帶傳扭銷的環形平面接觸軸段扭轉特性研究

2018-09-12 12:06:28夏凱孫巖樺卓明趙世全

西安交通大學學報 2018年9期

夏凱,孫巖樺,卓明,趙世全

(1.西安交通大學機械工程學院,710049,西安;2.西安交通大學機械結構強度與振動國家重點實驗室,710049,西安;3.東方汽輪機有限公司,618000,四川德陽)

重型燃氣輪機轉子多采用盤式拉桿轉子結構,由單個中心拉桿或多根周向拉桿將多級輪盤壓緊而成,且輪盤間的接觸為環形平面接觸或圓弧端齒配合。環形平面接觸界面由于傳扭能力差,一般在接觸環形平面間設有傳扭銷以增加接觸界面的傳扭能力,如M701F燃機轉子。帶傳扭銷的環形平面接觸界面使轉子產生結構上的不連續性,一定程度上削弱了接觸界面所在軸段或轉子的剛度,從而使得轉子在傳扭銷承受扭矩階段,轉子的扭轉動力學特性勢必與連續轉子有所不同。因此,有必要對帶傳扭銷的環形平面接觸軸段的扭轉特性進行深入研究。

以往的研究中,學者們多關注于平面接觸面的法向剛度和切向剛度,對帶傳扭銷的環形平面接觸軸段的扭轉特性的研究一直未有報道。文獻[1]針對平面接觸表面提出了一種在微觀層面處理非光滑接觸表面的描述方法(GW模型),在彈性范圍獲得了剛性平面接觸的微凸體數目、平面接觸面積及載荷期望值與兩平面間距離的關系式。文獻[2]以GW模型為基礎,從材料表面微觀特征的分析入手,考慮了粗糙表面波紋度的影響,綜合運用彈性接觸理論和概率分析方法,在理論層面初步解決了拉桿轉子接觸剛度的計算問題。文獻[3]基于加工表面的自仿射特征,以具有尺度獨立性的分形維數和分形粗糙度作為粗糙表面的表征參數,提出了分形接觸模型(MB模型)。文獻[4]基于球體與平面的接觸理論和MB模型,給出了具有尺度獨立性的粗糙表面切向接觸剛度的理論計算方法,進行了數值仿真分析,并通過實驗定性驗證了該方法在粗糙表面小壓力范圍內的正確性。傳統的GW、MB等粗糙接觸面剛度解析模型僅適用于接觸面壓力不大的情況,在解決復雜形體接觸及大載荷作用下的接觸問題存在一定的局限性[5]。文獻[6]基于本構關系,提出了用于精確求解可變性球面與剛性平板彈塑性接觸問題的有限元模型,采用該模型研究了純彈性、彈塑性和純塑性3種狀態的演變歷程。文獻[7]采用有限元法研究了含有正弦形狀微凸體的粗糙平面與剛性平面的接觸問題,通過數值計算分析了完全接觸時所需的平均壓力,給出了能夠近似預測彈性和彈塑性正弦接觸表面平均分離量的擬合曲線。文獻[8]通過有限元數值計算分析了具有分形特征的粗糙表面的接觸面積和壓力分布,研究了分形尺度的影響。文獻[9]對球體與剛性平面的摩擦接觸問題進行了有限元分析,研究了摩擦因數與法向力的關系。但是,上述有限元接觸模型在尺寸上都遠小于實際工程結構,不適用本文所討論的重型燃氣輪機盤間接觸問題。

針對帶傳扭銷的環形平面接觸軸段,本文根據平面接觸面的受力情況和傳扭銷的受力變形關系,建立了接觸軸段扭轉特性的理論模型。其次,通過三維有限元接觸分析對理論模型進行了驗證,并進一步提出了接觸軸段的扭轉變形雙線性模型。最后,分析了兩個線性段扭轉剛度、線性轉折點扭矩以及接觸界面所能傳遞的最大扭矩等扭轉特性隨壓應力、摩擦因數、傳扭銷個數和傳扭銷直徑等參數的變化規律。

