[发明专利]一种减小主轴—叶轮装配应力和主轴弯曲变形的设计方法

说明书

本发明属于大型机械设备设计、制造与装配技术领域，提供一种减小主轴—叶轮装配应力和主轴弯曲变形的设计方法。在叶轮轮毂盘底一侧端面离主轴表面一定距离处设置环向沟槽结构，沟槽形状根据具体产品的技术指标、加工设备条件确定；并采用大型商用有限元软件ABAQUS分别计算五种不同形状截面的主轴弯曲变形、Mises应力、接触压力和最大可传递摩擦扭矩，选择与主轴—叶轮相匹配的最优环向沟槽形状及尺寸。本发明在不显著减小摩擦扭矩的前提下，可以有效减小主轴热装配时的弯曲变形，同时还能够大幅减小应力集中程度，为解决大型旋转机械的主轴—叶轮过盈装配弯曲变形问题和应力集中问题提供良好的解决方案。

技术领域

本发明属于大型机械设备设计、制造与装配技术领域，涉及一种减小主轴—叶轮装配应力和主轴弯曲变形的设计方法。

背景技术

主轴—叶轮是许多大型旋转机械中的核心部件，为了提高运行效率节约能源，此类设备正不断向高速化、大型化和超大型化方向发展，相应的主轴—叶轮尺寸也越来越大，转速越来越高。最具代表性的就是广泛用于石油化工、冶金、空气分离、制药以及国防科研等领域的大型离心式压缩机，如某MCO型离心压缩机组主轴总长达到5.933m，首级半开叶轮外径达到1.6m，设有4级叶轮，跳闸转速下叶轮外缘线速度更是达到390m/s。由于需要在高速、高离心力作用下工作，主轴与叶轮之间必须有效可靠连接，所能传递的扭矩必须足够大。为了达到这一目标，大型机械中的主轴—叶轮往往采用温差法过盈装配连接，即首先加热叶轮，等到叶轮内径大于主轴外径后将叶轮放置到所需装配的位置，待其冷却后叶轮和主轴就完成了装配。当然，若过盈量较大，可在加热叶轮的同时冷却主轴，使装配更容易实现。温差法过盈装配结构简单、对中性好、承载能力强，但在实际生产过程中发现，主轴在装配时经常产生较大的弯曲变形，叶轮与主轴接触边缘也会产生显著的应力(接触压力、应力)集中，而且主轴—叶轮的尺寸越大，主轴发生弯曲变形的频率和程度也越大，应力集中程度也越大。对旋转机械而言，主轴弯曲变形过大，势必导致转子运行过程中出现振动超标、噪声过大、碰磨以及失稳等一系列不良后果，生产过程中弯曲变形量一般不允许超过20μm，而严重的应力集中对结构的强度，特别是疲劳强度会产生明显的不利影响。

此前曾有国外产品采用在叶轮轮毂内孔靠近盘底外端处环向切除部分材料，从而使叶轮轮毂与主轴在此处不产生接触。计算分析表明这种设计方法由于在轮毂内孔往里仍然有新的接触边界，应力集中依然存在，只能小幅减小应力集中程度；此外，这种设计缩短了主轴与叶轮的轴向接触长度，导致主轴与叶轮轮毂有效接触面积减小，从而使所能传递的最大摩擦扭矩减小，增加了叶轮与主轴发生松动的风险。至于有关主轴弯曲变形的相关研究国内外都未见公开报道，更无有效解决办法。申请人此前曾对主轴热装配弯曲变形机理等问题进行过较为系统的研究，发现导致主轴热装配弯曲变形的因素很多，但接触面上分布的摩擦力是阻碍弯曲变形回复的主要原因，而摩擦力又主要受接触压力影响，因此在本专利中提出一种新的设计方法来防止或减小主轴装配弯曲变形和应力集中，数值计算结果表面该方法的确有效。

发明内容

本发明要解决的技术问题是大型旋转机械主轴与叶轮过盈装配时的应力集中和主轴弯曲变形问题。为了既减小主轴与叶轮装配后的应力集中程度，又在不显著减小最大可传递摩擦扭矩的前提下减小主轴发生弯曲变形的频率和程度，本发明提供一种在叶轮轮毂盘底一侧端面离主轴表面一定距离处设置环向沟槽结构的设计方案。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

由于叶轮整体结构沿轴向方向明显不对称，靠近盘盖一端的结构刚度明显小于盘底一端的结构刚度，导致叶轮轮毂与主轴在盘底附近存在较为严重的应力(接触压力、应力)集中，所以本发明通过只在叶轮轮毂盘底一侧的端面设计环向沟槽，局部削弱叶轮的刚度，使局部接触压力和应力大幅降低，接触压力沿轴向分布更为均匀。此外，由于叶轮轮毂与主轴在沟槽附近未脱离，有效接触面积未减小，对所能传递的最大摩擦扭矩影响甚微。

一种减小主轴—叶轮装配应力和主轴弯曲变形的设计方法，包括以下步骤：