設計2013-易運遠易運遠

1、摘要在機械、生物、化工、航天等部門離心式壓縮機被廣泛應用著，為國家經(jīng)濟發(fā)展起著非常重要的作用。隨著時代的進步和社會的發(fā)展，為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，對離心壓縮機實行再制造已勢在必行，它對廢舊機床產(chǎn)品回收，恢復具有高附加值的產(chǎn)品，在能源節(jié)約和環(huán)境保護方面有優(yōu)勢。離心式壓縮機作為從在提高流體壓力的時候，多數(shù)需要耗費比較多的能源，特別是大型的工程系列，例如近年來的萬噸氯氣壓縮化工工程，對于較多消耗的大流量壓縮機的設計、研發(fā)都能明顯影響到企業(yè)的效益也影響到國家倡導的綠色環(huán)保節(jié)能理念。本文針對大型離心壓縮機葉輪等動力比較大和無法進行現(xiàn)場試驗研究等特點，結(jié)合某型號離心式壓縮機葉輪，進行建模與仿真分析，使課題更加實

2、用，本文的主要內(nèi)容如下：首先，論述了課題的研究目的、意義，并對國內(nèi)外再制造產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀、國及葉輪的研究現(xiàn)狀進行分析?？s機其次，在了解離心式壓縮機的工作原理基礎上，掌握葉輪的結(jié)構特點、用途和制造工藝，分析再制造葉輪的修復方法。再次，利用 CAD 三維建模技術，結(jié)合具體型號離心式壓縮機，進行葉輪失效分析，并建立離心式壓縮機新品葉輪模型及離心式壓縮機葉輪再制造模型。最后，通過 ANSYS建立再制造離心式壓縮機葉輪的有限元模型，分析典型載荷下的葉輪服役。：再制造，離心式壓縮機，建模，仿真分析AbstractCentrifugal compressor is widely usedechanical, bi

3、ological, chemical and aerospacedepartment. It plays a very important role in develonational economy. Along with theprogress and the development of the society, In order to achieve sustainable development, to carry on centrifugal compressor remanufacture has been imperative. It recycle used product,

4、 restore the products with high value- added, has absolute advantage in energy saving andenvironment protection.As a motivation in improving fluid prere, centrifugal compressor requires much energy. Inlarge projects, for exle, compressing ten thousand of chlorine gas project in recent years.It is im

5、portant to research and develop compressor of big flow and largeer consuming,which can increase the ent protection and energy saving., the article discussespresent research situation onrise economic benefit and achieve green environmentalthe topic research pure, significance, and thenysesremanufactu

6、ring industry and the research situation ofCentrifugal compressor impeller of domestic and foreign.Second, understand the operation principle of the centrifugal compressor, then master theimpeller structure features, application and manufacture promanufacture repair methods.s,ysis and impellerThen,

7、with the use of 3d ming technology of CAD, on the basis of specific type ofcentrifugal compressor, make failureysis of impeller, and establish the product msand remanufacturing m.Last, uses ANSYS to make the typical load service life.ysis on the remanufacturingmKey words：Remanufacture, centrifugal c

8、ompressor, ming, simulationysis目錄中要ABSTRACT1緒 論1.1 研究目的、意義21 世紀，世界經(jīng)濟高速發(fā)展，自然資源的 的資源浪費和短缺、全球的生態(tài)破壞、環(huán)境污染等開采和環(huán)境的無償使用造成了嚴重問題。國家的發(fā)展離不開制造業(yè)，一個國家制造業(yè)的水平就是這個國家是否發(fā)達的重要評價指標。在全球化的發(fā)展中，制造業(yè)迅速發(fā)展，消費品得到大量普及，產(chǎn)品的周期大大縮短，廢棄產(chǎn)品的數(shù)量急劇上升，因此如何處理這些廢棄品并對環(huán)境無污染就是現(xiàn)在的問題。其中，機電產(chǎn)品制造業(yè)的資源使用量最大，同時環(huán)境污染也很嚴重。據(jù)統(tǒng)計，造成全球環(huán)境污染的排放物 70%以上來造業(yè)，它們每年約產(chǎn)生 7

9、億噸有害廢物和 55 億噸無害廢物。有資料顯示，全球每年有 2600 萬輛汽車報廢，我國 07 年達到報廢標準的汽車也有 300 萬輛左右，同時在未來幾年，我國機床、工程機械、家電等機電產(chǎn)品將進入高速淘汰階段。到 2020 年，我國絕大多數(shù)和可持續(xù)性發(fā)展。為了應對所問題將進一步加重，這將嚴重制約我國經(jīng)濟的高速，國家提出了再制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的計劃，我國總結(jié)世界發(fā)達國家先進的再制造經(jīng)驗，提出了具有的 4R 體系（減量化 Reduce、再利用 Reuse、再循環(huán) Recycle、再制造 Remanufacture）,成為我國目前可持續(xù)經(jīng)濟發(fā)展的重要支撐。再制造是一種對廢舊產(chǎn)品實施高技術修復和改造的行業(yè)，

