大型再制造离心式压缩机叶轮建模与仿真分析

1、重庆大学本科学生毕业设计（）大型再制造离心式压缩机叶轮建模与仿真分析学生：号：20083732学指导教师：教授专业：机械设计制造及其自动化重庆大学机械二 O 一三年六月Graduation Design(Thesis) of Chongqing UniversityThe Ming andysis of LargeRemanufacturing Centrifugal CompressorImpellerUndergraduate： Yi YunyuanSupervisor： Prof. Cao HuajunMajor： Mechanical Design & Manufacturing &

2、AutomationCollege of Mechanical Engineering Chongqing UniversityJune 2013摘要离心式压缩机被广泛应用于机械、化工、航天、生物等部门，对国家经济的发展有非常重要的影响。随着时代的进步和社会的发展，为实现可持续发展，对离心压缩机实行再制造已势在必行，它回收废旧机床产品，恢复具有高附加值的产品，在能源节约和环境保护方面有优势。离心式压缩机作为从在提高流体压力的时候，多数需要耗费比较多的能源，特别是大型的工程系列，例如近年来的万吨氯气压缩化工工程，对于较多消耗的大流量压缩机的设计、研发都能明显影响到企业的效益，也影响到国家倡导的绿

3、色环保节能理念。本文针对大型离心压缩机叶轮动力比较大和无法进行现场试验研究等特点，结合某型号离心式压缩机叶轮，进行建模与仿真分析，使课题更加实用，本文的主要内容如下：首先，论述了课题的研究目的、意义，并对国内外再制造产业现状、国及叶轮的研究现状进行分析。缩机其次，在了解离心式压缩机的工作原理的基础上，掌握叶轮的结构特点、用途和制造工艺，分析再制造叶轮的修复方法。再次，利用 CAD 三维建模技术，结合具体型号离心式压缩机，进行叶轮失效分析，并建立离心式压缩机新品叶轮模型及离心式压缩机叶轮再制造模型。最后，通过 ANSYS建立再制造离心式压缩机叶轮的有限元模型，分析典型载荷下的叶轮服役。：再制造，

4、离心式压缩机，叶轮，建模，仿真分析ABSTRACTCentrifugal compressor is widely usedechanical, biological, 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 centrif

5、ugal compressor remanufacture has been imperative. It recycle used product, 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 muchenergy. In large projects, for exle

6、, compressing ten thousand of chlorine gas project inrecent years. It is important to research and develop compressor of big flow and largeergreenconsuming, which can increase the entenvironmental protection and energy saving.rise economic benefit and achieve, the article discusses the topic researc

7、h pure, significance, and thenysespresent research situation on remanufacturing industry and the research situation of Centrifugal compressor impeller of domestic and foreign.Second, understand the operation principle of the centrifugal compressor, then master theimpeller structure features, applica

8、tion and manufacture promanufacture repair methods.s,ysis and impellerThen, 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 ser

9、vice life.ysis on the remanufacturingmKey words：remanufacture,centrifugal compressor, impeller, ming, simulationysis目录摘要IABSTRACTII1绪论11.11.2研究目的、意义1相关领域的国内外的研究现状21.2.1 国内外再制造产业现状21.2.2 国缩机及叶轮研究现状31.31.4的主要研究内容5本章小结62离心式压缩机叶轮72.1离心式压缩机的工作原理，叶轮的用途及制造工艺7离心式压缩机的工作原理7叶轮的用途及其制造工艺8再制造叶轮的工艺修复方法10叶轮特征分析132.

