)軸節(jié)拆裝示意

1 現(xiàn)場(chǎng)檢修中關(guān)于半聯(lián)軸節(jié)安裝的問(wèn)題

在設(shè)備檢修時(shí)，經(jīng)常有人認(rèn)為半聯(lián)軸節(jié)回裝時(shí)的推進(jìn)量不能小于上次回裝時(shí)的推進(jìn)量，因?yàn)榘肼?lián)軸節(jié)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的工作后，內(nèi)孔很可能會(huì)變大，如果回裝不到原來(lái)的位置，半聯(lián)軸節(jié)在運(yùn)行過(guò)程中可能抱緊力不夠（即配合面徑向壓力不夠），便會(huì)發(fā)生松動(dòng)現(xiàn)象。但是半聯(lián)軸節(jié)回裝時(shí)很難剛好回裝到檢修前的位置，所以每次回裝都會(huì)較上次檢修時(shí)推進(jìn)量更大，長(zhǎng)此以往半聯(lián)軸節(jié)安裝、拆卸的高壓油泵壓力也就越來(lái)越高，拆裝的難度、操作的危險(xiǎn)性也隨之增加。

2 半聯(lián)軸節(jié)安裝強(qiáng)度核算

2.1 配合面間所需的徑向壓力P

當(dāng)半聯(lián)軸節(jié)傳遞軸向力F 時(shí)，應(yīng)保證連接在此載荷作用下不產(chǎn)生軸向滑動(dòng)，即當(dāng)配合面徑向壓力為P 時(shí)，在外載荷F 作用下，配合面上所能產(chǎn)生的軸向摩擦阻力Ff應(yīng)不小于外載荷F。

離心式壓縮機(jī)組半聯(lián)軸節(jié)與軸配合面具有一定錐度，裝配后半聯(lián)軸節(jié)通過(guò)軸頭鎖母固定在軸上，為避免鎖母在離心式壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)松動(dòng)，鎖母上加工有頂絲，起到放松作用，使半聯(lián)軸節(jié)和軸在工作時(shí)不會(huì)發(fā)生相對(duì)位移。此外，為平衡設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的軸向力，用于驅(qū)動(dòng)離心式壓縮機(jī)的汽輪機(jī)常采用平衡孔、平衡盤、止推瓦平衡軸向力，離心式壓縮機(jī)則采用對(duì)稱布置葉輪、平衡盤、止推軸承平衡軸向力，通過(guò)一系列措施，轉(zhuǎn)子運(yùn)行產(chǎn)生的軸向力基本上被平衡掉了，因轉(zhuǎn)子位移、聯(lián)軸節(jié)預(yù)拉伸產(chǎn)生的軸向力通過(guò)轉(zhuǎn)子上的聯(lián)軸節(jié)膜片變形也會(huì)被抵消，基本上不會(huì)影響半聯(lián)軸節(jié)。因此，半聯(lián)軸節(jié)與軸配合面承受的軸向力載荷很小，可以忽略不計(jì)，即

其中，F(xiàn)f為配合面軸向摩擦阻力；d 為配合面公稱直徑（計(jì)算時(shí)忽略實(shí)際配合面錐度的影響，按照?qǐng)A柱表面計(jì)算）；l 為配合面軸向長(zhǎng)度；P 為配合面徑向壓力；f 為配合面摩擦系數(shù)，對(duì)于鋼—鑄鋼來(lái)說(shuō)，液壓裝配時(shí)f=0.125。

半聯(lián)軸節(jié)在工作時(shí)只要傳遞的是扭矩T，離心式壓縮機(jī)通過(guò)聯(lián)軸節(jié)與驅(qū)動(dòng)設(shè)備相連，驅(qū)動(dòng)設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)離心式壓縮機(jī)產(chǎn)生扭矩，使離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，負(fù)荷越大扭矩也就越大。因此，為保證離心式壓縮機(jī)工作的安全性和可靠性，要求在扭矩作用下半聯(lián)軸節(jié)相對(duì)于軸頸表面決不能產(chǎn)生周向滑移。即當(dāng)徑向壓力為P、扭矩為T 的工況下，配合面間所產(chǎn)生的摩擦阻力矩Mf不得小于扭矩T。

工作時(shí)需要保證Mf≥T，則P≥

2.2 半聯(lián)軸節(jié)的最小有效過(guò)盈量δmin

為保證半聯(lián)軸節(jié)與軸頸有足夠的配合強(qiáng)度，就需要半聯(lián)軸節(jié)產(chǎn)生一定的彈性變形，通過(guò)彈性變形產(chǎn)生的壓力與軸頸抱死，即半聯(lián)軸節(jié)孔的內(nèi)徑要小于軸頸尺寸，產(chǎn)生過(guò)盈配合。根據(jù)材料力學(xué)有關(guān)厚壁圓筒的計(jì)算理論，在徑向壓力為P 時(shí)，過(guò)盈連接傳遞載荷所需的最小過(guò)盈量δmin應(yīng)為：

