闡述了運(yùn)用三維建模方法對(duì)大型單軸懸臂水平剖分離心壓縮MCO1404深入進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，完成了對(duì)壓縮機(jī)重要結(jié)構(gòu)部件：半開葉輪、懸臂蝸殼、進(jìn)口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)器的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等最佳結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和整機(jī)的虛擬裝配，檢查并修正了多處在二維設(shè)計(jì)中容易忽視的問題，提高結(jié)構(gòu)的工藝性和合理性，提升產(chǎn)品的質(zhì)量和高可靠性，為推進(jìn)壓縮機(jī)的三維設(shè)計(jì)探索出新的途徑和方法。

一、項(xiàng)目研究背景

　　隨著能源的需求日益增長，在冶金、煤化工和煉油等裝置不斷大型化的趨勢(shì)下，相應(yīng)的空分裝置規(guī)模也越來越大，作為空分裝置的核心動(dòng)設(shè)備離心壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸越來越大，設(shè)計(jì)和制造的難度也越來越復(fù)雜。

　　沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司的單缸懸臂離心空分壓縮機(jī)——MCO型壓縮機(jī)從20世紀(jì)90年代初研制成功以來，在空分領(lǐng)域以制造成本低、工作效率高、運(yùn)行穩(wěn)定以及流量調(diào)節(jié)簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)，在小型空分裝置中逐漸替代制造成本較高的雙缸DMCL+2MCL型壓縮機(jī)組和組裝式齒輪壓縮機(jī)組，成為公司空分市場(chǎng)的拳頭產(chǎn)品。近年來隨著空分裝置規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對(duì)該產(chǎn)品的大型化要求越來越高。4萬m3/h以上規(guī)模的空分裝置上，入口流量達(dá)220 000m3/h的壓縮機(jī)按已有的業(yè)績(jī)，采用DMCL1204+2MCL1203雙缸串聯(lián)結(jié)構(gòu)，其總質(zhì)量達(dá)200t，2個(gè)轉(zhuǎn)子共計(jì)12.6t，制造成本高，占用廠房面積大，機(jī)械部件的功率損失高，維修的成本高昂。在氣動(dòng)設(shè)計(jì)上，完全可以采用MCO1404型單缸代替，設(shè)備重僅為110t，轉(zhuǎn)子7t，節(jié)約制造成本、維修等成本50%，占用廠房面積縮小30%，單缸設(shè)備機(jī)械損失減小，運(yùn)行更加穩(wěn)定，可靠性高。

　　MCO系列單軸懸臂多級(jí)離心壓縮機(jī)的產(chǎn)品型號(hào)，以 MCO1404 為例含義如下：M 表示主體結(jié)構(gòu)為水平式剖分，中分面用螺栓固定;CO 表示懸臂離心壓縮機(jī)，首級(jí)葉輪懸于主軸一側(cè)軸端;140表示首級(jí)壓縮機(jī)葉輪名義直徑為 1 400mm;4 表示該壓縮機(jī)共有 4 級(jí)葉輪。

　　但MCO型產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)相比雙缸復(fù)雜，而且設(shè)備的大型化造成轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)分析、裝配的工藝性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等一系列難度的大大提升。MCO1404型空壓機(jī)共4級(jí)葉輪，首級(jí)半開葉輪直徑1.4m，重達(dá)1t，外掛在雙支撐軸承外側(cè)，雙支撐軸承間的跨距3m以上，單級(jí)懸臂葉輪通過螺栓固定于止推側(cè)頂端，轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)特征不好把握，產(chǎn)品高速動(dòng)平衡和機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)試車難度都較大。

二、二維圖樣設(shè)計(jì)的局限

　　傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)方法即簡(jiǎn)單地按已有產(chǎn)品進(jìn)行模仿放大，保守估算轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，二維而不能立體布置本體的結(jié)構(gòu)，材料保守使用，真空技術(shù)網(wǎng)(http://smsksx.com/)認(rèn)為只用該方法必將導(dǎo)致產(chǎn)品過于龐大笨重，轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)計(jì)算不準(zhǔn)確，可能后期制造和運(yùn)行造成無法彌補(bǔ)的損失。所以應(yīng)用三維建模的方法對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的優(yōu)化對(duì)比是新產(chǎn)品研制階段極其關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

　　該大型空分單缸壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)，在沒有任何參考資料的前提下，面臨以下技術(shù)難題：

　　1)首級(jí)半開葉輪直徑最大達(dá)1.4m，相應(yīng)量級(jí)的進(jìn)口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)器在任何機(jī)組中從未采用過，其調(diào)節(jié)葉片的開度調(diào)節(jié)的傳動(dòng)方式以及與懸臂蝸殼、電動(dòng)執(zhí)行器機(jī)構(gòu)的連接安裝方式要全方位的考慮。