10、3.1 叶轮的疲劳失效分析132.22.32.3.2 叶轮的疲劳分析142.3 本章小结15叶轮建模1633.1CAD 三维建模技术及 Pro/E简介163.1.1 CAD 三维建模技术简介163.1.2 Pro/E简介163.23.3叶轮三维建模17本章小结184再制造叶轮的有限元分析19有限元分析方法简介19有限元分析方法194.1.2 ANSYS简介194.2 再制造叶轮有限元模型建立204.2.1 ICEMCFD简介204.2.2 叶轮的建模与网格划分21再制造叶轮有限元分析22再制造叶轮离心力分析22再制造叶轮模态分析24本章小结25结论265参考文献27致谢281绪论1.1 研究目

11、的、意义21 世纪，世界经济高速发展，自然资源的 的资源浪费和短缺、全球的生态破坏、环境污染等开采和环境的无偿使用造成了严重问题。国家的发展离不开制造业，一个国家制造业的水平是这个国家是否发达的重要评价指标。在全球化的发展中，制造业迅速发展，消费品得到大量普及，产品的周期大大缩短，废弃产品的数量急剧上升，因此如何处理这些废弃品并对环境无污染就是现在的问题。其中，机电产品制造业的资源使用量最大，同时环境污染也很严重。据统计，造成全球环境污染的排造业，它们每年约产生 7 亿吨有害废物和 55 亿吨无害废物1。有放物 70%以上来资料显示，全球每年有 2600 万辆汽车报废，我国 2007 年达到报

12、废标准的汽车也有 300万辆左右，同时在未来几年，我国机床、工程机械、家电等机电产品将进入高速淘汰阶段。到 2020 年，我国绝大多数高速和可持续性发展2。为了应对所问题将进一步加重，这将严重制约我国经济的，国家提出了再制造产业发展的计划，我国总结世界发达国家先进的再制造经验，提出了具有的 4R 体系（减量化Reduce、再利用 Reuse、再循环 Recycle、再制造 Remanufacture），成为我国目前可持续经济发展的重要支撑3。再制造是一种对废旧产品实施高技术修复和改造的行业，它针对的是损坏或即将报废的零，在性能失效分析、评估等分析的基础上，进行再制造工程设计，采用一系列相关的先

13、进制造技术，使再制造产品达到或超过新品。早期，由于离心式压缩机只适于低，中压力、大流量的场合，而不为人们所注意。但近来，由于化学工业的发展，各种大型化工厂，炼油厂的建立，离心式压缩机就成为压缩和输送化工生产中各种气体的关键机器，而占有极其重要的地位。因此，离心压缩机作为制造行业发展的重要领域受到了学者的广泛关注，在国民经济中起着重要作用。并且随着原材料路线的改变和机械设备研制工作的发展，各种工厂逐渐向大型化发展，所用到的离心式压缩机也向大型化的发展。离心式压缩机用于压缩气体的主要是高速旋转的叶轮和通流面积逐渐增加的扩压器。简而言之，离心式压缩机的工作原理是通过叶轮对气体作功，在叶轮和扩压器的流

14、道内，利用离心升压作用和降速扩压作用，将机械能转换为气体的压力能5。由此再制造产业具有巨大的经济效益和环境效益，是国家发展可持续经济的必要途径。再制造产品在同于甚至优于新产品的质量和性能基础上，可节能 60%，节材 70%，节约成本 50%，大气污染物排放量降低 80%以上4。发展再制造，不仅对节约资源和保护环境意义，更是推动制造业及现代服务业升级、促进经济的重要着力点。可知，叶轮是离心式压缩机高速旋转的命等有重要的影响。，它的各项性能对压缩机的可靠性和寿然而在离心式压缩机的运行过程中存在一些问题，例如能够正常运行的工作环境区域较窄，如果工况发生变化则加大对能源的耗费，重则发生喘振。对于离心压

15、缩机来说长期的喘振能够加大离心式压缩机叶轮的损坏，对压缩机造成很大的损坏，一般来说对于大型离心压缩机都配备的有一定的防喘振安全系统6。随着计算机 技术的日益先进和电脑硬件运算能力的进一步提高，离心压缩机安全保护和提前停车防止危害的技术越来越高，然而对于安全方面进行控制和避免的同时又存在以下问题：首先是如果气体压力升高，流量减小的时候，智能控制程序首先是增加回流空气的量，造成大量的能量都转化为热能而消耗。另外，控制系统往往根据压缩机的工作状况进行控制调整，有效的进行故障的快速排除7。所以为了尽快排除离心压缩机的故障和节约并不对于离心压缩机排除故障的时间和费用，只有依靠电脑科技进行复杂相互作用的建