10、它針對的是損壞或行將報廢的零，在性能失效分析、評估等分析的基礎上，進行再制造工程設計，采用一系列相關的先進制造技術，使再制造產(chǎn)品達到或超過新品1。意義，更是推動制造業(yè)及現(xiàn)代服務業(yè)升級、促進經(jīng)濟的重要著力點。早期，由于離心式壓縮機只適于低，中壓力、大流量的場合，而不為人們所注意。但近來，由于化學工業(yè)的發(fā)展，各種大型化工廠，煉油廠的建立，離心式壓縮機就成為壓縮和輸送化工生產(chǎn)中各種氣體的關鍵機器，而占有極其重要的地位。因此，離心壓縮機作為制造行業(yè)發(fā)展的重要領域受到了學者的廣泛關注，在國民經(jīng)濟中起著重要作用。并且隨著原材料路線的改變和機械設備研制工作的發(fā)展，各種工廠逐漸向大型化發(fā)展，所用到的離心式壓縮

11、機也向大型化的發(fā)展5。離心式壓縮機用于壓縮氣體的主要是高速旋轉(zhuǎn)的葉輪和通流面積逐漸增加的可知，葉輪是離心式壓縮機高速旋轉(zhuǎn)的命等有重要的影響。，它的各項性能對壓縮機的可靠性和壽擴壓器。簡而言之，離心式壓縮機的工作原理是通過葉輪對氣體作功，在葉輪和擴壓器的流道內(nèi)，利用離心升壓作用和降速擴壓作用，將機械能轉(zhuǎn)換為氣體的壓力能6。由此再制造產(chǎn)業(yè)具有巨大的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，是國家發(fā)展可持續(xù)經(jīng)濟的必要途徑。再制造產(chǎn)品在同于甚至優(yōu)于新產(chǎn)品的質(zhì)量和性能基礎上，可節(jié)能 60%，節(jié)材 70%，節(jié)約成本 50%，大氣污染物排放量降低 80%以上。發(fā)展再制造，不僅對節(jié)約資源和保護環(huán)境然而在離心式壓縮機的運行過程中存在

12、一些問題，例如能夠正常運行的工作環(huán)境區(qū)域較窄，如果工況發(fā)生變化則加大對能源的耗費，重則發(fā)生喘振。對于離心壓縮機來說長期的喘振能夠加大離心式壓縮機葉輪的損壞，對壓縮機造成很大的損壞，一般來說對于大型離心壓縮機都配備的有一定的防喘振安全系統(tǒng)7。隨著計算機 技術的日益先進和電腦硬件運算能力的進一步提高，離心壓縮機安全保護和提前停車防止危害的技術越來越高，然而對于安全方面進行控制和避免的同時又存在以下問題：首先是如果氣體壓力升高，流量減小的時候，智能控制程序首先是增加回流空氣的量，造成大量的能量都轉(zhuǎn)化為熱能而消耗。另外，控制系統(tǒng)往往根據(jù)壓縮機的工作狀況進行控制調(diào)整，有效的進行故障的快速排除8。所以為了

13、盡快排除離心壓縮機的故障和節(jié)約并不對于離心壓縮機排除故障的時間和費用，只有依靠電腦科技進行復雜相互作用的建模和仿真，從而模擬出接近真實的離心機的運行狀況，從模型中找到離心機的各種運行的參數(shù)和故障產(chǎn)生原因，實現(xiàn)最終的優(yōu)化改造。綜上所述，為了解決日益高漲的資源緊缺問題和實施可持續(xù)發(fā)展，熟悉離心式壓縮機葉輪的用途，對大型再制造離心式壓縮機葉輪的進行三維建模，典型載荷下的有限元模型的仿真分析，分析它的受力情況，研究葉輪的疲勞可靠性設計，探討了其疲勞破壞的預報方法，是非常有必要的。因此，本課題將結(jié)合具體型號離心式壓縮機，進行葉輪的建模和仿真分析。相關領域的國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀國內(nèi)外再制造產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀國外再制造產(chǎn)

14、業(yè)經(jīng)過近 30 年的發(fā)展已日趨成熟，再制造的領域也非常廣泛，涉及汽車、工程機械、冶金裝備、航空航天及國防裝備、鐵路裝備、計算機等。1996 年，美國已有再制造公司 7.3 萬家，年銷售額 530 億 ，企業(yè)員工 48 萬人9。2009 年，美國開始著手解決再制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的次問題，如再制造產(chǎn)品的與關稅、再制造的代碼及科目、采購方案中對再制造產(chǎn)品的優(yōu)先考慮、再制造的信息化等10。美國（Cummins）發(fā)再制造公司是汽車零行業(yè)中規(guī)模最大的再制造企業(yè)，其再制造發(fā)承諾達到新品質(zhì)量標準，并與新品一樣享受，在已被廣泛接受。每年再制造的零件材料超過 5000 萬磅（約 2.27 萬噸），節(jié)省的能源與約 1

15、萬個家庭的年消耗能源相當，可減少溫室氣體排放 2 億磅（約 9.07 萬噸11。公司已在巴西、澳大利亞、中國建起了再制造廠。最大的工程機械制造企業(yè)卡特彼勒（Catillar）公司開展了工程機械再制造，并在包括中國在內(nèi)的 18 個國家和地區(qū)建立了再制造工廠，2009 年卡特彼勒公司的再制造產(chǎn)值達到公司全部產(chǎn)值的 51%以上12。歐洲再制造產(chǎn)業(yè)也很成熟。2000 年以來，英國派特（Listetter）再制造公司每年為英、美提供 3000 多臺再制造發(fā)；德國大眾（Volkswagen）汽車公司至 2004 年已再制造汽車發(fā)748，變速器 240 萬；的再制造規(guī)模已很可觀。僅工程機械領域，2008 年

