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一种大直径三元流径向销联接转子的加工技术

刘亚芹 谭小平 黄 英 / 西安陕鼓动力股份有限公司    

Abstract
摘要:分析了大直径三元流径向销联接转子的结构和加工难点,利用NX软件探索出三元流叶片建模的新方法,型面误差小,曲面质量好;利用有限元软件研究叶片展开技术,计算结果唯一,精度高;设计制造接长刀杆,避开叶轮的干涉,实现径向孔的加工。实践证明,该转子完全满足机组的正常运行,实现了国产化制造。
关键词:大直径转子;叶片造型;叶片展开;径向孔加工

中图分类号:TH442 文献标志码:A
Machining Technology of a Large Diameter Three Dimensional Flow Rotor with Radial Pin Connection
Abstract:In order to manufacture a large diameter three dimensional flow rotor with radial pin connection, the structure and machining difficulties of the rotor are analyzed. New approach of three dimensional flow blade modeling is explored with NX software, results in small surface deviation and high surface quality. Blade development technique isstudied by using finite element software, the result is unique and the accuracy is high. Long bar of cutting tool without interferenceis designed and manufactured, with which the processing of radial hole is realized. Practice has proven that self-manufacturing rotor makes the unit running normally. Thus manufacturing technology of the rotor is mastered by our company.
Key words: large diameter rotor; blade modeling; blade development; radial holemachining
0 引言
  压缩机[1]广泛应用于国民经济的各个领域,是用户装置的核心设备,而转子又是压缩机的心脏,是关键部件。大直径三元流径向销联接转子结构尺寸大,叶片型面复杂,制造难度大,我们针对其制造技术进行了专门的研究和开发。
1 转子结构及加工难点
1.1 转子结构

  大直径三元流径向销联接转子由主轴和若干级三元流叶轮[2]组成,串联布置。叶轮与主轴的配合采用径向销联接。其中小机组主轴与联轴器采用锥面联接,大机组采用轴端法兰销孔联接。中等机型叶轮直径Φ1 060mm,叶片厚度9.5mm,大型机组叶轮直径Φ1 500mm,叶片厚度达15mm。图1为该转子第1级叶轮的结构图。

图1 转子第1级叶轮结构图

1.2 加工难点和需要解决的问题
  这种结构的转子我们只见过用户现场使用的进口转子,没有自制先例和经验,要实现该转子的国产化[3]制造需要解决以下几个问题:
  1) 该转子三元流叶轮直径大,叶片大且厚,大型机组叶轮[4]直径Φ1 500mm,叶片厚度达15mm,是目前我们遇到的最大的三元流叶片。如何控制型面误差保证型面准确,如何进行大三元流叶片展开[5] ,是要解决的问题。
   2) 一级叶轮径向孔距轮盘距离H非常近,中等机型一级叶轮径向孔距轮盘距离H仅20.5mm,钻孔深度L较深,钻杆和叶轮轮盘干涉会导致径向孔无法钻出。这个尺寸我们曾试图沟通协商,将其改大一些,但经过分析计算,改大将改变转子的受力状况,因此图纸上仍保持尺寸不变,这样钻孔难度就非常大。因而,如何实现这种转子径向孔的加工,是要解决的问题。
   3) 一级叶轮径向孔的孔口带螺纹,螺孔在主轴上,销孔一部分在主轴一部分在叶轮上,螺孔距轮盘尺寸很小,丝锥夹具都会和轮盘干涉。螺堵拧入螺孔,在高速旋转的转子上,如果螺纹配合不合适,就会因高速旋转产生离心力使螺堵松动,影响转子的平稳运行。因此,螺孔的加工也是要解决的问题。
2 转子加工方法
2.1 探索三元流叶片建模[6] 、叶片展开新方法

