大过盈配合的叶轮-主轴温差拆解机理的研究

刘光复(1945-),男,辽宁开源人, 合肥工业大学教授,博士生导师;

杜晓东(1966-),男,河南南阳人, 博士,合肥工业大学教授,博士生导师.

大过盈配合的叶轮-主轴温差拆解机理的研究

沈健,郭长福,周丹,刘光复,杜晓东

(合肥工业大学 机械与汽车工程学院,安徽 合肥 230009)

摘要:文章针对过盈配合的叶轮-主轴模型,通过对比不同的加热方式,选择出一种最优的加热方式;在该加热方式下,通过有限元计算的方法,得到拆解力与相关因素随时间变化的关系,并绘制曲线图,找到影响拆解力的最大因素;采用正交试验方法安排相关参数,通过回归分析对数据进行处理,建立拆解力与过盈量、摩擦系数、热膨胀系数和温度之间的回归方程。

关键词:过盈配合;拆解力;回归分析

基金项目：国家“973计划”资助项目(4131000009)

作者简介：沈健(1956-),男,安徽合肥人,博士,合肥工业大学教授，硕士生导师;

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2015.01.002

中图分类号:TH17文献标识码：A

Study of temperature difference dismantling mechanism

of large interference fitted impeller-spindle

SHEN Jian,GUO Chang-fu,ZHOU Dan,LIU Guang-fu,DU Xiao-dong

(School of Machinery and Automobile Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Abstract:As to the interference fitted impeller-spindle model, by comparing different heating methods, an optimal heating method is chosen. Then by the finite element calculation method, the change of relationships between dismantling force and relevant factors over time is obtained, the graph is drawn, and the biggest factor affecting the dismantling force is found. The relevant parameters are arranged by using the orthogonal test method, and the data is processed by using the regression analysis. Then the regression equation between the dismantling force and the amount of interference, friction coefficient, thermal expansion coefficient and temperature is built.

Key words:interference fit; dismantling force; regression analysis

当今世界,资源匮乏日益严重。为了减缓资源压力、提高资源的利用效率,绿色再制造工程与相关学科已经发展起来。无损拆解是机械装备再制造的必要环节,面向再制造的拆解问题是再制造需要解决的关键问题之一[1-2]。

温差拆解是叶轮、轴承等拆卸时广泛应用的一种方法[3-5],但在温差拆解方面尚缺乏充足的理论依据指导生产,阐述拆解的相关因素与接触面的接触应力、界面损伤和拆解力关系的文献也非常有限,因此研究过盈配合条件下温差对于再制造拆解的影响是十分必要的。过盈连接是机械装备中常用的连接方式,特别是在一些要求对中性好、承受冲击性能好的场合中更为常见[6]。对超过使用寿命的大过盈配合的离心式压缩机的叶轮-主轴进行拆解时,由于过盈量较大,拆解过程难度较大。

本文以温差拆解为基础,提出拆解力与过盈量、摩擦系数、热膨胀系数、温度的关系;再通过有限元法计算得出随着时间的变化,拆解力与过盈量、摩擦系数、热膨胀系数、温度的关系,找到最优的温差拆解方式;最后采用正交表安排相关参数进行有限元计算,通过回归分析对计算结果进行处理,建立拆解力与过盈量、摩擦系数、热膨胀系数、温度之间的回归方程,并在回归方程的基础上,进行叶轮-主轴的加热条件下的拆解分析。

1加热拆解的各相关要素关系

离心式压缩机的叶轮-主轴是以大过盈方式连接的,过盈量会影响接触面的接触应力,过盈量的大小是拆解过程中要考虑的重要因素。接触面摩擦系数的变化会导致加热拆解时拆解力的变化。温度的不同会导致叶轮-主轴接触面的膨胀量不同,从而影响拆解力的大小。在加热拆解的过程中,热膨胀系数不同会造成叶轮和主轴的热膨胀量不同,进而导致接触应力和拆解力的变化。

加热会影响叶轮-主轴的过盈量,过盈量会直接影响接触面的接触应力,加热时热膨胀系数的大小可以改变材料的膨胀量,也会改变接触应力。拆解力的大小是由接触压力和摩擦系数共同作用决定的,因此拆解力的大小与过盈量、摩擦系数、热膨胀系数和温度直接相关。拆解过程中对叶轮-主轴造成的界面损伤可以通过拆解力的大小反映出来,当拆分叶轮-主轴时,所需的拆解力越大,造成的接触界面的犁沟、划痕等损伤也越严重。

大过盈配合的离心式叶轮-主轴拆解时,各相关因素与接触应力、拆解力和界面损伤的关系如图1所示。

2温度场加载方式和拆解力影响因素

叶轮-主轴过盈配合的接触分析是三维弹塑性接触问题,其难点在于接触表面力学状况的不确定性[6]。真实的叶轮是三维复杂结构,如图2所示。

由于配合区的刚度分布不同,接触状态是沿轴向变化的,需要迭代计算才能求得准确的变形和应力,传统的算法不具备这个能力,因此本文通过有限元的热结构耦合分析进行计算[7-8]。