2.3 過(guò)盈配合的強(qiáng)度計(jì)算

半聯(lián)軸節(jié)過(guò)盈配合的強(qiáng)度計(jì)算包括兩個(gè)方面，一是連接的強(qiáng)度，二是連接零件本身的強(qiáng)度。聯(lián)軸節(jié)在設(shè)計(jì)使選用的過(guò)盈量往往大于設(shè)計(jì)的最小過(guò)盈量，即使按照最小過(guò)盈量選擇的過(guò)盈配合已能產(chǎn)生所需的徑向壓力，即能保證連接的強(qiáng)度。因?yàn)檩S中心為膨脹油的流通通道，內(nèi)表面直徑非常小、相當(dāng)于無(wú)內(nèi)表面，所以這里不涉及被包容件內(nèi)表層的計(jì)算。下面只須討論連接零件本身的強(qiáng)度問(wèn)題。

過(guò)盈連接零件本身的強(qiáng)度可按照材料力學(xué)中壁厚圓筒強(qiáng)度計(jì)算方法進(jìn)行校核。半聯(lián)軸節(jié)和軸都為塑性材料，失效形式為發(fā)生塑性變形，所以按第三強(qiáng)度理論（σ1-σ3≤σs）檢驗(yàn)其承受最大應(yīng)力的表層是否在彈性變形范圍之內(nèi)，則不出現(xiàn)塑性變形。

半聯(lián)軸節(jié)包裹在軸頸上，為包容件，對(duì)包容件內(nèi)表層使用Mises 屈服失效判據(jù)得：

其中，σs1、σs2分別為被包容件和包容件材料的屈服極限；K為半聯(lián)軸節(jié)外、內(nèi)表面直徑的比值，K=

2.4 包容件外徑膨脹量

當(dāng)半聯(lián)軸節(jié)內(nèi)表面因過(guò)盈配合變大，相應(yīng)的變形也會(huì)傳遞到半聯(lián)軸節(jié)的外表面，半聯(lián)軸內(nèi)表面過(guò)盈量的大小決定了半聯(lián)軸節(jié)外表面的變形量，而包容件外徑膨脹量的計(jì)算實(shí)際就是計(jì)算材料在拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生的應(yīng)變。包容件外徑膨脹量Δd2=mm。

3 半聯(lián)軸節(jié)的安裝核算及強(qiáng)度校核

3.1 安裝校核

以三菱MCH454 型離心式壓縮機(jī)對(duì)半聯(lián)軸節(jié)安裝進(jìn)行核算。

由三菱公司提供的資料可知，MCH454 型離心式壓縮機(jī)的功率W 為6666 kW，工作轉(zhuǎn)速n 為9990 r/min；半聯(lián)軸節(jié)長(zhǎng)度l為80 mm，內(nèi)表面直徑d 為90 mm、外表面直徑d2為135 mm。根據(jù)離心式壓縮機(jī)組功率W=，可計(jì)算得出扭矩T：

將扭矩T=6.37×104N·m 代入P≥可得半聯(lián)軸節(jié)配合面徑向壓力P≥50 MPa，即配合面最小徑向壓力為50 MPa。

將P=50 MPa 代入包容件外徑膨脹量公式，得到半聯(lián)軸節(jié)外表面最小膨脹量Δdmin=0.054 mm。

MCH454 型離心式壓縮機(jī)在設(shè)備檢修時(shí)測(cè)得半聯(lián)軸節(jié)回裝時(shí)的膨脹量為0.12 mm；查材料力學(xué)資料，碳鋼的彈性模量約為200 GPa，則可求得回裝后的配合面徑向壓力P0=111 MPa。此時(shí)P0>P 且安全系數(shù)S==2.22，因此完全可以滿足連接的可靠性使用要求。

檢修時(shí)，半聯(lián)軸節(jié)拆裝膨脹油壓設(shè)計(jì)值為147.3～155.7 MPa，約為1.35P0，在此膨脹壓下也可保證回裝后的半聯(lián)軸節(jié)完全可以滿足使用要求。

3.2 過(guò)盈配合強(qiáng)度校核

校核半聯(lián)軸節(jié)外徑最大膨脹量，需要知道半聯(lián)軸節(jié)材料的屈服強(qiáng)度σs2。通過(guò)設(shè)備資料查得半聯(lián)軸節(jié)材料為SNCM439，其屈服強(qiáng)度為835 MPa。將σs=835 MPa 代入Mises 屈服失效判據(jù)式（3），可得Pmax≤267.82 MPa。

