離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子制造關(guān)鍵技術(shù)探析

王文博++李煜

摘 要：離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子是現(xiàn)代一些大型機(jī)械設(shè)備的核心構(gòu)件，從某種程度上來(lái)講，它直接影響著一個(gè)國(guó)家機(jī)械制造業(yè)的實(shí)際水平，所以，離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的制造技術(shù)是非常重要的。但是，非常遺憾的是，我國(guó)目前離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子制造技術(shù)還不成熟，大多數(shù)離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子都從外國(guó)進(jìn)口，這對(duì)于我國(guó)現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展是非常不利的。本文對(duì)離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的小特點(diǎn)進(jìn)行了分析，探討了葉輪軸向力以及工藝流程及加工方式，提出了離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)方案，希望能夠?qū)ξ覈?guó)自行生產(chǎn)離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子起到一定的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子；制造技術(shù)；葉輪軸向力；工藝流程及加工方式

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.07.033

雖然我國(guó)社會(huì)和科學(xué)技術(shù)在近幾年得到了快速發(fā)展，但是在一些尖端領(lǐng)域我國(guó)還有非常多的不足。比如，在機(jī)械制造領(lǐng)域，非常關(guān)鍵的離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子依然是我國(guó)目前無(wú)法自行制造的，這對(duì)于我國(guó)工業(yè)的發(fā)展非常不利。另外，從外國(guó)進(jìn)口離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子，一旦發(fā)生故障，那么還需要花費(fèi)大量的資金來(lái)邀請(qǐng)國(guó)外工程進(jìn)行修理，增加了設(shè)備的維護(hù)成本，這對(duì)于我國(guó)本土企業(yè)的發(fā)展是非常不利的。還有，從國(guó)外進(jìn)口離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子，不但維護(hù)成本高，而且耗時(shí)長(zhǎng)，一旦設(shè)備出現(xiàn)故障就會(huì)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)造成很大的影響，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致工程停工，給企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。所以，研發(fā)我國(guó)能夠自主生產(chǎn)的離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子勢(shì)在必行。

當(dāng)前，對(duì)生產(chǎn)離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子來(lái)講，最主要的技術(shù)難點(diǎn)就是如何保證葉輪軸向力和工藝流程及加工方式，而確保該工作的前提就是擁有性能優(yōu)良的原材料。本文對(duì)離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的化學(xué)成分進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上確定了其原材料，然后以此原料為基礎(chǔ)進(jìn)行了葉輪軸向力的檢驗(yàn)，最后提出了較為可行的生產(chǎn)方案。

1 離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子失效的特征

離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子在機(jī)械設(shè)備中非常重要的一個(gè)作用就是對(duì)渦輪的動(dòng)力進(jìn)行傳輸，因此也將壓縮機(jī)稱之為轉(zhuǎn)子軸，如果想要是我國(guó)能夠自主生產(chǎn)離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子，第一步就必須要分析出制作離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的基本材料。所以，本文對(duì)一件出現(xiàn)裂紋的轉(zhuǎn)子進(jìn)行了分析。從轉(zhuǎn)子的裂紋處我們能夠判斷出，裂紋具有下面一些特征：（1）終端區(qū)周邊呈現(xiàn)出白亮的金屬色澤，其余位置為銀灰色；（2）對(duì)其進(jìn)行微觀觀察時(shí)，發(fā)現(xiàn)裂紋區(qū)較為平滑并且其中分布著多個(gè)黑色區(qū)域，猜測(cè)這些黑色區(qū)域可能是雜物或者由于離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子在使用過(guò)程中被腐蝕所造成的。

通過(guò)對(duì)該區(qū)域材料實(shí)施化學(xué)分析我們得知，該區(qū)域的碳、氧、鋁以及鉀元素含量比較高，將離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子表層的圖層去掉之后對(duì)其再次分析，可以斷定離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子是由31CrM0V9制成。之后再對(duì)斷裂的原因展開(kāi)分析：（1）轉(zhuǎn)子軸在實(shí)際使用中承擔(dān)著主要的扭力，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子軸裂紋的特征進(jìn)行觀察我們可知，其裂紋是由于受到正應(yīng)力的作用而形成并緩慢擴(kuò)展開(kāi)來(lái)的。從斷面情況觀察，沒(méi)有非常明顯的塑性形變，這證明轉(zhuǎn)子軸是因?yàn)槠诙_(kāi)裂的。在貝紋區(qū)中心部位有黑褐色氧化物存在，這可以推斷出該位置是經(jīng)由高溫氧化作用形成的，有可能在淬火工藝之前就已經(jīng)存在，即有可能該轉(zhuǎn)子軸制作加工過(guò)程中就有一定的不足。（2）通過(guò)對(duì)裂紋的微觀觀察結(jié)果我們可知，裂紋區(qū)具有大量的含有鋁、鉀的氧化物，且相關(guān)表征已經(jīng)證明，轉(zhuǎn)子表層已經(jīng)遭受到一定的腐蝕，這可能是其運(yùn)行環(huán)境造成的。（3）通過(guò)化學(xué)成分分析的結(jié)果我們可知，離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的原材料為31CrM0V9，它符合軸類零件的材質(zhì)要求。（4）零件的芯部硬度為29HRC，硬度稍顯不足，但是其仍然可以達(dá)到軸類零部件使用的需求。

