离心压缩机端盖起吊机构结构设计与静力学分析

白俊峰，张弛，田东升，佘皖宁，周玙



离心压缩机端盖起吊机构结构设计与静力学分析

白俊峰1，张弛2，田东升3，佘皖宁4，周玙5

（1.沈阳鼓风机集团股份有限公司 透平工艺部，辽宁 沈阳 110869；2.沈阳鼓风机集团股份有限公司 研究院，辽宁 沈阳 110869；3.沈阳鼓风机集团股份有限公司 透平设计院，辽宁 沈阳 110869；4.沈阳鼓风机集团股份有限公司 定子车间，辽宁 沈阳 110869；5.沈阳鼓风机集团股份有限公司 科技管理部，辽宁 沈阳 110869）

垂直剖分式离心压缩机端盖的装配方法是装配压缩机的关键技术难题，根据现有端盖起吊机构，重新设计了一种可以调节起吊点的端盖起吊机构。通过Pro/E的参数功能对其进行参数化建模，以有限元理论为基础，施加端盖及起吊机构的重力载荷后，对起吊机构进行静力学强度分析，从而计算得出起吊机构的最大应力作用点及最大应力值，为起吊工具的设计提供理论依据，同时为优化改进奠定基础。

垂直剖分式压缩机；起吊机构；参数化建模；静力学分析

离心式压缩机在国民经济各部门中占有重要地位，特别在冶金、石油化工、天然气输送、制冷以及动力等工业部门获得广泛应用[1]。离心式压缩机的端盖装配是压缩机装配工艺中关键的技术难题之一。本文以某型垂直剖分式离心压缩机端盖为例，以现有端盖起吊机构为基础，通过创新机械结构，发明一种全新的起吊机构，通过有限元分析技术，求解起吊机构最大应力作用点及应力值，验证全新起吊机构的机械强度。

1 端盖起吊机构的重新设计

目前的起吊端盖工装上存在若干圆孔，通过吊环穿过不同位置的圆孔实现起吊重心的变化，结构如图1所示。此方法仅能达到起吊点与重心接近的程度，很难实现起吊点与重心完全重合，容易造成端盖起吊后仍存在轻微倾斜的情况，端盖在吊装过程中的稍许倾斜都会对端盖装配过程造成巨大困难，所以设计可调起吊点的端盖起吊机构，便于吊装端盖装配作业。

图1 原端盖起吊机构

现利用螺纹丝杠调整起吊点位置，重新设计的端盖起吊机构结构如图2所示。此种端盖起吊工具主要由五部分组成，包括主体板、吊装滑块、手轮、丝杠、法兰。

此机构主要工作原理为，丝杠固定不动，手轮旋转带动吊装滑块水平移动，实现起吊点位置的调整。在起吊端盖时，端盖与法兰通过螺栓把合，起吊后为保证端盖垂直于地面，操作者通过顺时针或逆时针旋转手轮调节吊装滑块位置，确认端盖垂直后，即可停止对手轮的旋转，利用丝杠与手轮的配合实现自锁功能，再对端盖进行装配起吊作业，如图3所示。

1.主体板 2.吊装滑块 3.手轮 4.丝杠 5.法兰

2 端盖起吊机构的建模

2.1 三维模型

鉴于在ANSYS WorkBench中建模存在较大困难，因此选择Pro/E对端盖起吊机构进行参数化建模[2-3]，如图4所示。其中，主体板材料采用Q345A，吊装滑块材料为45号钢，法兰采用20号钢，端盖材料为KMN，端盖起吊机构的基本尺寸为：主体板长、高、厚为910 mm、900 mm、70 mm，法兰直径275 mm。

图3 端盖起吊机构吊装端盖示意图

图4 端盖起吊机构三维模型

2.2 静力学模型

结构静力学是有限元方法最常用的一个领域。应用有限元对结构进行分析，是一项综合性的工作，包括结构的物理力学模型抽象为有限元计算的数学模型，计算程序的选择或修改，在计算机上的实施，以及计算前后大量信息数据的处理等过程[4]。静力分析用于求解静力载荷作用下结构的位移和应力等[5]。