  以往采用的叶片建模方法是通过目测曲线是否光顺,然后手动修改点坐标使曲面看起来比较光顺。因为没有具体的量化数据,图纸原始点与最终造型面偏离多少根本无法知道。
现在利用NX软件平台探索出三元流叶片建模的新方法。
   1) 用图纸所给点初始造型时,通过改变视图方向、曲面阶次控制型面误差,经过延伸、裁剪及光顺处理,最终造型后,可以分析图纸所有点与最终造型面的误差,将型面误差控制在0.5mm以内。
   2) 图纸给出的叶片型面数据是一系列坐标点,这些叶片型面的坐标点分布在叶片边界线内,用这些叶片原始点直接生成的曲面不能做符合造型要求的延伸、旋转等处理,不能直接用于生成数控加工程序。
   3) 先读取叶片原始点,通过点云形成曲面功能,将原始点生成曲面片体,再对其进行处理,在型面上生成一系列截面线,对这些截面线进行光顺处理,再通过这些光顺过的曲线生成叶片型面。
   4) 然后对叶片型面进行检查,运用NX偏差分析功能检查原始数据点与型面偏离情况,用反射分析功能检查型面的光顺程度,根据偏差情况进行调整,最后得到连续光顺的曲面[7]
  2.1.2 三元流叶片型面属于空间复杂曲面,是自由非均匀样条曲面[8] ,理论上这种叶型无法精确展开为平面形状[9] ,所以前期一些专家学者对此类曲面展开的关键技术[10]也做过大量的探讨与研究。主要包括:
   1) 通过数学计算直接展开[11] ,即将曲面离散为若干个三角形或四边形单元,指定其中一个单元为展开基准,按照一定的顺序和方向将其它单元依次和基准单元拼接在同一平面上。此类方法简单易行,计算效率高,但基准单元不好确定,展开精度不够高,展开结果不唯一,也很难直接判定哪一个结果更准确;
   2) 极值展开法[12] ,其核心思想是保持展开前后曲面上所有网格节点间的距离变化最小,这是一种求极值算法,实质上是求误差最小展开曲面的算法。该方法的优点是精度较高,结果唯一,缺点是计算效率低。
   我公司以往三元流叶片展开,采用“人工拓样”的工艺手段,用铜皮或纸拓样的外形压平,描绘到坐标纸上再进行数据采集。用铜皮展开非直纹面的方法已使用了十五六年,展开的数据经过修正可以使用,但编程人员的劳动量大,耗费了大量时间和精力。用纸样展开拓样法在小叶片上用过,大叶片用纸就不准确了,用纸样展开做出的叶片会因其比压型模[13]型面大而无法压型,会把压型模定位销子挤歪。
   对于大型机组的一级三元流叶片来说,叶长近800mm,进气边长达280mm,扭曲度大,展开难度更大,一级叶片造型见图2。

图2 转子1级叶片造型图

  现在利用数学计算与人工“拓样展开”方法相结合的思路,开发了三元流叶片展开软件模块,利用有限元软件进行叶片展开计算的方法:
   1) 模拟“拓样展开”过程,将铜材质的叶片模型直接压展在平面上。利用NX软件创建叶片三维曲面造型,并将旋转好用于压型的曲面以.igs格式输出,再导入有限元分析软件ANSYS系统中。系统通过使用动态仿真模拟分析,自动完成叶片展开数据的计算;
   2) 设置叶片与上、下压型模间的接触情况为面-面自动接触,再选择叶片离坐标原点最近的角点为约束点,约束XY方向位移,最后对上压型模施加位移载荷,使其沿法向运动,不断贴近下压模,挤压中间的叶片曲面。通过对接触、约束与载荷这些参数的设定及优化,得到叶片展开数据;
   3) 通过对数据结果的计算处理,得到展开后的平面叶片边界节点坐标,对这些新的节点坐标进行曲线拟合,即得到展开后的叶型。此叶型可直接用于下料尺寸及铣周边程序的编制。不仅大大提高了工作效率,而且使用方便,误差小,结果唯一且准确,无需编程人员反复修改,完全满足叶轮使用需求。
2.2 设计专用钻杆,实现转子径向销孔的加工
   对所有这类转子进行统计,计算大、中、小机型一级叶轮的LH值,并进行分析整理,综合考虑这些数值设计制造出3种刀杆,满足所有系列的使用,见表1。图3为转子径向孔加工的示意图,将钻头装入接长钻杆,钻杆连接机床主轴,通过钻杆避开叶轮和轮盘的干涉。