2 葉輪氣流軸向力

使用31CrM0V9作為離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的原材料，并對(duì)其開(kāi)展軸向力校核。離心壓縮機(jī)葉輪做功使氣體獲得能量，氣體壓力升高。這樣葉輪產(chǎn)生一個(gè)軸向力，氣流軸向力主要由兩部分組成，一是葉輪兩側(cè)的氣體壓力不等，另一部分由氣體動(dòng)力產(chǎn)生。

（1）氣體壓力不均衡所引起的軸向力計(jì)算公式為：F=F2-F1-F0

通過(guò)計(jì)算最終得出F=F2-F1-F0=109.9945×103N

（2）計(jì)算氣動(dòng)力產(chǎn)生的軸向力F=0.014×103N

（3）氣流軸向力Fg=F+F=110.0366×103N

31CrM0V9所能承受的壓力極限為5x106N。顯然，當(dāng)轉(zhuǎn)子材料選擇31CrM0V9時(shí)，是滿足上述軸向力要求的。

3 自主化生產(chǎn)方案及工藝流程

在尋找到可以制作轉(zhuǎn)子的材料之后，經(jīng)過(guò)對(duì)材料的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其能夠滿足轉(zhuǎn)子工作所需要的條件，即可以滿足軸向應(yīng)力要求，在此基礎(chǔ)上對(duì)技術(shù)方案及工藝流程進(jìn)行改進(jìn)，如下：

（1）設(shè)計(jì)出生產(chǎn)圖紙。通過(guò)對(duì)進(jìn)口的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子各方面數(shù)據(jù)和性能的測(cè)定，收集其各項(xiàng)指標(biāo)，并對(duì)其展開(kāi)受力分析以及腐蝕性研究，通過(guò)篩選、對(duì)比，最終選出合適的材料。

（2）然后，按測(cè)繪圖編制GT032TIG2型壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子試制工序，備料，試制加工和熱處理。

（3）其次，將加工好的GT032TIG2型壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行高速動(dòng)平衡試驗(yàn)和超轉(zhuǎn)試驗(yàn)，進(jìn)行最后檢查、驗(yàn)收，并油封。

（4）最后，利用對(duì)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行檢修的機(jī)會(huì)用國(guó)產(chǎn)的設(shè)備替換掉進(jìn)口的設(shè)備，并進(jìn)行空載試運(yùn)行，然后使半負(fù)荷運(yùn)行，最后進(jìn)行滿負(fù)荷運(yùn)行，在此過(guò)程中對(duì)設(shè)備運(yùn)行的平穩(wěn)性、壓力、振動(dòng)值以及溫度等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行測(cè)定。

GT032TIG2型循環(huán)氣體壓縮機(jī)檢修后，機(jī)組通過(guò)空載運(yùn)行，半負(fù)荷運(yùn)行，滿負(fù)荷48h運(yùn)行，以及半年運(yùn)行考核，機(jī)組排氣量、壓力、轉(zhuǎn)子振動(dòng)值和軸承溫度等關(guān)鍵運(yùn)行技術(shù)指標(biāo)符合原機(jī)設(shè)計(jì)值，該機(jī)組國(guó)產(chǎn)轉(zhuǎn)子性能基本和原裝轉(zhuǎn)子相當(dāng)，能夠完全替代進(jìn)口備件，說(shuō)明本次轉(zhuǎn)子國(guó)產(chǎn)化改造非常成功。

4 結(jié)論

在本文的研究中，通過(guò)精心的前期準(zhǔn)備，按照設(shè)定的規(guī)劃對(duì)離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的原材料成分、葉輪氣流軸向力等關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了分析和驗(yàn)算，并在此基礎(chǔ)上提出了我國(guó)自主生產(chǎn)離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的方案。

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