16、就有超過 9的廢舊工程機械得到再制造，其中 58%在國內(nèi)使用，34%出口到國外，其余的 8%作為配件出售13。綜合而言，美、歐、日的再制造產(chǎn)業(yè)從技術標準、生產(chǎn)工藝、加工設備到廢舊產(chǎn)品回收、產(chǎn)品銷售和售后服務等方面已形成了一套較完整的產(chǎn)業(yè)體系。上世紀 90 年代，我國相繼出現(xiàn)了一些再制造企業(yè)，如中國重汽濟南復強再制造公司（中英合資）、大眾汽車再制造分廠(中德合資)、柏科（常熟）電機有限公司（港商獨資）、廣州花都自動變速箱再制造公司（僑資）等，分別在重型卡車發(fā)動機、轎車發(fā)、車用電機，以及車用變速箱等領域開展再制造。進入 21 世紀后，國家對再制造越來越重視。2008 年，國家發(fā)改委組織了由 14

17、家重點企業(yè)參加的汽車零再制造產(chǎn)業(yè)試點，包括、東風、上汽、重汽、奇瑞等整車制造企業(yè)和濰柴、玉柴等發(fā)制造企業(yè)；2009 年 11 月，國家工信部啟動了包括工程機械、采礦機械、機床、船舶、再制造產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)等在內(nèi)的 8 大領域 35 家企業(yè)參加的再制造試點工作，其中有徐工、柳工、中聯(lián)、三一重工、重慶機床等知名企業(yè)。綜合而言，中國的再制造已初步構建起體系，并且具有迅猛發(fā)展的勢頭，但體量較小，成熟度較低，基礎理論與技術基礎的支持相對產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求滯后，目前我國再制造產(chǎn)業(yè)還需要培育較長時間。1.2.2 國縮機及葉輪研究現(xiàn)狀大型壓縮機屬于高科技產(chǎn)品，是衡量一個國家裝備制造業(yè)發(fā)展水平的標志性設備之一14。從 19

18、00 年法國制造出世界第一臺離心壓縮機開始，在心壓縮機的生產(chǎn)熱潮。二十世紀 50 年代，為適應化肥工業(yè)的高壓和歐洲出現(xiàn)了離工藝需要，離心式壓縮機又獲得了飛躍發(fā)展。目前國際上能夠生產(chǎn)制造大型離心壓縮機組的主要廠商有：GE、西門子、三菱重工、沈陽鼓風機等。目前世界上正在運行的最大規(guī)模乙烯生產(chǎn)裝置是127 萬噸/年生產(chǎn)線， 正在設計建設中單機系列規(guī)模最大是伊朗在Assaluyeh 地區(qū)建造的 140 萬噸/年乙烯裝置。我國壓縮機行業(yè)起步較晚，解放前基本屬于空白。上世紀 60 年代，當時的沈陽鼓風機廠生產(chǎn)出了我國第一臺小型單軸離心式壓縮機。70 年代，沈陽鼓風機廠引進意大利一臺壓縮機之后，經(jīng)過研究和創(chuàng)

19、新，使鼓風機的發(fā)展達到了很高的水平。開放之后，特別是最近 5 年，我國重工業(yè)的迅速崛起和國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，為我國大型裝備制造業(yè)快速成長提供了有利條件和機遇，特別是能源、化工領域的“心臟設備”離心壓縮機制造業(yè)發(fā)展迅猛，我國己經(jīng)初步具備了與國外同類產(chǎn)品的競爭能力15。但是也為大型裝備制造業(yè)提出了新的，不斷發(fā)現(xiàn)許多重為目前我國離心壓大科學問題，特別是葉輪的設計與評估技術急需得到解決。縮機行業(yè)龍頭企業(yè)、風機行業(yè)排頭兵，特別是大型離心壓縮機、大型離心鼓風機和大型離心通風機等主導產(chǎn)品代表了我國在該領域的技術發(fā)展水平，在壓縮機設計、制造技術業(yè)處于國內(nèi)領先地位。目前主品大型離心式壓縮機，占國內(nèi)市場的 85%

20、。從離心壓縮機的整個發(fā)展歷史來看，大型化是一個重要趨勢，但是大型化帶來了機組設計、制造、運行和可靠性評估等一系列問題，尤其是高速旋轉(zhuǎn)的葉輪的設計與分析問題更為突出，其問題成為制約大型離心式壓縮機葉輪可靠運行的技術瓶頸。目前離心式壓縮機向著高轉(zhuǎn)速、高壓比、多級、大流量方向發(fā)展，安全、高效、可靠和經(jīng)濟運行是現(xiàn)代大型壓縮機械設計與制造的技術關鍵和難點。由于轉(zhuǎn)速高、功率大，離心壓縮機的制造精度、制造工藝和運行管理的要求也越來越高。其設計和制造涉及到流體力學、固體力學、熱力學、現(xiàn)代節(jié)能理論、控制和摩擦學等諸多領域16-17，是集成各學科知識和現(xiàn)代技術的高科技系統(tǒng)。葉輪作為離心壓縮機的穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)是保證壓縮