1 扭轉特性的理論模型

1.1 帶傳扭銷的環形平面接觸軸段結構

圖1為某重型燃氣輪機壓氣機轉子半剖面示意圖。該壓氣機轉子由多級輪盤通過數根周向均布拉桿拉緊裝配而成,輪盤之間通過環形平面接觸界面傳遞扭矩。此外,接觸平面沿周向均勻分布若干騎縫傳扭銷,用以輔助傳扭。帶傳扭銷的環形平面接觸軸段結構如圖2所示,在環形接觸平面上加工若干徑向銷槽,用于放置傳扭銷,安裝時先將傳扭銷放置于銷槽內,然后合上輪盤并拉緊拉桿。設計的目的在于:當作用在軸上的扭矩超過輪盤間環形接觸面的摩擦傳扭能力時,可以通過扭矩銷來進一步承載扭矩。因此,兩輪盤間軸段傳遞扭矩的過程可分為兩個階段:在外部扭矩較小時,軸向壓緊的接觸平面保持黏合,主要靠接觸面之間的摩擦力傳遞扭矩;當外部扭矩增大到一定值時接觸平面之間開始滑動,傳扭銷承載額外的扭矩。

圖1 某燃氣輪機壓氣機轉子半剖面示意圖

圖2 帶傳扭銷的環形平面接觸界面結構

1.2 分析模型

雖然壓氣機轉子存在多個輪盤,但結構特征都一樣,不失一般性,可以取其中的一對接觸軸段建立簡化力學模型。由于傳扭銷直徑較小,在分析環形接觸平面摩擦傳扭能力時,忽略傳扭銷的影響,兩個在軸向壓緊的等截面環形軸段,其中一端固定,另一端施加軸向的壓緊力F和外部扭矩T,受力圖如圖3所示。由于受力過程中接觸面上的應力是局部的,以兩個軸段的接觸平面為中心,取兩端接觸平面軸向距離各為0.5Lc的兩橫截面之間的軸段為研究對象,Lc的選取與盤間軸段的長度有關。

圖3 環形平面接觸受力圖

環形接觸平面滑動前所能傳遞的最大扭矩可表示為

(1)

(2)

式中:G為材料剪切模量;Ip為極慣性矩。

(3)

(4)

因此,帶傳扭銷的環形平面接觸軸段的扭轉角θ可以寫為

(5)

傳扭銷的傳扭能力可以通過第三強度理論(最大切應力理論)進行估計,即傳扭銷最大切應力不大于屈服強度的一半,該強度條件為

(6)

(7)

式中:kμ為最大靜摩擦因數與滑動摩擦因數之比。

上述的分析不考慮接觸平面間的局部滑動,這和實際情況不同。實際的接觸平面在外部扭矩較大時,會從外半徑開始出現局部滑動,然后向內半徑延伸,直至整個接觸面發生滑動[12]。對于本文所研究環形接觸面的整個傳扭特性,這個過程是局部的,只在式(5)轉折點附近一個很小的局部存在,這個局部變化對整體的扭轉特性影響很小,可以忽略不計。因此,上述分析可以給出帶傳扭銷環形平面接觸軸段的扭轉特性近似估計,這對帶傳扭銷環形平面接觸界面的設計非常重要。

2 理論模型的驗證

采用有限元接觸分析方法,進一步驗證式(5)所得到的關于帶傳扭銷環形平面接觸軸段扭轉特性理論模型的正確性。

2.1 有限元模型

帶傳扭銷環形平面接觸軸段具有周期循環對稱性,為了簡化計算,可以取一個傳扭銷對應部分模型進行分析,最終建立的三維有限元模型如圖4所示。實體單元采用Solid 186單元,該單元為高階3D20節點實體單元,采用二次插值函數,對不規則形狀具有良好精度。平面接觸和銷槽-傳扭銷接觸采用面-面接觸單元進行建模,包括接觸單元Conta 174和目標單元Targe 170。為了提高計算的收斂性,選用ANSYS提供的指數衰減摩擦模型,取最大靜摩擦因數為動摩擦因數的1.25倍,衰減系數為0.6。

圖4中前端面施加的壓應力用以模擬拉桿預緊力的作用。在工程上,不同截面尺寸的連接軸段預緊力相差很大,而相應的預應力變化范圍卻很小,因此采用壓應力作為研究變量,研究結果更具適用性[13]。前端面外圓弧線上節點施加切向力,用以模擬施加在軸段的扭矩T,后端面采用固定約束。經試算,接觸單元的剛度系數K=1時,位移精確度可以滿足要求,同時收斂速度也比較適中。表1為帶傳扭銷環形平面接觸軸段的相關參數。