壓縮機轉子國產化及應用

康少博，李鋼，朱圣華，張世清，梁以鋼

（1.鄭州機械研究所，河南 鄭州 450052；2.萊蕪天元氣體有限公司，山東 萊蕪 271100；3.武漢鋼鐵集團氣體有限責任公司，湖北 武漢 430000）

壓縮機轉子國產化及應用

康少博1，李鋼1，朱圣華2，張世清3，梁以鋼3

（1.鄭州機械研究所，河南 鄭州 450052；2.萊蕪天元氣體有限公司，山東 萊蕪 271100；3.武漢鋼鐵集團氣體有限責任公司，湖北 武漢 430000）

本文介紹了萊鋼和武鋼的進口壓縮機轉子的國產化研制過程，最終通過對齒輪精度的嚴格控制和不同高速動平衡手段，使整機的振動保持在良好的水平。整個過程為相關進口設備的國產化提供了參考。

壓縮機轉子；齒輪精度；高速動平衡；振動

0 引言

多軸式齒輪增速型離心壓縮機是鋼鐵、石油化工等企業生產中的核心關鍵設備，庫伯、德馬格、阿特拉斯、英格索蘭等知名的壓縮機制造廠家的產品特點是高效節能、設計優良、技術含量高，是目前我國此類壓縮機使用的主導產品。一直以來，一旦壓縮機轉子出現問題，用戶只能依賴進口備件來滿足使用要求，但進口備件不但工期長，而且價格一直居高不下，國內一些生產企業常常因為進口壓縮機出現問題而處于非常被動的地位。近年來，鄭州機械研究所對進口壓縮機齒輪轉子的國產化開展了大量的研究工作，從2008年至今該所為國內多個生產廠家成功修復多臺套進口壓縮機，期間攻克了高精度“端面齒”的研制、高速柔性轉子齒輪的生產研制以及轉子高速動平衡現場試驗等技術難題，填補了該領域國內的空白。本文介紹比較有代表性的空壓機轉子和氮壓機轉子的國產化研制過程。

圖1 空壓機概圖

1 壓縮機主要特征和技術參數

1.1 結構特征

萊鋼8#制氧空壓機是該公司2.2萬Nm3/小時空分機組的核心設備，其概況見圖1。武鋼空壓機是該公司1萬Nm3/小時空分機組關鍵設備，F臺氮壓機是該公司3萬Nm3/小時空分機組關鍵設備，結構簡圖見圖2。三種壓縮機都是典型的H型結構離心式壓縮機組，機組將壓縮機與增速箱合成一體，大齒輪裝在驅動軸上驅動兩側高速齒輪轉子，葉輪分別裝在高速齒輪轉子兩端，氣體經過多級葉輪壓縮排出。其中萊鋼空壓機為三級葉輪壓縮，武鋼空壓機和氮壓機為四級葉輪壓縮。該形式壓縮機具有氣量大、效率高、結構簡單緊湊等優點，但由于高速轉子轉速高而對齒輪精度要求很高，同時對齒輪轉子與葉輪聯接型式的加工精度以及動平衡精度要求極高。

圖2 壓縮機結構簡圖

1.2 技術參數及要求

武鋼VK-63型透平空壓機參數：

電機功率6000 kW

輸入轉速：1000 r/min

輸出轉速：1-2級轉子6391 r/min ，3-4級轉子7946 r/min

吸入流量56000 Nm3/h

吸入壓力94.4 kPa

排出壓力0.54 MPa

萊鋼8#制氧空壓機參數：

電機功率：9900 kW

輸入轉速：1500 r/min

輸出轉速：1-2級轉子8925 r/min ，3級轉子12750 r/min

吸入流量127801 Nm3/h

絕對壓力：6.15 bar

武鋼F臺氮壓機參數：

電機功率：2560 kW

輸入轉速：1490 r/min

輸出轉速：1-2級轉子17810 r/min ，3-4級轉子 21370 r/min ；

吸入流量22000 Nm3/h 吸入壓力105 kPa 18℃

派出壓力1693 kPa

吸入溫度 41℃

2 壓縮機轉子測繪設計和制造

2.1 箱體及轉子測繪

中心距是齒輪箱傳動重要參數，首先對壓縮機箱蓋進行三坐標測量，精確測出各級轉子齒輪副中心距。對齒輪副進行測繪檢測，確定模數、齒數、壓力角、螺旋角等重要參數。根據所測中心距和齒輪相關參數進行逆向分析，確定各齒輪的準確參數[1]。然后對轉子進行精確的幾何尺寸測繪。