21、機正常工作的重要基礎。，其安全、大型離心式壓縮機及其葉輪再制造屬于再制造領域研究的新興課題和學術前沿領域。與機床、工程機械、汽車等產(chǎn)品再制造零件相比，大型離心式壓縮機再制造葉輪結(jié)構更加復雜、工況更為特殊，因此研究難度大大增加。2011 年以離心壓縮機再制造為核心對象的國家 973 基礎研究項目“機械裝備再制造基礎科學問題研究”獲得批準立項。聯(lián)合、兵、大連理工大學、山東大學、哈爾濱工程大學、重慶大學、合肥工業(yè)大學、沈陽鼓風機、濟南復強動力等相關院校及開展相關方面的研究。是國內(nèi)第一支專門從事大型離心壓縮機及葉輪再制造研究的國家級隊伍。目前關于大型離心壓縮機及葉輪再制造的研究仍然較少。國內(nèi)外對大型離

22、心壓縮機及其等18-19人全葉輪的研究主要集中在新品葉輪上面學者 Hanlo和我國學者面研究了離心壓縮機的工作原理、結(jié)構設計理論及安裝方法等內(nèi)容，為離心壓縮機的設計與使用提供了參考依據(jù)；韓國學者 LabibM.N 等17和學者 AbrahamEngeda 等研究離心壓縮機葉輪幾何參數(shù)對葉輪性能的影響規(guī)律；波蘭學者 J.Nowacki 等20-21研究了離心壓縮機葉輪的釬焊技術及不銹鋼焊接葉輪強度性能等問題學者 S.Sivaprasad等22-23采用斷口觀測、能譜分析、金相顯微等方式對離心壓縮機葉輪及斷口進行失效分析，論證了交變載荷促進材料缺陷擴展造成離心壓縮機葉輪斷裂失效的結(jié)論。然而關于離心

23、壓縮機再制造葉輪相關的研究卻未見文獻公開。本文通過離心壓縮機再制造葉輪服役載荷分析，研究再制造葉輪載分布情況，利用 ANSYS 等進行服役數(shù)值模擬。為企業(yè)增強整機運行的可靠性與安全性，延長工作他葉輪機械的深入研究具有很好的借鑒意義。有著重要的意義，而且對其綜觀國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，離心式壓縮機及其葉輪再制造研究是當前研究的急需解決的熱點問題。但是現(xiàn)階段，國內(nèi)外所做的研究較少，還不能很好的解決企業(yè)在生產(chǎn)實踐中遇到的技術問題，尤其是關于再制造葉輪方面更是一片空白。因此關于離心壓縮機再制造葉輪服役載荷分析及服役數(shù)值模擬成為本文重點關注。1.3的主要研究內(nèi)容本課題所在擁有較好的科研基礎，擁有多種計算機軟、

24、硬件及儀器設備，同時課題組從屬于國家 973 項目“機械裝備再制造的基礎科學問題”項目組，圍繞研究目標，內(nèi)容如下：第一章，闡述了課題研究目的及意義，介紹了再制造領域、再制造壓縮機領域的研究現(xiàn)狀。第二章，分析了離心式壓縮機的工作原理，了解葉輪的結(jié)構特點、用途及其常用的制造工藝。詳細分析再制造葉輪的工藝修復方法，為葉輪的再制造提供信息資料。第三章，針對某型號的離心式壓縮機葉輪進行三維建模。簡單介紹三維建模技術，了解所用的建模，根據(jù)第二章了解的葉輪結(jié)構特點，工藝修復特點，分析新品葉輪和再制造葉輪的特征，建立離心式壓縮機新品葉輪模型及離心式壓縮機葉輪再制造模型。第四章，離心式壓縮機葉輪的有限元分析。簡

25、單介紹有限元方法及所用的 ANSYS 軟件，面完成的三維建模基礎上，利用有限元對再制造模型進行分析評價，分析典型載荷下的葉輪服役。的內(nèi)容流程如下圖所示：圖 1.1內(nèi)容流程圖1.4 本章小結(jié)本章概述了課題的研究目的和意義，相關領域的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，以及簡單概括了本的主要內(nèi)容。2 離心式壓縮機葉輪2.1 離心式壓縮機的工作原理，葉輪的用途及制造工藝2.1.1 離心式壓縮機的工作原理離心式壓縮機的工作原理是通過葉輪對氣體作功，在葉輪和擴壓器的流道內(nèi)，利用離心升壓作用和降速擴壓作用，將機械能轉(zhuǎn)換為氣體壓力能。更通俗地說，氣體在流過離心式壓縮機的葉輪時，高速旋轉(zhuǎn)的葉輪使氣體在離心力的作用下，一方面壓力有

26、所提高，另一方面速度也極大增加，即離心式壓縮機通過葉輪首先將原的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的靜壓能和動能。此后，氣體在流經(jīng)擴壓器的通道時，流道截面逐漸增大，前面的氣體分子流速降低，后面的氣體分子不斷涌流向前，使氣體的絕大部分動能又轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能，也就是進一步起到增壓的作用。圖 2.1 離心式壓縮機簡圖圖 2.1 表示離心式壓縮機的簡圖。氣體由吸氣室吸入。通過葉輪對氣體做功，使氣體壓力、溫度、速度提高。然后流入擴壓器，使速度降低，壓力提高。彎道和回流器主要起導向作用，使氣體流入下一級繼續(xù)壓縮。最后，由末級出來的高壓氣體經(jīng)渦室和出氣管輸出。2.1.2 葉輪的用途及其制造工藝用途：葉輪也稱為工作輪。它是壓縮機中

