離心壓縮機端蓋起吊機構結構設計與靜力學分析

白俊峰，張弛，田東升，佘皖寧，周玙

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離心壓縮機端蓋起吊機構結構設計與靜力學分析

白俊峰1，張弛2，田東升3，佘皖寧4，周玙5

（1.沈陽鼓風機集團股份有限公司 透平工藝部，遼寧 沈陽 110869；2.沈陽鼓風機集團股份有限公司 研究院，遼寧 沈陽 110869；3.沈陽鼓風機集團股份有限公司 透平設計院，遼寧 沈陽 110869；4.沈陽鼓風機集團股份有限公司 定子車間，遼寧 沈陽 110869；5.沈陽鼓風機集團股份有限公司 科技管理部，遼寧 沈陽 110869）

垂直剖分式離心壓縮機端蓋的裝配方法是裝配壓縮機的關鍵技術難題，根據現有端蓋起吊機構，重新設計了一種可以調節起吊點的端蓋起吊機構。通過Pro/E的參數功能對其進行參數化建模，以有限元理論為基礎，施加端蓋及起吊機構的重力載荷后，對起吊機構進行靜力學強度分析，從而計算得出起吊機構的最大應力作用點及最大應力值，為起吊工具的設計提供理論依據，同時為優化改進奠定基礎。

垂直剖分式壓縮機；起吊機構；參數化建模；靜力學分析

離心式壓縮機在國民經濟各部門中占有重要地位，特別在冶金、石油化工、天然氣輸送、制冷以及動力等工業部門獲得廣泛應用[1]。離心式壓縮機的端蓋裝配是壓縮機裝配工藝中關鍵的技術難題之一。本文以某型垂直剖分式離心壓縮機端蓋為例，以現有端蓋起吊機構為基礎，通過創新機械結構，發明一種全新的起吊機構，通過有限元分析技術，求解起吊機構最大應力作用點及應力值，驗證全新起吊機構的機械強度。

1 端蓋起吊機構的重新設計

目前的起吊端蓋工裝上存在若干圓孔，通過吊環穿過不同位置的圓孔實現起吊重心的變化，結構如圖1所示。此方法僅能達到起吊點與重心接近的程度，很難實現起吊點與重心完全重合，容易造成端蓋起吊后仍存在輕微傾斜的情況，端蓋在吊裝過程中的稍許傾斜都會對端蓋裝配過程造成巨大困難，所以設計可調起吊點的端蓋起吊機構，便于吊裝端蓋裝配作業。

圖1 原端蓋起吊機構

現利用螺紋絲杠調整起吊點位置，重新設計的端蓋起吊機構結構如圖2所示。此種端蓋起吊工具主要由五部分組成，包括主體板、吊裝滑塊、手輪、絲杠、法蘭。

此機構主要工作原理為，絲杠固定不動，手輪旋轉帶動吊裝滑塊水平移動，實現起吊點位置的調整。在起吊端蓋時，端蓋與法蘭通過螺栓把合，起吊后為保證端蓋垂直于地面，操作者通過順時針或逆時針旋轉手輪調節吊裝滑塊位置，確認端蓋垂直后，即可停止對手輪的旋轉，利用絲杠與手輪的配合實現自鎖功能，再對端蓋進行裝配起吊作業，如圖3所示。

1.主體板 2.吊裝滑塊 3.手輪 4.絲杠 5.法蘭

2 端蓋起吊機構的建模

2.1 三維模型

鑒于在ANSYS WorkBench中建模存在較大困難，因此選擇Pro/E對端蓋起吊機構進行參數化建模[2-3]，如圖4所示。其中，主體板材料采用Q345A，吊裝滑塊材料為45號鋼，法蘭采用20號鋼，端蓋材料為KMN，端蓋起吊機構的基本尺寸為：主體板長、高、厚為910 mm、900 mm、70 mm，法蘭直徑275 mm。

圖3 端蓋起吊機構吊裝端蓋示意圖

圖4 端蓋起吊機構三維模型

2.2 靜力學模型

結構靜力學是有限元方法最常用的一個領域。應用有限元對結構進行分析，是一項綜合性的工作，包括結構的物理力學模型抽象為有限元計算的數學模型，計算程序的選擇或修改，在計算機上的實施，以及計算前后大量信息數據的處理等過程[4]。靜力分析用于求解靜力載荷作用下結構的位移和應力等[5]。

通過結構力學分析可知，此種起吊機構在起吊端蓋時，所受載荷主要取決于端蓋自重，同時，起吊機構也存在自重，在吊裝轉運過程中，運動較為緩慢，因此，對于起吊機構進行靜強度分析即可滿足計算要求[6]。經簡化后的力學模型如圖5所示。

圖5 端蓋起吊機構受力分析簡圖

為模擬真實起吊過程，對于此端蓋起吊機構，起吊點位置應與重物的重心在同一垂直線上且起吊點應在重心之上，從而便于計算在吊裝端蓋過程時端蓋起吊機構的受力情況。

通過Pro/E，利用三維模型，首先設置端蓋、起吊機構的材質密度均為7.85 g/cm3，利用Pro/E質量屬性功能分析計算得出裝配端蓋后起吊機構重心位置，從而得到重心位置坐標值。其次，經計算，＝514.5 mm時，起吊點位置與重心在同一垂直線上。最后，將吊裝滑塊滑移至重心位置，保證起吊端蓋垂直于水平地面，從而方便裝配工作。調整起吊點位置前、后的三維模型如圖6所示。

