基于ABAQUS的转子过盈接触及热膨胀分析

基于ABAQUS的转子过盈接触及热膨胀分析
姚同林;肖芳;陈金锋
【摘要】螺杆转子是螺杆压缩机的核心部件.对于630机型,采用热套工艺装配后,阴转子曾出现因应力过大而产生断裂的问题,同时过盈配合与热变形共同影响着阴阳转子的间隙.本文采用有限元软件ABAQUS/CAE对630阴转子进行了有限元分析,结果表明阴转子空心齿内的最大应力达到227MPa,同时齿面最薄处的应力达150MPa,易出现疲劳断裂;对阴阳转子在以20~80℃下的非均匀温度场下的热膨胀进行量化,结果表明装配变形量在0.04~0.07mm之间;排端阴阳转子齿顶径向位移达到0.25mm,齿根为0.17mm,建议阴阳转子啮合装配间隙大于0.42mm.%The screw rotor is the key of the screw compressor. For the rotor of 630 adopting shrinkage fit, there was once a fatigue fracture problem of female rotor due to the large stress besides the changing of the assembly clearance. In this paper, an analysis of interference contact and thermal expansion of the screw rotor was taken based on ABAQUS/CAE. The result showed that the maxi-mum stress of the female rotor tooth reached 227 MPa while 150 MPa occurred at the thinnest face where probably broke. For the discharging temperature at 80℃ and assembly temperature/inlet temperature at 20℃, the result showed that the radial displacement due to the interference fit was below 0.1mm which approximate took up 1/4 of the total displacement which reached 0.25mm at the tooth tip and 0.17 at the tooth root. So 0.5mm may be a conservative value for the assembly gap of rotors gearing.
【期刊名称】《压缩机技术》
【年(卷),期】2017(000)006
【总页数】3页(P33-35)
【关键词】螺杆转子;ABAQUS;过盈;热膨胀
【作者】姚同林;肖芳;陈金锋
【作者单位】上海齐耀螺杆机械有限公司,上海 201108;上海齐耀螺杆机械有限公司,上海 201108;上海齐耀螺杆机械有限公司,上海 201108
【正文语种】中文
【中图分类】TH455
螺杆转子作为螺杆压缩机的核心部件，其对压缩机组的稳定运行起着决定性的作用。

对于直径较小的机型，通常采用实心转子，不存在内部装配应力问题；但对于
630及以上机型的转子，一般采用三段式，分为进端轴、空心齿和排端轴，轴和
齿通过过盈装配结合在一起，若装配应力过大则会造成力学性能下降，有可能产生异常变形甚至断裂的问题[1]。

因此有必要通过分析确定应力集中点以采取措施。

另一方面，转子啮合时的密封间隙很大程度上影响着螺杆机组的性能。

杨炳春和邢子文等[2]指出，在工作过程中，转子受力引起的变形与热变形相比是非常小的。

因此可认为除过盈配合外，对转子变形的影响以热膨胀为主。

压缩机内部工作介质的温度变化范围非常大，并且螺杆转子的型线复杂（采用SRM改进型），这必将导致转子发生非线性的变形。

因而在转子间间隙一定的情况下，若有部位热胀过大则会使转子卡死，相反，若冷缩过大则会增大泄漏三角形降低效率[3，4]。

虽然在入口处增加了喷液过程，可控制因压缩而升高的排气温度，同时在一定程度上减小
了热变形，但是热变形依然是不可避免的。

因此，有必要综合考虑装配及热变形影响，确定最小的理论间隙，从而以此为依据来调整阴阳转子齿顶和齿根的间隙（节圆1与节圆2的间隙或节圆3与节圆4的间隙），如图1所示，从而提高工作效率，保证压缩机的运行性能。

本文采用基于ABAQUS/CAE的三维有限元方法对630空心转子进行过盈装配，
以及20～80℃下的热变形进行仿真模拟分析。

使用SolidWorks建立转子三维模型，忽略次要部分（密封条，键槽等，既减少了计算时间又增加了计算精度），仅保留转子工作段，如图2所示。

齿部分形状复杂，因此采用10节点修正四面体二次单元（C3D10M），两端轴部分形状规则采用8节点线性减缩积分六面体单元（C3D8R）。

网格划分如图3所示。

转子材料为2Cr13，具体参数如表1所示。

过盈装配时，Φ330柱面单边过盈量为0.02 mm，Φ250柱面单边过盈量为0.1 mm；在排气端轴上施加径向约束和轴向约束，吸气端轴上施加径向约束。

由于过盈配合属于大变形，应考虑几何非线性的影响。

计算热变形时，主要考虑齿面在径向上的膨胀位移量，因此，简化转子边界上受力条件，仅在排气端轴上施加轴向约束，让其吸气端自由膨胀。

假设螺杆处于理想状态，即各个密封腔之间完全密封，将温度边界条件设定为20～80℃，从吸气端到排气端的整个转子齿上线性分布。

过盈装配后的阴转子的Mises应力变化如图4所示。

对于轴上的应力变化，去除
施加的边界条件影响，仅考察配合区域的应力，最大值为160 MPa。

空心齿内的
最大应力为227 MPa，同时齿面最薄处的应力达150 MPa。

与轴相比，齿面更薄，更易出现疲劳断裂。

本节对转子变形研究分为过盈配合以及热变形两部分，忽略工作过程中的受力变形。

螺杆压缩机工作中，假定为非均匀温度场，以20℃为转子的装配温度和吸气温度，80℃为排气温度。

转子卡死或擦缸故障最易出现在最大变形量处，因此表2～3给出了计算所得的阴阳转子排端齿根和齿顶处最大变形量。

结果表明过盈装配径向位移即变形量在0.04～0.07 mm左右，阴转子的齿顶变形比齿根要大，阳转子则相反。

80℃的工况下，排端阴阳齿顶综合径向位移达到
0.25 mm，齿根为0.17 mm，热变形的影响与过盈装配相比，前者明显较大。

建议装配间隙大于齿顶和齿根位移相加量即0.42 mm。

本文采用有限元软件ABAQUS/CAE对630转子进行了数值仿真分析，结果表明
阴转子轴上应力最大值为160 MPa，转子空心齿内的最大应力为227 MPa，同时齿面最薄处的应力达150 MPa，易出现疲劳断裂；对转子在以20℃为装配温度，排气温度为80℃下的非均匀温度场下的热膨胀进行量化，排端阴阳齿顶综合径向
位移均达到了0.25 mm，齿根则为0.17 mm，热变形的影响与过盈装配相比，前者明显较大。

因此为提高工作效率，保证压缩机运行性能以此为依据调整转子间隙，建议转子齿顶和齿根的装配间隙大于0.42 mm。

【相关文献】
[1]范文秀.基于ABAQUS的圆柱套筒过盈装配过程仿真研究[J].机械管理开发，2010，25（4）：
57-58.
[2]杨炳春，李建风，邢子文，李跃仓.无油螺杆空气压缩机转子变形分析[J].压缩机技术，2005，1.
[3]三吉清忠，邓立文.螺杆压缩机转子的热膨胀[J].流体工程，1987，9.
[4]曹锋.螺杆转子三维力热变形分析[J].上海交通大学学报，2002，36（10）：1453-1456.。