基于有限元法的离心压缩机叶轮过盈问题探究

石油／化Ｉ通用机械　一　ｌ　基于有限元法的离心压缩机　叶轮过盈问题探究　

沈阳鼓风机集团股份有限公司（ｉＩ－Ｔ　１　１０８６９）　盂岩　

【摘要】基￣ＡＮＳＹＳ有限元分析软件，对离心　压缩机叶轮与轴过盈配合模型进行了仿真分析，分析类　型采用接触非线性，有效模拟了实际产品工作状态。在　整个分析过程中，研究了影响接触状态的三个主要因　素：轴向推力、温度效应、摩擦因数。选取分析结果中　的接触面积和传递扭矩作为对比，得到这些因素对接触　状态的影响程度。研究成果会对将来叶轮过盈分析和设　计提供指导。　【关键词】离心压缩机　叶轮　过盈　有限　元ＡＮＳＹＳ　一、刖吾　离心式　缩机主要用来输送气体并提高气体的压　力，广泛应用于现代石油、化工、制冷、动力及冶金等　行、Ｉ　。离心压缩机获得较高的性能需要优秀的空气动力　学设计，而离心式叶轮是其中最为重要的部件。　通常叶轮与转轴之间采用过盈连接，即采用过盈　配合实现连接的一种连接方式，可传递足够的扭矩以满　足叶轮做功需要。在叶轮的前期设计中，过盈量的合理　设计是一项重要工作。过盈量过高将导致叶轮局部应力　过高、转轴易弯曲、装配工艺性差；过低将导致过盈接　触压力不足从而无法提供足够的摩擦力造成叶轮松动，　或者摩擦力矩不足以满足叶轮所需要传递的扭矩。　叶轮与轴接触状态的影响因素往往是复杂多样　的，所以想通过试验法获得精确的、定量的过盈量是异　常困难的。而有限元法作为复杂上程结构的仿真方法，　早已得到全世界的，’‘泛认可。不需要昂贵的试验费用预　算，通过有限元法，结构被离散为有限数量的弹性结构　单元，在计算机程序中进行运算得出预估的结构力学性　能。　影响叶轮与轴过盈状态的因素很多，目前认为主　要有轴向推力、温度场、摩擦因数等。究竟这些因素的　影响程度如何，笔者将在此文中一一展开分析。通过计　算叶轮与轴的接触面积和传递力矩，来定量地分析不ＩｓＪ　工况的影响。　

二　分析模型　１．三维模型　选取离心压缩机中一个三元叶轮作为分析对象。　该叶轮外径为８５０ｍｍ。材料为合金钢，弹性模量２００　ＧＰａ，泊松ｌ；Ｌｏ．３，密度７　８５０ｋｇ／ｍ　。　转轴公称外径为３２０ｍｍ。为简化分析步骤，选取　与叶轮相同的材料属性。　为提高计算速度，住ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ软件中创建叶轮与　转轴的扇区模型，如图１所示。　

通用朝麓　？　；　２０１　７￣第９期Ⅵｗｗ　ｃｂ：ｊｘ　）ｍ“　ｉ　伽石油／化Ｉ通用机械　：　…　

图１扇区装配模型　２．有限元模型　将三维模型导入￣Ｉ］ＡＮＳＹＳ有限元分析软件中，定　义循环对称约束。　采用高阶六面体单元ＳＯＬＩＤ１８６与高阶四面体单元　ＳＯＬＩＤ１８７。为保证求解精度，需在ＭＥＳＨＩＮＧ中将接触　区域生成局部结构化网格，采用高阶六面体单元对转轴　及与转轴接触的轮毂区域进行扫略网格划分，采用高阶　四面体单元对轮毂以外的叶轮区域进行自由网格划分。　如图２所示为整体有限元模型。　

图２有限元模型　３．过盈设置　在圆柱坐标系下，约束轴端面轴向自由度为０，约　束轴中心线径向自由度为０。　程序默认接触类型为“Ｂｏｎｄｅｄ”，将其调整为摩　擦接触“Ｆｒｉｃｔｉｏｎａｌ”，摩擦因数默认值为０．１５，接触行　

４２　：Ⅲ年　

为调整为非对称接触“Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ”，在偏置中输入设　计最小过盈量０．３６ｍｍ。接触对效果如图３所示。其中轮　毂内表面设置为接触面，显示为红色；轴的外表而设置　为目标面，显示为蓝色。该过盆量之卜的接触状态如图　４所示。ＡＮＳＹＳ认为“Ｓｌｉｄｉｎｇ”和“Ｓｔｉｃｋｉｎｇ”为接触状　态，“Ｎｅａｒ”和“Ｆａｒ”为脱离状态。　