16、模和仿真，从而模拟出接近真实的离心机的运行状况，从模型中找到离心机的各种运行的参数和故障产生原因，实现最终的优化改造。综上所述，为了解决日益高涨的资源紧缺问题和实施可持续发展，熟悉离心式压缩机叶轮的用途，对大型再制造离心式压缩机叶轮的进行三维建模，典型载荷下的有限元模型的仿真分析，分析它的受力情况，研究叶轮的疲劳可靠性设计，探讨了其疲劳破坏的预报方法，是非常有必要的。因此，本课题将结合具体型号离心式压缩机，进行叶轮的建模和仿真分析。相关领域的国内外的研究现状国内外再制造产业现状国外再制造产业经过近 30 年的发展已日趋成熟，再制造的领域也非常广泛，涉及汽车、工程机械、冶金装备、航空航天及国防装

17、备、铁路装备、计算机等。1996 年，美国已有再制造公司 7.3 万家，年销售额 530 亿，企业员工 48 万人8。2009 年，美国开始着手解决再制造产业发展中的次问题，如再制造产品的与关税、再制造的代码及科目、采购方案中对再制造产品的优先考虑、再制造的信息化等9。Cummins）发再制造公司是汽车零行业中规模最大的再制造企业，其再制造发承诺达到新品质量标准，并与新品一样享受，在已被广泛接受。每年再制造的零件材料超过 5000 万磅（约 2.27 万吨），节省的能源与约 1 万个家庭的年消耗能源相当，可减少温室气体排放 2 亿磅（约 9.07 万吨）10。斯公司已在巴西、澳大利亚、中国建起

18、了再制造厂。最大的工程机械制造企业（Catillar）公司开展了工程机械再制造，并在包括中国在内的 18 个国家和地区建立了再制造工厂，2009 年公司的再制造产值达到公司全部产值的 51%以上。欧洲再制造产业也很成熟。2000 年以来，英国派特（Listetter）再制造公司每年为英、美提供 3000 多台再制造发；德国大众（Volkswagen）汽车公司至 2004年已再制造汽车发机械领域，2008 年748，变速器 240 万；的再制造规模已很可观。仅工程就有超过 9的废旧工程机械得到再制造，其中 58%在国内使用，34%出口到国外，其余的 8%作为配件出售11。综合而言，美、欧、日的再

19、制造产业从技术标准、生产工艺、加工设备到废旧产品回收、产品销售和面已形成了一套较完整的产业体系。等方上世纪 90 年代，我国相继出现了一些再制造企业，如中国重汽济南复强再制造公司（中英合资）、大众汽车再制造分厂(中德合资)、柏科（常熟）电机有限公司（港商独资）、广州花都自动变速箱再制造公司（侨资）等，分别在重型卡车发动机、轿车发、车用电机，以及车用变速箱等领域开展再制造12。进入 21 世纪后，国家对再制造越来越重视。2008 年，国家发改委组织了由 14 家重点企业参加的汽车零再制造产业试点，包括、东风、上汽、重汽、奇瑞等整车制造企业和潍柴、玉柴等发制造企业；2009 年 11 月，国家工信

20、部启动了包括工程机械、采矿机械、机床、船舶、再制造产业集聚区等在内的 8 大领域 35 家企业参加的再制造试点工作，其中有徐工、柳工、中联、三一重工、重庆机床等知名企业13。综合而言，中国的再制造已初步构建起体系，并且具有迅猛发展的势头，但体量较小，成熟度较低，基础理论与技术基础的支持相对产业发展需求滞后，目前我国再制造产业还需要培育较长时间。1.2.2 国缩机及叶轮研究现状大型压缩机属于高科技产品，是衡量一个国家装备制造业发展水平的标志性设备之一14。从 1900 年法国制造出世界第一台离心压缩机开始，在心压缩机的生产热潮。二十世纪 50 年代，为适应化肥工业的高压和欧洲出现了离工艺需要，离