27、最重要的一個。氣體在葉輪葉片的作用下，跟著葉輪作高速的旋轉(zhuǎn)。而氣體由于受旋轉(zhuǎn)離心力的作用，以及在葉輪里的擴壓，使氣體通過葉輪后壓力得到提高。此外，氣體的速度也同樣是在葉輪里得到了提高。因此，可以認為葉輪是使氣體提高能量的唯一途徑。制造工藝：葉片一般用低合金鋼的熱軋鋼制造，如 2Cr13,20Cr 和 30nSi 等。對于材質(zhì)的要求是：（1）機械性能高，以便承受工作時離心力產(chǎn)生的彎曲應力；（2）在熱態(tài)下具有良好的塑形，以便模壓成型；（3）耐磨，以免在介質(zhì)中的硬質(zhì)微粒摩擦力下產(chǎn)生較大的磨損。有時還要有耐腐蝕要求。（4）材質(zhì)必須光滑、無裂痕、剝層、夾層及其它影響強度的缺陷。1.葉輪鍛造工藝由于工藝上

28、的要求，鍛造的和輪蓋的余量是很大的，在直徑方向達 50100mm，而軸向每邊達 1020mm。如果直徑大于 800mm，則余量還要大。在選擇鋼錠的尺寸時，首先要根據(jù)葉輪的鍛坯外形計算它的重量。計算時，應以鍛坯的基本尺寸加上正公差，由于上、下殘料及鍛造火耗的影響，鋼錠的重量應大得多。葉輪的鍛造工藝為：切割鋼錠鐓粗沖孔切出輪轂壓出輪面中間退火切出第二輪面修整到需要高度退火2.葉輪鑄造工藝葉輪是壓縮機的主要零件,壓縮機的性能與葉輪設計和制造的好壞密切相關。葉輪的葉片比較薄,其根部比較厚,而同一個葉片由于其部位不同,其厚薄相差較大,因此,從鑄造工藝上要保證澆注成型,不產(chǎn)生較嚴重的疏松、收縮、熱裂,這是

29、鑄造工藝應首先考慮的第一個特點。鑄造時鑄鐵的體收縮較大，葉輪鑄件的鑄造工藝主要是如何考慮防止裂紋和收縮缺陷。葉輪采用砂型鑄造方法，由于澆注溫度較高，厚度不均的鑄壁連接處宜用合適的圓角過渡。按照順序凝固原則設計葉輪的澆注系統(tǒng)，采用側(cè)口澆注和補縮。葉輪的鑄造工藝如圖 2-3圖 2.2 葉輪的鑄造工藝圖高，不利于機械切削加工的進行，葉輪進行機加工前應進行退鑄鐵葉輪的硬度火軟化處理，退火后獲得的組織為粒狀珠光體基體及二次碳化物，硬度值在 3840HRC之間，具有較好的可加工性。需要進行機械加工的表面有葉輪外徑、前、后蓋板外表面及輪轂處的配合面，尺寸精度和表面粗糙度要求較低，機加工可在普通車進行。為了獲

30、得優(yōu)良的抗磨耐腐蝕組織與性能，機械加工后的葉輪還應進行淬火及回火處理，可有效消除葉輪零件的應力并改善其韌性。3.葉輪焊接的工藝由于三元理論的應用,促進了離心壓縮機葉輪結(jié)構的改進,同時對葉輪制造工藝方法提出了更高的要求,焊接工藝使三元空間型葉片的葉輪制造得到順利地實現(xiàn)。目前,在葉輪制造工藝中,焊接葉輪占主導地位。其中：(1)國內(nèi)應大力開展特種焊在葉輪焊接中的應用,如產(chǎn)品銷售市場的需要。焊、擴散焊和激光焊,以適應國內(nèi)應加強對釬焊葉輪工藝的試驗研究,使這種工藝方法發(fā)揮更大的作用,推動焊接葉輪向高質(zhì)量、高精度方向發(fā)展。國內(nèi)應大力推廣新材料在葉輪制造中的應用,象低合金高強鋼 15Cr2Mol、低碳貝氏體

31、鋼、HQ 系列等高強鋼,加強工藝試驗研究,拓寬葉輪材料的應用廣度,開拓風機的應用范圍。4.整體葉輪的特種加工工藝隨著新材料的采用、葉輪小型化以及葉輪構造復雜化,特種加工有其獨有的技術特點，越來越顯示出其優(yōu)越性。小間隙整體葉輪電解加工的精度很高,可以達到葉片型面精度 0.03mm,位置精度高于士 0.05mm,表面粗糙度 Ra0.41um,加工速度每分種幾毫米至十多毫米(沿葉片縱向、即葉輪徑向送進)。每個葉片采用逐個套料式加工,為保證加工時流場均勻,每相鄰葉片加工中留下一個“楔子”,直到加工完成后再將“楔子”除去。實踐表明,它是等截面葉片整體葉輪加工的最佳工藝方法。除電解套料加工外,還可以采用電