表 1 径向孔用钻杆

钻杆直径 /mm

钻杆长度 /mm

用于机型

Φ 33

360

小机型

Φ 35

360

中等机型

Φ 40

440

大机型

   销孔深度有公差要求,同一级叶轮销孔深度要求一致。为保证销孔的尺寸精度,径向销孔的加工在数控落地镗床上完成,先用中心钻点出销孔的中心位置,以防止钻头钻偏,再用钻头预钻孔,然后用铣刀扩孔,加工销孔底面,最后用铰刀铰孔,铣刀和铰刀也用接长钻杆连接。

1.丝锥接杆;2.丝锥;3.铰刀;4.铣刀;5.麻花钻;6.接长钻杆;7.接机床

图3 转子径向孔加工示意图

2.3 设计丝锥接杆,实现螺孔加工
   螺纹攻丝有两种方案,方案一是安装叶轮前在主轴上将螺纹攻出,优点是攻丝的空间足够大,丝锥周围没有碰撞干涉;缺点是叶轮安装后配钻叶轮上径向孔时,需要重新找正孔的位置,找正过程很困难,需要反复调整转子的位置,劳动强度大,而且会产生找正误差,导致螺孔中心和销孔中心不重合。方案一对找正的要求高。方案二是叶轮安装后在转子上将螺孔攻出,优点是螺孔和销孔一次装夹钻出,只需一次找正,可以保证螺孔和销孔中心一致;缺点是丝锥夹具和轮盘碰撞干涉。
   我们设计了两种丝锥接杆,使丝锥接杆的半径小于H值,这样丝锥接杆就避开了叶轮的干涉,丝锥接杆下面接丝锥,上面接机床主轴,实现了在转子上攻螺纹。不但避免了二次找正产生的误差,还解决了反复调整劳动强度大的问题。
3 结束语
  采用三元流叶片建模的新方法,叶片造型精度高,曲面光顺程度好;利用有限元软件进行叶片展开计算,得到的展开结果准确,工作效率高;设计接长钻杆和丝锥接杆,解决了钻径向孔和叶轮碰撞干涉的问题。采用以上方案,先后完成了几十台大直径三元流径向销联接转子的制造,其技术得到突破,机组的整体配套能力得到提升。

参 考 文 献

[1] 谢进祥. 加氢精制装置循环氢离心压缩机性能曲线近似相似换算[J]. 风机技术,2008(2):30-32.
[2] 赖天琴.三元流叶轮的加工现状及前景[J]. 机电工程,1997(6):18-19.
[3] 李大勇.离心压缩机转子国产化应用研究[J]. 科技创新与应用,2012(13):98.
[4] 张小龙,周成武,周亚锋.正交试验在离心叶轮强度优化设计中的应用[J]. 风机技术,2011(6):36-38.
[5] 郝春娜.压缩机T型叶轮点元素三元叶片基本展开型谱创建[J].风机技术,2012(3):49-52.
[6] 卢继平,唐水源,左建华.基于UGⅡ的叶片建模与加工[J].北京理工大学学报,2004,24(4):303-305.
[7] 王晓红,雷颖毅,朱延岚.UG软件三元流叶片压型模数控加工探讨[J]. 机械工程师,2012(6):74-75.
[8] 朱心雄.自由曲线曲面造型技术[M].科学出版社,2001.
[9] 付掌印,林大钧.不可展曲面近似展开方法的合理性判断标准[J].工程图学学报,2005(6):36-40.
[10] 马明旭,毛昕,王哲英.不可展曲面近似展开系统中的关键技术[J].机械设计与制造,2002(2):97-99.
[11] 刘小健.不可展曲面的计算机展开方法研究[J].山东轻工业学院学报,1999(1):38-40.
[12] 王巍雄,李嵩,朱之墀.不可展曲面的极值展开法及其在轴流通风机叶片中的应用[J].风机技术,2004(4):18-22.
[13] 张云侠.三元流叶片压型模具的设计与制造[J].风机技术, 1994(6):24-25.

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  评论人:不锈钢网   打分:0 分  发表时间:2015-7-18 0:52:42
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