一Ｄ　图３生成接触对　

图４施加过盈后的接触状态　三、分析工况　目前认为对叶轮与轴接触状态存在影响的主要凼　素有轴向推力、温度场、摩擦因数等。住这里分另１对此　三种情况下叶轮的接触状态变化进行分析和对比。分析　类型设置为接触非线性分析，将叶轮转速分成多个载荷　逐步逐级施加。在对计算结果进行分析时，通过命令流　的方式提取接触对的接触面积大小和传递扭矩值。　

１．轴向推力　根据轴向力计算程序可知，该叶轮在压缩机运转　

机　～～～一一　一～　过　中所受到的最人轴向推力为１０　０２９Ｎ。根据灾际的　受力状态，施加到［】　轮轮盘上，如罔５所示。计算所得　结粜　ｆ｝影响因素结果对比表。　

ｅ●ｌ■№量喇ｃ１０ｎｔ　．　…　Ｒ●ｍｑｔ．　硝　Ｔｉ　．．＝Ｌ，　２ｏｌ６ｎｌ—ｎ种　

Ｉ　ｌＲ．”ｍ　ＦＤｒ％１蝴Ｎ　ｃ口ｍｐｏ＾・Ｈｔ　０．１　一１００；／９　Ｎ　Ｌｏ０　ｏｒＩ：－７３　狲　一９，，８５１７　ｍｍ　

图５轴向力示意　２．考虑温度　由Ｊ：压缩机运转过程中温度分布状况异常复杂且　很难准确探测和量化，故无法在有限元分析中做到　实　际温度场完全一致。本文采用的是线性分布法来对叶轮　进、ｆｆＪ　ｌ　１温度进行馍拟计算。在计算过程中，初始设　置的温度会在材料橇性、有限元模型等因素的共同影响　下，阳ｕ１‘轮、转轴的周边区域扩散，从而影响到过盈配　合　￣ｉｆｌ＇，Ｊ接触状态。　该叶轮工作时的进ＬｊＩ口温度分别为４０℃：ｆ１：１４７．２￣Ｃ。　如　６所爪为计算得到的温度分布云图。计算所得结果　

图６温度分布示意　

石油／他Ｉ通　机械０Ｌ＇．Ｉｌ　＿ｌ１　列于各影响因素结果对比表。　３．摩擦因数　在文献［５】　学者们采用试验法，对叶轮　轴　过盈配合的摩擦　数展开＿ｒ研究，认为其仳界定仡　０．１２￣０．２５，ＡＮＳＹＳ软件对摩擦接触的默认值足０．１５。　而摩擦　教会对传递扭矩结果产ｑ三较大影响。摩擦冈数　与诸多因素息息相关，例如加工的方式，文献１６１ＨＩ］￣　对此展开了研究，井认为铣削加Ｔ和磨削加工的摩擦　数和表面粗糙度的变化不尽相　。而文献【７　Ｊ认为，　影响摩擦因数的各因素中，表面粗糙度的影响力最小，　过盈量影响力最大，但又不会随着过盈量的增火而　侗　线性增加。该文献采用试验方法对简　规则的过盈配合　模　进行了研究。结果表明过盈量对摩擦因数的影响ｌｊ｝　不是单调的，而是仔任　个阂值。当过盈量小ｆ这・　值时，摩擦因数随着过盈量的增加而增大；当过盈量大　干这一阂值时，摩擦因数随着过盈量的增加而减小。　从以上研究百丁以看出，很难精确给定ＩＩ　ｒ轮　转轴　在实际工作中具体的摩擦因数，为￣ＡＮＳＹＳ默认ｆｆ［进　行对比，并量化影响程度，笔者将摩擦因数调格到０．２　后重新进行接触分析，结果列ｆ各影响因素结　对比　表。　４．结果对比　从下表所列数据可以看出，朱考虑轴向推　、温　度效应、摩擦因数的影响时，叶轮与轴的接触　为　８５　４３７ｍｍ　，可传递扭矩为５４．６７ｋＮ・ＩＴＩ。当考虑轴向力　作用时，接触面积未改变，传递扭矩提高ｆ￣１５５．３４ｋＮ＿ｍ，　可见此时的受力状态倾向于压紧，有利于扭矩的传递，　但如果轴向力方向小　，结果必定相反。当计人介顷受　压前后的温度效应时，促使了接触对脱离，即温度对接　触状态的影响比较显著，但接触面积减小的同时，传递　扭矩却反而增大了，说明接触部分的压应力增大ｒ，整　个模型的应力分布在热影响下呈现｝ｆＪ不规则变化趋势。　当摩擦因数由０。１　５增火刮０．２时，接触面积不会发啦改　