2.2 葉輪與轉子聯接方式

（1）武鋼VK-63型空壓機葉輪與轉子聯接是常見的圓柱過盈聯接；（2）武鋼F臺氮壓機葉輪與轉子聯接方式為圓柱過盈聯接和圓錐過盈聯接；（3）萊鋼空壓機葉輪與轉子聯接方式是端面齒聯接。前兩種聯接型式較為常見，端面齒聯接是一種新型的聯接方式，見圖3。端面齒優點是對中精度高，屬高強度聯接，拆卸方便，重復使用精度高，使用壽命長。近年來常被用于空壓機葉輪與轉子的聯接，但要求端面齒精度4級以上。對端面齒進行測繪并計算[2]：

其中 α為齒根傾角，θ為齒型角，Z為端面齒齒數，S為節平面弦齒厚，h為理論全齒高，D為端面齒大端外圓直徑。計算后可根據平面弦齒厚S測量出端面齒齒頂高，為端面齒磨削加工提供精確的參數，從而保證轉子與葉輪聯接的軸向尺寸。

2.3 轉子齒輪的材料、工藝及強度校核

壓縮機轉子齒輪轉速高，其中空壓機轉子齒輪節圓線速度達到144 m/s,對可靠性要求很高。因此 高速轉子齒輪采用18CrNiMo7-6優質合金鋼，低速齒輪采用34CrNi3MoA優質合金鋼，化學成分和力學性能符合JB/T 6395-2010《大型齒輪、齒圈鍛件 技術要求》中相關材料的規定，熱處理采用滲碳淬火工藝，熱處理檢驗要求符合GB/T 8539-2000《齒輪材料及熱處理質量檢驗的一般規定》中ME級要求，齒輪磨齒加工，精度達到5級（GB10095-2008）以上。對于更高轉速的轉子，要求齒輪4級以上精度。對齒輪強度校核計算，保證齒輪強度滿足設計要求。

圖3 端面齒示意圖

2.4 轉子齒輪的加工精度

齒形公差和齒距極限偏差影響齒輪運動的平穩性，齒向公差影響齒輪載荷分布的均勻性，齒距累積公差和齒圈徑跳公差影響齒輪傳遞運動的準確性。保證齒輪精度5級，必須所有檢測項目都達到5級以上，壓縮機轉子齒輪最終精度見表1、表2[3]。與此同時，齒輪應進行齒形和齒向修形，尤其是高速轉子齒輪要進行精密的彈性變形和熱變形修形。

3 轉子的動平衡[4]

動平衡對于高速齒輪來說是必不可少的，低速轉子由于轉速不高，可以只進行低速動平衡，高速轉子除了低速動平衡之外，還要進行高速動平衡。高速轉子軸系在低速動平衡時，每個零件都要進行單獨平衡，組裝后再次低速平衡，從而可以減少各個零件之間的相互影響。

萊鋼空壓機轉子最高轉速12580 r/min，可以做離線高速動平衡。武鋼氮壓機轉子由于國內高速動平衡設備條件限制，不能做離線高速動平衡，安裝好后試車時發現所有4級葉輪處的軸振動均超標。通過對氮壓機動力學性能和結構特點進行分析，決定進行現場動平衡。根據氮壓機振動測試數據分析結果，各級葉輪組件均屬于撓性轉子，需按照撓性轉子平衡方法進行高速動平衡。最終采用兩套VMS系統進行測試，在現場對高速轉子實施了高速動平衡，取得顯著減振效果，各級葉輪處的軸振動值均低于報警值，且有較大余量。

表1 空壓機齒輪終檢精度表 μ m

表2 氮壓機齒輪終檢精度表 μ m

4 現場開車與振動

壓縮機轉子國產化后在現場安裝調試，最終機組自帶監測系統進行振動測量，數據如表3所示，所有振動指標均小于報警值，完全可以滿足使用需要。并與機組原正常使用狀態的振動數據對比，壓縮機目前的振動狀態達到甚至優于當時的振動狀態。

表3 各測點實際振動值

5 結論

目前空壓機、氮壓機均已經投入使用，運轉平穩。通過對齒輪精度嚴格控制和不同高速動平衡的手段解決了壓縮機轉子國產化的問題，是大型進口機組核心零部件國產化的成功案例，為以后相關進口設備的國產化提供了參考，有值得推廣的意義。

[1]成大先．機械設計手冊 第四版，第三卷: 化學工業出版社，2003:14,25～34．

[2]JB/T 4316.1-1999．直齒端齒盤 系列參數和尺寸．機械行業標準，1999:10～11．

[3]成大先．機械設計手冊 第四版，第三卷: 化學工業出版社，2003:14,56～78.

[4]成大先．機械設計手冊 第四版，第一卷：化學工業出版社，2003:1-606～1-612．

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1671-0711（2016）10（上）-0138-03