图2　离心压缩机叶轮-主轴装配体

2.1　温度加载区域

对叶轮加热,可以在多个区域进行。固定主轴和叶轮的过盈量为0.2 mm、摩擦系数为0.15、轴的热膨胀系数为1.5×10-5m/℃(叶轮的热膨胀系数均固定为1.7×10-5m/℃)、温度为300 ℃,在主轴的端面施加全固定约束(fixed support)。分别在叶轮的轴盘、盖盘和流道面施加温度载荷(temperature),计算加热400、800、1 200、1 600、2 000、2 400、3 200 s后在有限元的后处理中得到拆解所需的拆解力,将每个时间点所需的拆解力数值绘制成曲线,得到在叶轮的不同区域加热情况下拆解力的大小,如图3所示。

图3　加热区域与拆解力、时间的关系

从图3中可以看出，随着时间的增加,在3种不同的区域加热,所需的拆解力都会逐渐减小,且在加热的前1 200 s减小程度较为显著;在流道面上施加温度载荷时,所需的拆解力明显小于在轴盘面或在盖盘面施加温度载荷所需的拆解力,因此在叶轮流道面加热是最优的加热区域。

2.2　单因素对拆解力的影响

为研究拆解力与过盈量、加热温度、轴的热膨胀系数和温度随时间变化的关系,分别固定过盈量为0.2 mm、摩擦系数为0.15、轴的热膨胀系数为1.5×10-5m/℃以及温度为300 ℃中的3个因素,改变另一个因素的取值；在主轴的端面施加全固定约束,计算在叶轮的流道面上施加温度载荷(temperature)400、800、1 200、1 600、2 000、2 400、3 200 s后所需的拆解力,并将每个时间点所需的拆解力数值绘制成曲线,得到各单因素与拆解力随着时间增加的变化趋势以及单因素变化对拆解力的影响情况。将有限元计算的数据结果绘制成曲线图,如图4所示。

图4　各因素与拆解力、时间的关系

由图4可以看出,随着时间的增加,拆解力会逐渐减小。在加热时间的前1 200 s,拆解力会显著减小,超过1 600 s之后拆解力的减小趋势不再显著。对比各单一因素对拆解力的影响可以得出:拆解力会随着过盈量、摩擦系数和轴的热膨胀系数的增加而增大,随着加热温度的增加而减小;过盈量对拆解力的影响程度最大,轴的热膨胀系数影响最小。

3拆解力的计算及分析

3.1　拆解力的回归分析

回归分析是处理变量之间相关关系的一种数理统计方法,用这种数学方法可以从大量观测的散点数据中寻找到反映事物内部的一些统计规律,得到回归方程。

为进一步得出拆解力与过盈量、接触面摩擦系数、轴的热膨胀系数和温度的函数关系,根据L25(54)正交表安排上述参数进行有限元计算,采用回归分析的方法求取拆解力的回归方程。选取过盈量的5个取值分别为0.315、0.360、0.405、0.450、0.495 mm;摩擦系数取值分别为0.10、0.15、0.20、0.25、0.30;轴的热膨胀系数5个取值分别为1.0×10-5、1.175×10-5、1.35×10-5、1.525×10-5、1.7×10-5m/℃;温度的取值分别为200、250、300、350、400 ℃。

求得的一次、二次、三次回归方程的相关系数R和显著性检验F值见表1所列,通过对比可知,三次回归方程最优。取拆解力的回归方程为:

F=221 335+1 719 170X2-3 348.8X4+

其中,F为拆解力;X1为过盈量;X2为摩擦系数;X3为轴的热膨胀系数;X4为温度。

表1　置信度 α=0.25时回归方程的比较结果

3.2　拆解力影响因素的分析

取一组基本参数如下:过盈量为0.405 mm、摩擦系数为0.2、轴的热膨胀系数为1.35×10-5m/℃、温度为300 ℃。根据回归方程,分别变动其中4个参数中的2个,另外2个取基本参数,分别绘制拆解力与2个参数的三维曲面图，如图5所示。

图5　根据回归方程绘制的三维曲面

由图5可知,随着过盈量的增大,拆解力会线性增大;摩擦系数在小于0.15时,拆解力较小,摩擦系数超过0.2时,拆解力显著增大;随着轴的热膨胀系数增大,拆解力会逐渐增加,但增加量较小;随着加热温度的增大,拆解力减小。

根据回归方程,分别变动1个参数,其余参数取基本参数,绘制拆解力与1个变动参数关系的曲线图,如图6所示。

图6　拆解力与各因素的关系

4结论

本文将过盈量、摩擦系数、轴的热膨胀系数和加热温度作为影响过盈配合拆解力大小的主要因素,建立叶轮和轴的过盈配合的有限元接触模型,进行有限元热-结构耦合分析,并采用回归分析方

法对有限元计算数据进行处理,获得了拆解力的回归方程,得到了如下结论:

(1) 对比在叶轮3种不同区域加热的拆解力大小可知,在流道面施加温度载荷所需的拆解力明显小于在轴盘面和盖盘面施加温度载荷所需的拆解力。

(2) 加热温度增大拆解力减小,加热时间小于1 200s时拆解力减小幅度较为显著,加热时间超过1 200s之后,拆解力减小幅度较小。

(3) 过盈量增大,拆解力增大;摩擦系数增大,拆解力增大;轴的热膨胀系数增大,拆解力增大。

[参考文献]

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(责任编辑胡亚敏)