21、心式压缩机又获得了飞跃发展。目前国际上能够生产制造大型离心压缩机组的主要厂商有：GE、西门子、三菱重工、沈阳鼓风机等。目前世界上正在运行的最大规模乙烯生产装置是127 万吨/年生产线，正在设计建设中单机系列规模最大是伊朗在Assaluyeh 地区建造的 140 万吨/年乙烯装置15。我国压缩机行业起步较晚，解放前基本属于空白。上世纪 60 年代，当时的沈阳鼓风机厂生产出了我国第一台小型单轴离心式压缩机。70 年代，沈阳鼓风机厂引进意大利一台压缩机之后，经过研究和创新，使鼓风机的发展达到了很高的水平。开放之后，特别是最近 5 年，我国重工业的迅速崛起和国民经济的快速发展，为我国大型装备制造业快速

22、成长提供了有利条件和机遇，特别是能源、化工领域的“心脏设备”离心压缩机制造业发展迅猛，我国己经初步具备了与国外同类产品的竞争能力。但是也为大型装备制造业提出了新的，不断发现许多为目前我国离心压缩科学问题，特别是叶轮的设计与评估技术急需得到解决。机行业龙头企业、风机行业排头兵，特别是大型离心压缩机、大型离心鼓风机和大型离心通风机等主导产品代表了我国在该领域的技术发展水平，在压缩机设计、制造技术业处于国内领先地位。目前主品大型离心式压缩机，占国内市场的 85%。从离心压缩机的整个发展历史来看，大型化是一个重要趋势，但是大型化带来了机组设计、制造、运行和可靠性评估等一系列问题，尤其是高速旋转的叶轮的

23、寿命设计与分析问题更为突出，其问题成为制约大型离心式压缩机叶轮可靠运行的技术瓶颈。目前离心式压缩机向着高转速、高压比、多级、大流量方向发展，安全、高效、可靠和经济运行是现代大型压缩机械设计与制造的技术关键和难点。由于转速高、功率大，离心压缩机的制造精度、制造工艺和运行管理的要求也越来越高。其设计和制造涉及到流体力学、固体力学、热力学、现代节能理论、控制和摩擦学等诸多领域16-17，是集成各学科知识和现代技术的高科技系统。叶轮作为离心压缩机的稳定的运转是保证压缩机正常工作的重要基础。，其安全、大型离心式压缩机及其叶轮再制造属于再制造领域研究的新兴课题和学术前沿领域。与机床、工程机械、汽车等产品再

24、制造零件相比，大型离心式压缩机再制造叶轮结构更加复杂、工况更为特殊，因此研究难度大大增加。2011 年以离心压缩机再制造为核心对象的国家 973 基础研究项目“机械装备再制造基础科学问题研究”获得批准立项。联合、兵、大连理工大学、山东大学、哈尔滨工程大学、重庆大学、合肥工业大学、沈阳鼓风机、济南复强动力等相关院校及开展相关方面的研究。是国内第一支专门从事大型离心压缩机及叶轮再制造研究的国家级队伍。目前关于大型离心压缩机及叶轮再制造的研究仍然较少。国内外对大型离心压缩机及其叶和我国学者等18人全面轮的研究主要集中在新品叶轮上面。学者 Hanlo研究了离心压缩机的工作原理、结构设计理论及安装方法等

25、内容，为离心压缩机的设计与使用提供了参考依据；韩国学者 LabibM.N 等和学者 AbrahamEngeda 等19研究离等20-21研究了离心压缩机叶轮几何参数对叶轮性能的影响规律；波兰学者 J.Nowacki心压缩机叶轮的钎焊技术及不锈钢焊接叶轮强度性能等问题；学者 S.Sivaprasad 等22-23采用断口观测、能谱分析、金相显微等方式对离心压缩机叶轮及断口进行失效分析，论证了交变载荷促进材料缺陷扩展造成离心压缩机叶轮断裂失效的结论。然而关于离心压缩机再制造叶轮相关的研究却未见文献公开。本文通过离心压缩机再制造叶轮服役载荷分析，研究再制造叶轮载分布情况，利用 ANSYS 等进行服役