3 端蓋起吊機構的靜力學分析

3.1 有限元模型與載荷計算

首先，通過Pro/E對起吊機構建模，并進行適當簡化處理，對模型進行靜力學分析時，絲杠與手輪等零部件均不參與受力，因此將其去除，節省運算時間，處理后模型如圖7所示；其次，將簡化后的三維模型導入ANSYS WorkBench軟件中，再進行網格劃分；最后，為模擬真實起吊環境，將吊裝滑塊兩側吊耳進行全約束，將吊裝滑塊與主體板建立綁定接觸，于端蓋重心位置處施加端蓋重力載荷和起吊機構自重載荷。根據材料密度及模型體積計算得出，端蓋質量＝1.948×103kg，端蓋重量＝＝19090.4 N。因此端蓋起吊機構受到外力載荷為19090.4 N。

圖6 調整起吊滑塊位置前后三維模型

圖7 簡化后的端蓋起吊機構三維模型

3.2 求解與結果查看

通過計算，查看施加載荷后起吊機構應力云圖，如圖8所示，可知，當端蓋起吊機構起吊端蓋時，最大應力點位于主體板與法蘭的連接處，最大應力值為1＝70.733 MPa，其中法蘭材料為20號鋼，其屈服強度為245 MPa，主體板材料為Q345A，屈服強度345 MPa，最大應力值遠小于法蘭和主體板的屈服強度，根據實際工藝要求，法蘭與主體板連接方式為焊接，雖連接處強度不如一體式零件，但根據實際經驗仍可判斷得出連接處不會對起吊機構造成損壞。同時，查看施加載荷后吊裝滑塊應力云圖，如圖9所示，可知，吊裝滑塊應力最大點位于吊環與底板連接處，最大應力值僅2＝43.335 MPa，吊裝滑塊材料為45號鋼，材料屈服強度為355 MPa，因此可以斷定重新設計的端蓋起吊機構符合靜力學強度要求。

圖8 施加載荷后起吊機構應力云圖

圖9 施加載荷后吊裝滑塊應力云圖

4 結論

重新設計了離心壓縮機端蓋起吊機構，通過Pro/E參數化建模對起吊機構進行靜力學分析，利用有限元分析軟件得到起吊機構吊裝端蓋時的應力云圖，驗證了重新設計后起吊機構的靜強度，計算得出最大應力位置位于主體板與法蘭連接處，最大應力值為70.733 MPa，理論上符合強度要求。同時，本文僅計算了當起吊點與重心在同一垂線上時起吊機構的強度，未考慮起吊點與重心不在同一垂線的情況，還需下一步計算。

[1]邢海澎. 化工離心壓縮機混合氣體熱力特性與相似性研究[D]. 天津：天津大學，2013.

[2]孫守勝. 龍門起重機金屬結構動力學研究[D]. 武漢：武漢理工大學，2008.

[3]白俊峰，宋健，白伊川，等. 平行軸斜齒輪傳動系統的動態響應分析[J]. 機械，2016，43（4）：49-54.

[4]蔣海江. 起升動載激勵下門座起重機臂架系統動態特性研究[D]. 武漢：武漢理工大學，2006.

[5]張秉榮. 工程力學（第4版）[M]. 北京：機械工業出版社，2011.

[6]劉鴻文. 材料力學（第4版）[M]. 北京：高等教育出版社，2004.

Structure Design and StaticsAnalysisfor the Centrifugal Compressor End Cover Lifting Mechanism

BAI Junfeng1，ZHANG Chi2，TIAN Dongsheng3，SHE Wanning4，ZHOU Yu5

( 1.ProcessingDepartment, Shenyang Blower Works Group Corporation, Shenyang 110869, China; 2.Research Institute, Shenyang Blower Works Group Corporation, Shenyang 110869, China; 3.Designing Institute, Shenyang Blower Works Group Corporation, Shenyang 110869, China; 4.Stator Workshop,Shenyang Blower Works Group Corporation, Shenyang 110869, China; 5.Science and Technology Department, Shenyang Blower Works Group Corporation, Shenyang 110869, China )

The assembly method of the end cover in vertical split centrifugal compressor is the key technical problem for assembling compressor, a kind of end cover lifting mechanism which can adjust the lifting point is redesigned according to the existing end cover lifting mechanism. The redesigned lifting mechanism is parameterized modeled by the Pro/E software, the statics analysis of the lifting mechanism is done after applying the gravity load of end cover and lifting mechanism based on finite element theory, the maximum stress points and maximum stress values of the lifting mechanism are calculated, the theoretical basis for design the lifting mechanism can be provided, and the foundation for optimization and improvement is laid.

vertical split compressor；lifting mechanism；parameterized modeling；statics analysis

TH452

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.05.018

1006－0316 (2018) 05－0068－04

2017－09－15

白俊峰（1987－），男，遼寧沈陽人，碩士研究生，工程師，主要研究方向為離心式壓縮機關鍵零部件加工工藝設計。