通过结构力学分析可知，此种起吊机构在起吊端盖时，所受载荷主要取决于端盖自重，同时，起吊机构也存在自重，在吊装转运过程中，运动较为缓慢，因此，对于起吊机构进行静强度分析即可满足计算要求[6]。经简化后的力学模型如图5所示。

图5 端盖起吊机构受力分析简图

为模拟真实起吊过程，对于此端盖起吊机构，起吊点位置应与重物的重心在同一垂直线上且起吊点应在重心之上，从而便于计算在吊装端盖过程时端盖起吊机构的受力情况。

通过Pro/E，利用三维模型，首先设置端盖、起吊机构的材质密度均为7.85 g/cm3，利用Pro/E质量属性功能分析计算得出装配端盖后起吊机构重心位置，从而得到重心位置坐标值。其次，经计算，＝514.5 mm时，起吊点位置与重心在同一垂直线上。最后，将吊装滑块滑移至重心位置，保证起吊端盖垂直于水平地面，从而方便装配工作。调整起吊点位置前、后的三维模型如图6所示。

3 端盖起吊机构的静力学分析

3.1 有限元模型与载荷计算

首先，通过Pro/E对起吊机构建模，并进行适当简化处理，对模型进行静力学分析时，丝杠与手轮等零部件均不参与受力，因此将其去除，节省运算时间，处理后模型如图7所示；其次，将简化后的三维模型导入ANSYS WorkBench软件中，再进行网格划分；最后，为模拟真实起吊环境，将吊装滑块两侧吊耳进行全约束，将吊装滑块与主体板建立绑定接触，于端盖重心位置处施加端盖重力载荷和起吊机构自重载荷。根据材料密度及模型体积计算得出，端盖质量＝1.948×103kg，端盖重量＝＝19090.4 N。因此端盖起吊机构受到外力载荷为19090.4 N。

图6 调整起吊滑块位置前后三维模型

图7 简化后的端盖起吊机构三维模型

3.2 求解与结果查看

通过计算，查看施加载荷后起吊机构应力云图，如图8所示，可知，当端盖起吊机构起吊端盖时，最大应力点位于主体板与法兰的连接处，最大应力值为1＝70.733 MPa，其中法兰材料为20号钢，其屈服强度为245 MPa，主体板材料为Q345A，屈服强度345 MPa，最大应力值远小于法兰和主体板的屈服强度，根据实际工艺要求，法兰与主体板连接方式为焊接，虽连接处强度不如一体式零件，但根据实际经验仍可判断得出连接处不会对起吊机构造成损坏。同时，查看施加载荷后吊装滑块应力云图，如图9所示，可知，吊装滑块应力最大点位于吊环与底板连接处，最大应力值仅2＝43.335 MPa，吊装滑块材料为45号钢，材料屈服强度为355 MPa，因此可以断定重新设计的端盖起吊机构符合静力学强度要求。

图8 施加载荷后起吊机构应力云图

图9 施加载荷后吊装滑块应力云图

4 结论

重新设计了离心压缩机端盖起吊机构，通过Pro/E参数化建模对起吊机构进行静力学分析，利用有限元分析软件得到起吊机构吊装端盖时的应力云图，验证了重新设计后起吊机构的静强度，计算得出最大应力位置位于主体板与法兰连接处，最大应力值为70.733 MPa，理论上符合强度要求。同时，本文仅计算了当起吊点与重心在同一垂线上时起吊机构的强度，未考虑起吊点与重心不在同一垂线的情况，还需下一步计算。

[1]邢海澎. 化工离心压缩机混合气体热力特性与相似性研究[D]. 天津：天津大学，2013.

[2]孙守胜. 龙门起重机金属结构动力学研究[D]. 武汉：武汉理工大学，2008.

[3]白俊峰，宋健，白伊川，等. 平行轴斜齿轮传动系统的动态响应分析[J]. 机械，2016，43（4）：49-54.

[4]蒋海江. 起升动载激励下门座起重机臂架系统动态特性研究[D]. 武汉：武汉理工大学，2006.

[5]张秉荣. 工程力学（第4版）[M]. 北京：机械工业出版社，2011.

[6]刘鸿文. 材料力学（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，辽宁沈阳人，硕士研究生，工程师，主要研究方向为离心式压缩机关键零部件加工工艺设计。