32、火花加工等截面葉片整體葉輪。盡管其加工效率不如電解加工高,表面粗糙度也不如電解加工好,但,由于其工藝繼承性,至今還采用這一工藝加工火箭上的渦輪轉(zhuǎn)子。其加工電極用石墨制造,以導電粘結(jié)劑粘結(jié)在銅制的電極桿上。加工過程是先粗加工通道,然后背分別用不極加工,葉片型面經(jīng)電火化加工后,還需采用砂帶拋光以達到葉片型面精度 0.05m,表面粗糙度Ra0.1um 的設計要求。據(jù)估算,電火花加工整體葉輪的費用僅是傳統(tǒng)銑削葉輪費用的l/10。在電火花加工等截面葉片整體葉輪的基礎上,出現(xiàn)了一種新的電火花加工葉片整體葉輪的工藝技術。其加工過程是:先以石墨電極粗加工通道,然后更換型面電極依次加工動很難加工用電火花機背型面

33、。但由于葉片型面彼此覆蓋，用成形電極作單方向送進運程度大的葉片型面。因此,要采用復合送進方式，其加工過程是,先在專,用兩個紫鋼制的成形電極,從葉輪寬度兩側(cè)面同時加工送進而實現(xiàn)葉間通道粗加工，然后再采用符合背型面的電極,在一臺由四個靠模控制而實現(xiàn)電極復雜成形運動的機,精加工葉片型面。型面加工又分半精和精加工兩步進行,其中采用不同精度的工具電極。經(jīng)以上過程,還有某些部分。如局部,仍不能精確成形,因此還要用小塊電極補加工。為達到較好的表面粗糙度,還采用成形陰極,固定式電解光整加工葉片型面。2.2 再制造葉輪的工藝修復方法零、的再制造主要是對其表面的損傷進行修復。主要針對達到物理、經(jīng)濟和技術而損傷、報

34、廢的產(chǎn)品，在失效分析和評估的基礎上，把有剩余的損傷、報廢的零作為再制造毛坯，進行修復加工，使其質(zhì)量和性能達到或超過新品。再制造技術除包括常用的機械制造技術、粘接技術外，還主要涉及各種先進的表面處理技術。1.激光再制造技術激光作為一種強力、非接觸、清潔的熱源進人加工領域以來，解決了許多常規(guī)方法無法加工和很難加工，極大地提高了生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量，因而被稱為未來制造系統(tǒng)的加工。激光熔覆是激光再制造的技術基礎。激光熔覆技術是指以不同的填料方式在被涂覆基體表面上放置選擇的涂層材料，利用大功率激光束能量極高的特點，瞬問使合金粉與被加工件表面一同完全熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低并與基體材料成冶金結(jié)合的致

35、密覆層，從而顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電器特性等的工藝方法。具體說，其顯著特點如下：激光熔覆層與基體為冶金結(jié)臺，結(jié)臺強度不低于原基體材料的 90。零件基體材料在激光熔鑄加工過程中僅表面金屬微熔，熔層 0.050.1mm。由于激光加熱速度和冷卻速度極快，基體受熱影響區(qū)較小，一般在 0.10.2mm 范圍。加工過程中基體溫度一般不超過 80,加工后基本不產(chǎn)生熱變形。(4)激光熔鑄技術可控性好，易實現(xiàn)自動化控制，可以對幾何形狀復雜的產(chǎn)品零行修復，如渦輪動力葉片等。進激光熔覆層與基體均無粗大的鑄造組織，熔覆層及其界面組織致密，晶體細小，無孔洞、夾雜、裂紋等缺陷激光熔鑄層由底層、中

36、聞層及面層組成的各據(jù)特點的梯度功能材料。底層具有與基體浸潤性好、結(jié)合強度高特點；中間層具有一定強度、硬度、抗裂性好的優(yōu)點；面層具有抗沖刷、耐磨損和耐腐蝕、抗高溫等性能，使修復后的設備在安全和使用性能上更加有保障；激光熔鑄技術可以任意仿形修復和制造零件，熔鑄層厚度可以按需要達到預定幾何尺寸要求。修復葉輪是把葉輪用熱套的方式安裝到軸上的，葉輪熱套安裝不僅是為了傳遞扭矩的需要，同時也是避免在高速旋轉(zhuǎn)下松動的要求。由于葉片通道太窄，焊接，就耍采用外部激光焊接的方法：在輪蓋(或)缺損部位和裂紋的地方，開一些與其形狀一致的淺槽。在淺槽中填滿焊接材料并使其熔化，這樣缺損部位和裂紋的地方接觸面就熔合在一起從而

37、修復葉輪。2.堆焊修復技術堆焊是采用焊接方法在零件表面堆敷一層具有特殊性能合金層的工藝過程。其目的在于使工件表面獲得具有耐熱、耐蝕、耐磨等特殊性能的熔敷金屬層，或恢復零件的尺寸。目前可用于葉片堆焊的主要有手工電弧堆焊、激光堆焊和粉末等離子堆焊。手工電弧焊手工電弧焊的設備簡單、通用性強、不受焊接位置及工件表面形狀的限制，適合現(xiàn)場作業(yè)；工藝靈活，不受位置限制，即可達性較好。但稀釋率較高，生產(chǎn)率較低，主要用于小批量生產(chǎn)或修復已磨損的零件。手工電弧堆焊時焊條選擇和焊條直徑、堆焊電流及速度、零件的預熱溫度等，對焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率影響較大。在堆焊材料的選擇方面，對于一般金屬磨損件的表面強化與修復，應遵循等