26、数值模拟。为企业增强整机运行的可靠性与安全性，延长工作其他叶轮机械的深入研究具有很好的借鉴意义。有着重要的意义，而且对综观国内外的研究现状，离心式压缩机及其叶轮再制造研究是当前研究的急需解决的热点问题。但是现阶段，国内外所做的研究较少，还不能很好的解决企业在生产实践中遇到的技术问题，尤其是关于再制造叶轮方面更是一片空白。因此关于离心压缩机再制造叶轮服役载荷分析及服役数值模拟成为本文重点关注。1.3的主要研究内容本课题所在拥有较好的科研基础，拥有多种计算机软、硬件及仪器设备，同时课题组从属于国家 973 项目“机械装备再制造的基础科学问题”项目组，围绕研究目标，内容如下：第一章，阐述了课题研究目

27、的及意义，介绍了再制造领域、再制造压缩机领域的研究现状。第二章，分析了离心式压缩机的工作原理，了解叶轮的结构特点、用途及其常用的制造工艺。详细分析再制造叶轮的工艺修复方法，为叶轮的再制造提供信息资料。第三章，针对某型号的离心式压缩机叶轮进行三维建模。简单介绍三维建模技术，了解所用的建模，根据第二章了解的叶轮结构特点，工艺修复特点，分析新品叶轮和再制造叶轮的特征，建立离心式压缩机新品叶轮模型及离心式压缩机叶轮再制造模型。第四章，离心式压缩机叶轮的有限元分析。简单介绍有限元方法及所用的 ANSYS面完成的三维建模基础上，利用有限元对再制造模型进行分析评价，分析典型载荷下的叶轮服役。的内容流程如下图

28、所示：图 1.1内容流程图1.4 本章小结本章概述了课题的研究目的和意义，相关领域的国内外研究现状，以及简单概括了本的主要内容。2离心式压缩机叶轮离心式压缩机的工作原理，叶轮的用途及制造工艺离心式压缩机的工作原理离心式压缩机的工作原理是通过叶轮对气体作功，在叶轮和扩压器的流道内，利用离心升压作用和降速扩压作用，将机械能转换为气体压力能24。更通俗地说，气体在流过离心式压缩机的叶轮时，高速旋转的叶轮使气体在离心力的作用下，一方面压力有所提高，另一方面速度也极大增加，即离心式压缩机通过叶轮首先将原的机械能转变为气体的静压能和动能。此后，气体在流经扩压器的通道时，流道截面逐渐增大，前面的气体分子流速

29、降低，后面的气体分子不断涌流向前，使气体的绝大部分动能又转变为静压能，也就是进一步起到增压的作用。1.弯道 2.回流器 3.涡室 4.密封 5.平衡盘 6.叶轮 7.扩压器 8.吸气室图 2.1 离心式压缩机简图图 2.1 为离心式压缩机的简图。气体由吸气室吸入，通过叶轮对气体做功，使气体压力、温度、速度提高。然后流入扩压器，使速度降低，压力提高。弯道和回流器主要起导向作用，使气体流入下一级继续压缩。最后，由末级出来的高压气体经涡室和出气管输出。2.1.2 叶轮的用途及其制造工艺用途：叶轮也称为工作轮。它是压缩机中最重要的一个。气体在叶轮叶片的作用下，跟着叶轮作高速的旋转。而气体由于受旋转离心

30、力的作用，以及在叶轮里的扩压，使气体通过叶轮后压力得到提高。此外，气体的速度也同样是在叶轮里得到了提高。因此，可以认为叶轮是使气体提高能量的唯一途径。制造工艺：叶片一般用低合金钢的热轧钢制造，如 2Cr13，20Cr 和 30 nSi 等25。对于材质的要求是：（1）机械性能高，以便承受工作时离心力产生的弯曲应力；（2）在热态下具有良好的塑形，以便模压成型；（3）耐磨，以免在介质中的硬质微粒摩擦力下产生较大的磨损。有时还要有耐腐蚀要求。（4）材质必须光滑、无裂痕、剥层、夹层及其它影响强度的缺陷。几种叶轮制造工艺方案如下：1.叶轮锻造工艺由于工艺上的要求锻造的和轮盖的余量是很大的。在选择钢锭的尺