各影响因素结果对比表　

三　通用柳筒　２０１　７年第９期、　ｗ．ｃｔｙｊｘ¨）ＩＩ１　变，但传递扭矩明显提升，说明摩擦因数的取值直接影　响到叶轮实际可传递扭矩的大小，这也是为什么设计值　与现场常常存在偏离的关键所在。　

四、结语　通过以上不同工况下的接触非线性分析，初步得　出离心式压缩机叶轮与轴过盈连接结果，将对今后的叶　轮过盈分析与设计提供指导。　主要分析结论为：　１）叶轮运转时所受轴向力会影响到接触对间的应　力分布，从而影响传递扭矩的大小，但不同叶轮所受轴　向力的大小和方向存在较大差异，故对特定叶轮需要单　独分析。　２）温度效应影响显著，它不仅影响应力分布，还　会引起接触对周围的热变形，分析时不应忽略。　３）摩擦因数的大小受诸多因素影响，目前只能根　据已有研究成果将其值界定在一定范围内，但摩擦因数　越大，计算所得的传递扭矩越大，会间接导致过盈量取　

值偏小而存在松脱的风险，故暂推荐取０．】５。　参考文献　【ＩＩ黄钟岳，王晓放．透平式压缩机【Ｍ】．北京：化学工业　出版社，２００４．　『２］Ｊａｍｅｓ　Ｍ．Ｓｏｒｏｋｅｓ＇Ｍａｒｋ　Ｊ．Ｋｕｚｄｚａｌ，张海界．离心压缩机　的发展历程【Ｊ１凤机技术，２０１１（３）．　【３】闻邦椿．机械设计手册【Ｍ】．５版．北京：机械工业出版　社，２０１０．　【４】王勖成．有限单元法【Ｍ】．北京：清华大学出版社，　２００３．　［５］马国军，高俊福，郭峰，等．压缩机主轴一叶轮摩擦　性能及过盈装配主轴弯曲变形研究【Ｊ】．大连理工大学　学报，２０１５，５５（６）：５７５—５８１．　【６］曹东海，卢泽生．静摩擦因数与表面粗糙度关系的实　验分析【Ｊ】．机械传动，２００５．　【７］符杰．过盈配合的摩擦因数研究【Ｄ】．大连：火连理　大学，２００７．曼Ｍ　（收稿日期：２０１７／０３／１５）　

西门子助力宝钢技术虚拟远程运维技术及标准研究　西门子与中国宝武钢铁集团有限公司（宝武集　团）再次深化合作，在西门子２０１７过程工业峰会上，与　定钢工程技术集团旗下的宝钢工业技术服务有限公司　（宝钢技术）就其虚拟远程运维技术及标准研究签署合　作协议以及一期项目合同。这是２０１６年西门子与宝钢集　团正式签署《智慧制造（工业４．０）战略协议　以来，　双方合作的深度推进。　根据双方协议，西门子将为宝钢技术基于工业互　联网的虚拟运程运维平台项目提供产品、解决方案和相　应技术咨询等相关服务，帮助宝钢技术建设高效的数字　化、可视化运维体系，实现设备运维的全生命周期管　理，共同打造流程工业领域的虚拟远程运维样板工程。　在此项目过程中，双方还将基于中德智能制造标准对　接，展开相应的远程运维标准的研究。宝钢技术远程运　维平台将覆盖其上海宝山、武汉青山、湛江东山和南京　梅山等四大基地。　该项目的意义在于可以大大节省成本，特别是现　场运维和后台支持的成本，提高设备运维效率。在项目　建设中，宝钢技术将利用西门子等数字化技术与解决方　４４　Ｉｌｌ　期　案（Ｃｏｍｏｓ、ＸＨＱ、ＴｅａｍＣｅｎｔｅｒ）来构建设备运维现场　与后台相结合的数字化解决方案；结合西门子开发的　ＡＲ虚拟头盔技术，构建设备运维的数字化场景；基ｒ　西门子大数据分析技术优化其设备运维管理模型；基于　西门子ＣＤＣ（Ｃｙｂｅｒ　Ｓｅｃｕｒｉｔｙ）工业信息安全技术，更　安全地构建和运营基于工业互联网的运维平台。与此Ｉ　时双方也同意在下一步选择部分关键点共同开展基于人　数据的运维管理探索，且宝钢技术也会支持西门子基干　ＭｉｎｄＳｐｈｅｒｅ的远程运维Ａｐｐ在其平台上进行测试。双方　还同意，在项目进展过程中，共同培养智能制造以及远　程运维的人才。