38、硬度原則；對承受沖擊載荷的磨損表面，可綜合分析以確定其堆焊材料。考慮堆焊層材料與基體材料的相容性，可用于葉輪堆焊修復的材料主要有：雙相不銹鋼型、低碳馬氏體和奧氏體不銹鋼型。雙相不銹鋼具有優(yōu)良的抗應力腐蝕能力、良好的耐酸腐蝕性能和抗磨損腐蝕性能，具有較強的抗點蝕和縫隙隧洞式腐蝕的能力，但其耐熱性較低，存在中溫脆性區(qū)?？珊附有暂^好且熱裂傾向小，不需焊前預熱及焊后保溫處理。激光堆焊激光堆焊可以獲得高性能的合金堆焊層，如耐磨耐蝕性能、熱障性能、抗氧化性能、抗汽蝕和沖蝕磨損等。與其他堆焊方式相比有著明顯的優(yōu)點：可以準確控制熱輸入量，工件加熱速度快且冷卻速度快(熱畸變小)，涂層厚度、成份以及稀釋率可控性好

39、，組織致密，可以獲得性能優(yōu)越的堆焊層。激光加工屬于無接觸加工，焊接工藝參數(shù)的確定，能夠保證焊接質(zhì)量，焊接可靠性高。激光堆焊層的材料成分決定其使用性能。按材料可分為：鐵基合金、鈷基和鎳基合金等。它們都具有低應力抗磨粒磨損能力，良好的耐磨蝕、耐熱和抗高溫氧化性能等特點。鐵基不僅價格低廉、經(jīng)濟性好，而且通過調(diào)整成分、組織，能夠在較范圍內(nèi)改變涂層的強度、韌性、硬度、耐磨耐蝕和抗沖擊等性能，是應用較多的堆焊合金。鎳基合金中最常見的是 NiCr-BSi 系和 Ni(3)等離子堆焊oW 系等離子堆焊利用焊槍鎢極作負極，工件基體作電流陽極并產(chǎn)生等離子弧作高溫熱源，將熱能傳送給待焊接基體，并向該熱能區(qū)域送入焊接

40、粉末材料，使得其熔化后沉積在待焊工件表面的堆焊工藝。等離子堆焊最突出的優(yōu)點就是其熱影響區(qū)域較小，對基體的熱影響小，沖淡率低(小于 5)，使得基體熱變形??；其次，等離子弧能夠被精確調(diào)節(jié)，工藝控制性好，堆焊厚度可達 2mm，能夠焊接較薄的工件；第三，等離子弧溫度高，能量密度大且能量集中，指向性強，施焊效率高。但設備貴，勞動保護要求高，主要針對鈷基、碳化鎢基材料的堆焊，應用于排氣閥座、玻璃模具、球閥、蝶閥、鉆井工具、抗磨板、鍋爐管壁等。3.表面粘涂技術表面粘涂技術是指將添加特殊材料的膠粘劑涂覆與零件表面，以賦予零件表面特殊功能的一項表面工程技術，適用范圍廣泛，可對各種不同的材料進行施工，如、金屬、陶

41、瓷、水泥制品、橡膠制品等。涂刷厚度范圍從幾十微米到幾十毫米，且均具有良好的結(jié)合強度。表面粘涂技術不僅能夠?qū)σ话懔慵M行修復，尤其適用于以下特殊材料和特殊工況零件的修復：(1)采用難于或不能進行焊接加工制成的零件，如鑄鐵、鑄鋁、硬化鋼板、鋁合金、塑料和有橡膠層的金屬零；薄壁零件，采用熱修復方法進行修復時易變形或產(chǎn)生裂紋；結(jié)構形狀復雜的零件磨損的內(nèi)孔、內(nèi)外溝槽，難以采用焊補施工； (4)特殊環(huán)境及特殊，如儲油罐、燃氣罐、井下設備等(具有)零件的修復。(5)需進行現(xiàn)場修復的，如難以拆卸的大型零，輸油、輸氣管道以及不具備熱修復條件的零，可采用表面粘涂技術現(xiàn)場修復。4.納米顆粒復合電刷鍍法微納米技術是

42、21 世紀出現(xiàn)的 3 大高新技術之一。整體納米化技術的應用估計還需2030 年時間。在現(xiàn)階段，將納米顆粒彌散分布在表面涂層內(nèi)，使納米材料與傳統(tǒng)表面工程技術相融合，發(fā)揮納米材料的優(yōu)異效果，開發(fā)了具有技術。知識的納米表面工程通過在普通電刷鍍液中添加納米陶瓷顆粒，并解決納米顆粒在鹽溶液中的團聚傾向和非導電的納米陶瓷顆粒與金屬實現(xiàn)共沉積等兩大技術難題，實現(xiàn)了納米顆粒與基體金屬之間牢固的化學鍵結(jié)合，從而依靠納米顆粒的特殊性能，大幅度提高了電刷鍍層的力學、摩擦學等性能。針對汽車發(fā)的關鍵零，如曲軸、凸輪軸、連桿，利用納米顆粒復合電刷鍍技術的納米顆粒復合電刷鍍層提高了零件的耐高溫、耐磨損和抗疲勞性能。該技術也