31、寸时，首先要根据叶轮的锻坯外形计算它的重量。计算时，应以锻坯的基本尺寸加上正公差，由于上、下残料及锻造火耗的影响，钢锭的重量应大得多。叶轮的锻造工艺为：切割钢锭镦粗冲孔切出轮毂压出轮面中间退火切出第二轮面修整到需要高度退火2.叶轮铸造工艺叶轮是压缩机的主要零件，压缩机的性能与叶轮设计和制造的好坏密切相关。叶轮的叶片比较薄，其根部比较厚，而同一个叶片由于其部位不同，其厚薄相差较大，因此，从铸造工艺上要保证浇注成型，不产生较严重的疏松、收缩、热裂，这是铸造工艺应首先考虑的第一个特点。铸造时铸铁的体收缩较大，叶轮铸件的铸造工艺主要是如何考虑防止裂纹和收缩缺陷。叶轮采用砂型铸造方法，由于浇注温度较高，

32、厚度不均的铸壁连接处宜用合适的圆角过渡。按照顺序凝固原则设计叶轮的浇注系统，采用侧口浇注和补缩。叶轮的铸造工艺如图 2.2图 2.2 叶轮的铸造工艺图铸铁叶轮的硬度高，不利于机械切削加工的进行，叶轮进行机加工前应进行退火软化处理，退火后获得的组织为粒状珠光体基体及二次碳化物，具有较好的可加工性。机加工可在普通车进行。为了获得优良的抗磨耐腐蚀组织与性能，机械加工后的叶轮还应进行淬火及回火处理，可有效消除叶轮零件的应力并改善其韧性。3.叶轮焊接的工艺由于三元理论的应用，促进了离心压缩机叶轮结构的改进，同时对叶轮制造工艺方法提出了更高的要求，焊接工艺使三元空间型叶片的叶轮制造得到顺利地实现。目前，在

33、叶轮制造工艺中，焊接叶轮占主导地位。其中：(1)国内应大力开展特种焊在叶轮焊接中的应用，如产品销售市场的需要。焊、扩散焊和激光焊，以适应国内应加强对钎焊叶轮工艺的试验研究，使这种工艺方法发挥更大的作用，推动焊接叶轮向高质量、高精度方向发展。国内应大力推广新材料在叶轮制造中的应用，比如低合金高强钢 15Cr2Mol、低碳贝氏体钢、HQ 系列等高强钢，加强工艺试验研究，拓宽叶轮材料的应用广度，开拓风机的应用范围。4.整体叶轮的特种加工工艺随着新材料的采用、叶轮小型化以及叶轮构造复杂化，特种加工有其独有的技术特点，越来越显示出其优越性。小间隙整体叶轮电解加工的精度很高，可以达到叶片型面精度 0.03

34、mm，位置精度高 0.05mm，表面粗糙度 Ra0.41um，加工速度每分种几毫米至十多毫米(沿叶片纵向、即叶轮径向送进)26。叶片采用逐个套料式加工，为保证加工时流场均匀，每相邻叶片加工中留下一个“楔子”，直到加工完成后再将“楔子”除去。实践表明，它是等截面叶片整体叶轮加工的最佳工艺方法。除电解套料加工外，还可以采用电火花加工等截面叶片整体叶轮。尽管其加工效率不如电解加工高，表面粗糙度也不如电解加工好，但，由于其工艺继承性，至今还采用这一工艺加工火箭上的涡轮转子。其加工电极用石墨制造，以导电粘结剂粘结在铜制的电极杆上。加工过程是先粗加工通道，然后背分别用不极加工，叶片型面经电火化加工后，还需