　　2)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析得準(zhǔn)確與否，尤其在臨界轉(zhuǎn)速分析和轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性分析中要求輸入的每級(jí)葉輪的重量、重心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和飛輪力矩等數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確，無疑都是機(jī)組是否能夠安全運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。

　　3)相應(yīng)的大重量轉(zhuǎn)子、超重焊接機(jī)殼、懸臂蝸殼以及鑄造隔板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與裝配是否合理，無法準(zhǔn)確估量單件和整機(jī)的重量，帶來原材料的成本和產(chǎn)品市場(chǎng)定價(jià)缺失等麻煩。

　　以上這些問題，對(duì)于全新設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，用傳統(tǒng)的二維三視圖的圖樣很難表達(dá)清楚，全靠設(shè)計(jì)者頭腦中的想象，無法直觀地表達(dá)自己的設(shè)計(jì)思想。解決這些問題的關(guān)鍵就是打破傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，運(yùn)用三維設(shè)計(jì)思想自上而下全機(jī)組關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)產(chǎn)品，從三維模型的建模、裝配、分析中發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，優(yōu)化再設(shè)計(jì)，逐步達(dá)到設(shè)計(jì)方案的最優(yōu)化。

三、三維優(yōu)化設(shè)計(jì)過程及解決的技術(shù)問題

　　首先還是用二維繪圖軟件CAXA進(jìn)行壓縮機(jī)本體結(jié)構(gòu)1:1圖方案進(jìn)行布置，然后運(yùn)用三維CAD設(shè)計(jì)軟件CATIAV5R17進(jìn)行詳細(xì)的零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和虛擬裝配，設(shè)計(jì)過程對(duì)于結(jié)構(gòu)布置不太合理和干涉錯(cuò)誤的部分，向有經(jīng)驗(yàn)的師傅請(qǐng)教討論，不斷優(yōu)化更新約束尺寸鏈直觀的更新結(jié)構(gòu)。壓縮機(jī)剖面圖如圖1所示。

圖1 MCO1404多級(jí)懸臂壓縮機(jī)總剖圖

1.進(jìn)口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)器 2.半開葉輪 3.懸臂蝸殼 4.轉(zhuǎn)子 5.鑄造隔板 6.機(jī)殼

四、解決的問題和項(xiàng)目研究的意義

　　通過這次對(duì)大型單軸懸臂水平剖分壓縮機(jī)MCO型三維優(yōu)化方法的研究和探索，充分運(yùn)用了三維設(shè)計(jì)方法的優(yōu)勢(shì)，對(duì)大型壓縮機(jī)機(jī)組進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)和解決了利用二維圖樣設(shè)計(jì)不容易發(fā)現(xiàn)的問題。

　　1)解決了轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)參數(shù)，保證高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的安全性。

　　2)合理地設(shè)計(jì)了導(dǎo)葉機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)和安裝問題，選裝國產(chǎn)簡(jiǎn)單的角行程氣動(dòng)執(zhí)行器，提高導(dǎo)葉調(diào)節(jié)的效率，降低了制造和采購成本。

　　3)對(duì)焊接機(jī)殼風(fēng)筒的合理布置避免了實(shí)際焊接時(shí)無法焊接，竄動(dòng)風(fēng)筒造成的麻煩。

　　4)通過三維模型可以容易地計(jì)算出每個(gè)零件的重量、整機(jī)的最大重量和起吊重量，從而準(zhǔn)確地計(jì)算出原材料的費(fèi)用，準(zhǔn)確對(duì)該機(jī)型進(jìn)行市場(chǎng)定價(jià)。

　　5)可以制成精美的圖片和說明手冊(cè)，在銷售和技術(shù)交流中對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行宣傳。

　　在國外同行業(yè)的大公司以三維設(shè)計(jì)壓縮機(jī)多年，而沈鼓一直延續(xù)著二維圖樣設(shè)計(jì)，而機(jī)組的大型化僅參照小機(jī)型進(jìn)行放大，除耗費(fèi)原材料外，機(jī)組的性能也無法保證。通過此三維的設(shè)計(jì)探索，為沈鼓未來采用全新的壓縮機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)探索出途徑，在原材料成本和制造成本節(jié)節(jié)攀升的今天，為合理和最優(yōu)化設(shè)計(jì)研發(fā)出越來越大型和復(fù)雜的新產(chǎn)品打下良好的基礎(chǔ)，同時(shí)為國產(chǎn)壓縮機(jī)的技術(shù)進(jìn)步貢獻(xiàn)出力量。