徐养卓+赵兴环+蒋传杰+刘海波
摘要：离心叶轮装配通常采用立式装配：叶轮在电炉加热后，水平放置到装配平台上，主轴吊起后竖直插入叶轮。但一些空分类压缩机转子，由于其特殊的结构，不允许被垂直吊离地面。本文设计发明了一种专用工装，以解决这类压缩机转子的离心叶轮装配问题。
关键词：叶轮 装配 专用工装
【分类号】：TG661
0.引言
叶轮是离心式压缩机等通用机械设备的核心部件，通常采用热装的方式与主轴过盈配合，共同组成转子，是风机进行能量转换的关键部件。因此叶轮装配是整个压缩机制造过程中的重点也是难点，直接决定整个产品能否成功制造。叶轮装配通常采用立装。有两种实施方案：1）叶轮在电炉加热后，水平放置到装配平台上，将主轴吊起后竖直插入叶轮。这种方案适用于重量较轻、尺寸较小的转子类型。2）将主轴通过定位夹具等专用工具固定到竖井中，叶轮在电炉加热后，将叶轮吊起竖直装入主轴。这种方案适用于重量较大、尺寸较大的转子类型。某空分装置类压缩机转子主轴由三段组成，通过螺栓连接，总长7620mm，重26.5t。为了避免拉伸螺栓承受过大的静载荷，设计明确提出在装配过程中不允许将主轴竖直吊离地面。因此原有的装配方案不能满足要求。目前国内还没有用于这类压缩机转子的装配方案。在国外，日本三菱有用于燃气轮机轮盘式转子的装配方案：相同的是，无需将整个转子吊离地面。不同的是其转子结构由各级轮盘组成，而不是离心叶轮与主轴热装过盈配合。
1.装配原理与工装结构
利用力矩平衡原理，将主轴树立并固定，吊装叶轮。如图所示。在转子非驱动侧找一支撑点，在驱动侧作用一起吊力矩，使整个转子绕非驱动侧支撑点旋转，从而使转子竖立。可以保证在此过程中，转子不受拉应力。
设计用于离心叶轮立式装配的专用工装：由三部分组成：支撑旋转装置，起吊装置，以及固定调节装置。支撑底座及旋转装置安装在转子非驱动侧，使得转子主轴绕其旋转至竖立状态；吊装夹具安装在转子驱动侧；主轴竖直后，通过拉杆装置与固定支架连接。固定支架具有足够的强度和刚性以固定整个转子。拉杆装置调平主轴后固定。叶轮加热后，吊起装入主轴。
2.实施方案
1）支撑旋转装置：由支撑底座、旋转套、旋转轴以及轴瓦组成。
轴瓦安装在推力轴承位置处，轴瓦由两半组成，中分面有间隙。通过螺栓连接，使其抱紧主轴，与主轴过盈配合。旋转套装在其外侧，旋转套同样由两半组成，与轴瓦过盈配合。旋转轴穿过旋转套，安装在底座轴承上。底座用T型槽螺栓安装到地轨。旋转套绕芯轴旋转，从而使转子从水平状态旋转到竖直状态。在竖直状态时，旋转套与旋转轴承受转子的所有重量。旋转轴（材料45#，屈服强度355MPa）受到的剪切应力为ζ：
ζ=F/A
ζ=353000/0.0314
ζ=11.24MPa
利用ANSYS对旋转套进行强度分析，旋转套的最大应力为3.9MPa，旋转套采用16MN焊接而成，16MN的屈服强度为343MPa。所以旋转轴与旋转套的强度足够承受转子的全部重量。
2）起吊装置安装在转子驱动侧。由吊装夹具、保护套、压板组成
保护套热装到主轴轴头，与主轴过盈配合。吊装夹具装在保护套轴肩内侧，由上下两半组成，通过弓形模锻卸扣与吊车连接。压板通过轴头钻孔把在轴端，用来压紧保护套，防止保护套因受到冲击载荷而脱出。
保护套热装到主轴轴头。过盈量太小，不足以承受转子重量，会造成保护套脱出；过盈量过大，主轴轴头会产生塑性变形。经计算过盈量的范围：0.2385mm—0.4564mm。取保护套与主轴轴头过盈0.4mm。
压板通过8-M20内六角头螺钉把合到轴头上，以压紧保护套，防止保护套因冲击载荷等因素意外脱出。经计算：即使保护套已脱出，压板承受全部转子重量，压板产生的剪切应力为18.4MPa，挤压应力为14.85MPa，均小于其材质45#屈服极限355MPa。螺钉受到的正应力140.45MPa，也远远小于性能等级8.8的螺钉的屈服极限640MPa。通过查阅设计手册，单个螺钉的承载力为201062N，8个螺钉的承载力远远大于转子自重。
3）调平固定：主轴竖立后，吊车不撤，使用固定架将主轴固定。此工装支架规格：长宽均5000mm，高8500mm，由三层组成。转子主轴通过两层8个拉杆装置与固定架相连。完全调平的主轴无偏心，拉杆不受力。
性能等级5.6的规格为M30的螺杆可以承受的极限拉应力为：
转子允许的最大偏心θ=5°
可以计算得F=25242N，远远小于螺杆可以承受的极限拉应力。而且仅仅是只有一个拉杆作用的前提下。因此采用拉杆装置固定主轴是非常安全可靠的。
3.结论
本文设计发明了一种专用工装，解决了大型转子类组部件的立式装配问题：利用力矩平衡原理，可以很好地解决大型主轴类组部件的吊装、树立以及固定问题；利用合理的过盈配合，可以很好地传递扭矩，承载静载荷以及一定的冲击载荷；利用ANSYS有限元分析软件进行理论分析：合理结构和尺寸的轴类零件、简支梁类零件均可以承受较大的剪应力。从而给出了一种解决方案，可广泛用于大型组装类组部件的立式装配。