35、采用砂带抛光。在电火花加工等截面叶片整体叶轮的基础上，出现了一种新的电火花加工叶片整体叶轮的工艺技术。其加工过程是：先以石墨电极粗加工通道，然后更换型面电极依次加工运动很难加工背型面。但由于叶片型面彼此覆盖，用成形电极作单方向送进程度大的叶片型面。因此，要采用复合送进方式，其加工过程是，先，用两个紫钢制的成形电极，从叶轮宽度两侧面同时加工送进而实在现电火花机通道粗加工，然后再采用符合背型面的电极，在一台由四个靠模控制而实现电极复杂成形运动的机，精加工叶片型面。型面加工又分半精和精加工两步进行，其中采用不同精度的工具电极。经以上过程，还有某些部分。如局部，仍不能精确成形，因此还要用小块电极补加工

36、。为达到较好的表面粗糙度，还采用成形阴极，固定式电解光整加工叶片型面。2.2 再制造叶轮的工艺修复方法零、的再制造主要是对其表面的损伤进行修复。主要针对达到物理、经济和技术而损伤、报废的产品，在失效分析和评估的基础上，把有剩余的损伤、报废的零作为再制造毛坯，进行修复加工，使其质量和性能达到或超过新品。再制造技术除包括常用的机械制造技术、粘接技术外，还主要涉及各种先进的表面处理技术。叶轮再制造流程如下图所示：图 3.2 叶轮再制造流程图几种再制造叶轮修复方法的描述如下：1.激光熔覆激光作为一种强力、非接触、清洁的热源进人加工领域以来，解决了许多常规方法无法加工和很难加工，极大地提高了生产效率和加

37、工质量，因而被称为未来制造系统的加工。激光熔覆技术是指以不同的填料方式在被涂覆基体表面上放置选择的涂层材料，利用大功率激光束能量极高的特点，瞬问使合金粉与被加工件表面一同完全熔化，并快速凝固后形成稀释度极低并与基体材料成冶金结合的致密覆层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电器特性等的工艺方法。修复叶轮是把叶轮用热套的方式安装到轴上的，叶轮热套安装不仅是为了传递扭矩的需要，同时也是避免在高速旋转下松动的要求。由于叶片通道太窄，焊接，就耍采用外部激光焊接的方法：在轮盖(或)缺损部位和裂纹的地方，开一些与其形状一致的浅槽。在浅槽中填满焊接材料并使其熔化，这样缺损部位和裂纹的地方接

38、触面就熔合在一起从而修复叶轮。2.堆焊修复技术堆焊是采用焊接方法在零件表面堆敷一层具有特殊性能合金层的工艺过程。其目的在于使工件表面获得具有耐热、耐蚀、耐磨等特殊性能的熔敷金属层，或恢复零件的尺寸。目前可用于叶片堆焊的主要有手工电弧堆焊、激光堆焊和粉末等离子堆焊。手工电弧焊手工电弧焊的设备简单、通用性强、不受焊接位置及工件表面形状的限制，适合现场作业；工艺灵活，不受位置限制，即可达性较好。手工电弧堆焊时焊条选择和焊条直径、堆焊电流及速度、零件的预热温度等，对焊接质量和生产效率影响较大。在堆焊材料的选择方面，对于一般金属磨损件的表面强化与修复，应遵循等硬度原则；对承受冲击载荷的磨损表面，可综合分

39、析以确定其堆焊材料。考虑堆焊层材料与基体材料的相容性，可用于叶轮堆焊修复的材料主要有：双相不锈钢型、低碳马氏体和奥氏体不锈钢型。双相不锈钢具有优良的抗应力腐蚀能力、良好的耐酸腐蚀性能和抗磨损腐蚀性能，具有较强的抗点蚀和缝隙隧洞式腐蚀的能力，但其耐热性较低，存在中温脆性区。可焊接性较好且热裂倾向小，不需焊前预热及焊后保温处理。激光堆焊激光堆焊可以获得高性能的合金堆焊层，如耐磨耐蚀性能、热障性能、抗氧化性能、抗汽蚀和冲蚀磨损等。与其他堆焊方式相比有着明显的优点：可以准确控制热输入量，工件加热速度快且冷却速度快(热畸变小)，涂层厚度、成份以及稀释率可控性好，组织致密，可以获得性能优越的堆焊层。激光加