43、成功完成了進口飛機發(fā)壓氣機葉片的再制造，使葉片抗微動磨損性能顯著提高，300h 臺架試驗驗證滿足要求，再制造費用僅是從國費用的 110，突破了維修技術瓶頸，獲得了顯著的效果。2.3 本章小結(jié)術實施維修本章分析了離心式壓縮機的工作原理，葉輪的用途，主要的結(jié)構參數(shù)和制造工藝。介紹了幾種常用的再制造葉輪的修復方法，以及各自的特點。3 葉輪建模簡介3.1CAD 三維建模技術及 Pro/E3.1.1CAD 三維建模技術簡介CAD 即Computer Aided Design(計算機輔助設計)22，是依賴于計算機、硬件、外部設備、開發(fā)環(huán)境等工具進行產(chǎn)品設計的綜合技術，是傳統(tǒng)設計方法與計算機技術的有機結(jié)合。

44、以 CAD 技術產(chǎn)生于 20 世紀 50 年代后期，但在 CAD發(fā)展的初期，CAD的含義僅僅是圖板的替代品，被稱為計算機輔助出圖。直到 80 年代，CAD 技術日趨成熟，己經(jīng)成為計算機應用領域最有影響的方向之一，是人類從事生產(chǎn)活動的得力工具，并且得到了廣泛應用，對提高制造業(yè)整體水平、促進產(chǎn)業(yè)進步發(fā)揮著極其重要的作用，現(xiàn)已成為衡量一個國家科技及工業(yè)水平的重要標志之一。建模技術是CAD 的技術現(xiàn)在主要利用CAD對結(jié)構進行建模分析并且輔助優(yōu)化設計。從 50 年代至今建模技術經(jīng)歷了二維出圖、三維幾何建模(包括線框建模、曲面造型和實體造型)、參數(shù)化和變量化特征建模及產(chǎn)品集成建模的發(fā)展過程?，F(xiàn)已將計算機輔

45、助制造技術(CAM)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(PDM)、計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS) 及計算機輔助測試(CAT) 融于一體。常用的三維建模技術Inventor，Solid Edge，Solid Works，Pro/Engineer，CATIA，UG 等。有：Autodesk3.1.2Pro/E簡介Pro/Engineer 系統(tǒng)2324是參數(shù)技術公司(Parametric Technology Corporation，簡稱 PTC)推出的基于 CAD/CAE/CAM 的包。其最突出的特點在于它的參數(shù)化建模、基于特征、全尺寸約束、全數(shù)據(jù)相關、尺寸驅(qū)動設計修改。參數(shù)化使得產(chǎn)品設計過程中的各個環(huán)節(jié)聯(lián)系在一

46、起，任何一個環(huán)節(jié)中發(fā)生零件尺寸的修改都可以自動 到整個建模環(huán)境中。Pro/Engineer 系統(tǒng)主要優(yōu)點如下：（1）真正的全相關性，任何地方的修改都會自動反映到所有相關地方；（2）正管理并發(fā)進程、實現(xiàn)并行工程的能力；具有強大的裝配功能，能夠始終保持設計者的設計意圖；容易使用，可以極大地提高設計效率。Pro/Engineer 系統(tǒng)用戶界面簡潔，概念清晰，符合工程的設計與。整的數(shù)據(jù)庫上，具有完整而的模型。Pro/Engineer 建立在工作站上，個系統(tǒng)建立在系立于硬件，便于移植。本文采用的Pro/Engineer Wildfire 野火版 5.0 比其以前的版本提供了更高的靈活性，可幫助用戶克服影

47、響設計效率的。用戶體驗的改善（例如圖形化瀏覽、直觀的UI 增強功能、簡化的任務和更快的性能）提高了設計效率并縮短了產(chǎn)品上市時間。為CAD 互操作性樹立了標準。增強了自身對其他 CAD 系統(tǒng)和非幾何的支持，而且支持原始的Autodesk、Inventor 和Solid Works 數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、導入、導出的效率也大大加快。3.2 新品葉輪及再制造葉輪建模3.3 本章小結(jié)4 再制造葉輪的有限元分析4.1 有限元分析方法有限（finite element method）的基本概念是用較簡單代替復雜問題后再求解。它將求解域看成是由若干個有限大小的單元體的集合，對每一單元假定一個合適的(較簡單的）近似

48、解，然后推導這個求解域的總的滿足條件(如結(jié)構的平衡條件），從而得到問題的解，這個解不是準確解，而是近似解，因此實際問題被較簡單所代替。由于大多數(shù)實際問題難以得到準確解，而有限元不僅計算精度高，而且能適應各種復雜形狀，因而成為行之有效的工程分析。隨著矩陣理論、數(shù)值分析方法、特別是計算機科學與技術的發(fā)展，有限無論在理論研究還是在應用上都取得了巨大進步17。有限應用的領域越來越廣，從最初的結(jié)構力學到現(xiàn)在的熱力學、流體力學、電路學、電磁學和聲學等領域。從最初的簡單靜力分析發(fā)展到現(xiàn)在的動力學分析、強度剛度分析、非線性結(jié)構分析、多物理場耦合分析等復雜問題的計算。而且隨著計算機技術的發(fā)展，有限優(yōu)化分析現(xiàn)已經(jīng)是計算機輔助設計制造的重要組成部分。從選擇未知量的角度來看，有限可分為三類，即位移法和混合法。以節(jié)點位移為基本未知量的求解方法稱為位移法；以節(jié)點力為基本未知量的求解方法稱為力法；一部分以節(jié)點位移，另一部分以節(jié)點力作為基本未知量的求解方法稱為混合法。4.2ANSYSANSYS簡介是包含結(jié)構分析、流體力學、