配合面所能承受的徑向壓力最大值Pmax=267.82 MPa，遠(yuǎn)大于現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)的配合面徑向壓力和半聯(lián)軸節(jié)拆裝時(shí)的膨脹油壓。也就是說(shuō)，在半聯(lián)軸節(jié)拆裝過(guò)程中，只要油泵壓力不超過(guò)267.82 MPa，半聯(lián)軸節(jié)就不會(huì)發(fā)生塑性變形，也就不會(huì)被損壞。

半聯(lián)軸安裝時(shí)的推進(jìn)量是根據(jù)半聯(lián)軸在設(shè)計(jì)中選擇的配合過(guò)盈量計(jì)算得到的，通常情況下半聯(lián)軸與軸頸的過(guò)盈量為軸頸尺寸的0.002 5 倍。以MCH454 型離心式壓縮機(jī)為例，軸頸尺寸為90 mm，則配合過(guò)盈量為90×0.002 5=0.225 mm，如果半聯(lián)軸節(jié)與軸頸配合面的錐度為1:20，那么半聯(lián)軸節(jié)在安裝時(shí)所需的推進(jìn)量為20×0.225=4.5 mm。也就是說(shuō)，半聯(lián)軸節(jié)的推進(jìn)量是根據(jù)其配合所需的過(guò)盈量計(jì)算出來(lái)的。

通過(guò)上述分析可以看出，半聯(lián)軸節(jié)在設(shè)計(jì)時(shí)完全考慮到連接所需的安全裕度，既能保證在此裝配數(shù)據(jù)下半聯(lián)軸完全滿足使用要求、不發(fā)生松動(dòng)，又能保證及時(shí)超過(guò)安裝壓力一定值，也不會(huì)造成半聯(lián)軸節(jié)的損壞。但根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢修實(shí)踐，當(dāng)半聯(lián)軸節(jié)壓力升高后，對(duì)拆裝過(guò)程中高壓油泵的要求就會(huì)越高，壓力越高則高壓油泵中的密封件（特別是橡膠O 形圈）越容易損壞，半聯(lián)軸節(jié)拆卸的難度也就越大。

4 總結(jié)

通過(guò)上述核算過(guò)程可以發(fā)現(xiàn)，半聯(lián)軸節(jié)的抱緊力，即半聯(lián)軸節(jié)與軸的配合面徑向壓力，與推進(jìn)量并無(wú)關(guān)系。推進(jìn)量的大小是由配合面的錐度和徑向壓力共同決定的，是為了更好地控制半聯(lián)軸節(jié)安裝時(shí)的膨脹量而給出的一個(gè)安裝參考數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)安裝中不應(yīng)將其作為控制檢修質(zhì)量的決定性數(shù)據(jù)。真正能測(cè)量的、決定半聯(lián)軸節(jié)安裝質(zhì)量的參數(shù)是半聯(lián)軸節(jié)的膨脹量，由膨脹量可以計(jì)算出半聯(lián)軸節(jié)與軸之間配合面的徑向壓力，再根據(jù)機(jī)組的功率、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)就可以判斷出半聯(lián)軸節(jié)的安裝質(zhì)量是否合格。在半聯(lián)軸節(jié)的設(shè)計(jì)、選材時(shí)也充分考慮到安全性，選用的材料為高強(qiáng)度合金鋼，在工作狀態(tài)下半聯(lián)軸節(jié)處在彈性變形范圍內(nèi)，且與達(dá)到塑性變形還有很大的安全裕度，不會(huì)發(fā)生塑性變形，而在彈性范圍內(nèi)金屬的應(yīng)力釋放后都會(huì)恢復(fù)到原有的尺寸。從多次的半聯(lián)軸節(jié)拆裝記錄來(lái)看，半聯(lián)軸節(jié)拆后的尺寸與回裝前相比未發(fā)生過(guò)變化。這也充分說(shuō)明，采用液壓裝配的離心式壓縮機(jī)半聯(lián)軸節(jié)，只要根據(jù)設(shè)計(jì)安裝數(shù)據(jù)進(jìn)行安裝不會(huì)發(fā)生塑性變形的情況。

在很多離心式壓縮機(jī)組中，半聯(lián)軸節(jié)的安裝位置已經(jīng)超過(guò)設(shè)計(jì)值，而且在原有思想的指導(dǎo)下，很多機(jī)組半聯(lián)軸節(jié)安裝時(shí)的推進(jìn)量還在繼續(xù)增大。在這種情況下回裝半聯(lián)軸節(jié)時(shí)，不能只比較推進(jìn)量而忽視其他數(shù)據(jù)，應(yīng)先按照檢修方案中的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回裝，使推進(jìn)量處于設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)，然后再測(cè)量膨脹量。如果膨脹量符合或大于設(shè)計(jì)要求，則半聯(lián)軸節(jié)已經(jīng)安裝到位，不需要再增大推進(jìn)量，否則可以再適當(dāng)?shù)卦龃笸七M(jìn)量、使膨脹量符合設(shè)計(jì)要求。