40、工属于无接触加工，焊接工艺参数的确定，能够保证焊接质量，焊接可靠性高。激光堆焊层的材料成分决定其使用性能。按材料可分为：铁基合金、钴基和镍基合金等。它们都具有低应力抗磨粒磨损能力，良好的耐磨蚀、耐热和抗高温氧化性能等特点。铁基不仅价格低廉、经济性好，而且通过调整成分、组织，能够在较范围内改变涂层的强度、韧性、硬度、耐磨耐蚀和抗冲击等性能，是应用较多的堆焊合金。镍基合金中最常见的是 NiCr-BSi 系和 Ni(3)等离子堆焊oW 系28。等离子堆焊利用焊枪钨极作负极，工件基体作电流阳极并产生等离子弧作高温热源，将热能传送给待焊接基体，并向该热能区域送入焊接粉末材料，使得其熔化后沉积在待焊工件表

41、面的堆焊工艺。等离子堆焊最突出的优点就是其热影响区域较小，对基体的热影响小，冲淡率低(小于 5)，使得基体热变形小；其次，等离子弧能够被精确调节，工艺控制性好，堆焊厚度可达 2mm，能够焊接较薄的工件；第三，等离子弧温度高，能量密度大且能量集中，指向性强，施焊效率高。但设备贵，劳动保护要求高，主要针对钴基、碳化钨基材料的堆焊，应用于排气阀座、玻璃模具、球阀、蝶阀、钻井工具、抗磨板、锅炉管壁等。 3.表面粘涂技术表面粘涂技术是指将添加特殊材料的胶粘剂涂覆与零件表面，以赋予零件表面特殊功能的一项表面工程技术，适用范围广泛，可对各种不同的材料进行施工，如、金属、陶瓷、水泥制品、橡胶制品等。涂刷厚度范

42、围从几十微米到几十毫米，且均具有良好的结合强度。表面粘涂技术不仅能够对一般零件进行修复，尤其适用于以下特殊材料和特殊工况零件的修复：(1)采用难于或不能进行焊接加工制成的零件，如铸铁、铸铝、硬化钢板、铝合金、和有橡胶层的金属零；薄壁零件，采用热修复方法进行修复时易变形或产生裂纹；结构形状复杂的零件磨损的内孔、内外沟槽，难以采用焊补施工； (4)特殊环境及特殊，如储油罐、燃气罐、井下设备等(具有)零件的修复。(5)需进行现场修复的，如难以拆卸的大型零，输油、输气管道以及不具备热修复条件的零，可采用表面粘涂技术现场修复。4.纳米颗粒复合电刷镀法微纳米技术是 21 世纪出现的 3 大高新技术之一，整

43、体纳米化技术的应用估计还需2030 年时间。在现阶段，将纳米颗粒弥散分布在表面涂层内，使纳米材料与传统表面工程技术相融合，发挥纳米材料的优异效果，开发了具有技术。知识的纳米表面工程通过在普通电刷镀液中添加纳米陶瓷颗粒，并解决纳米颗粒在盐溶液中的团聚倾向和非导电的纳米陶瓷颗粒与金属实现共沉积等两大技术难题，实现了纳米颗粒与基体金属之间牢固的化学键结合，从而依靠纳米颗粒的特殊性能，大幅度提高了电刷镀层的力学、摩擦学等性能。针对汽车发的关键零，如曲轴、凸轮轴、连杆，利用纳米颗粒复合电刷镀技术的纳米颗粒复合电刷镀层提高了零件的耐高温、耐磨损和抗疲劳性能。该技术也成功完成了进口飞机发压气机叶片的再制造，

44、使叶片抗微动磨损性能显著提高，300h 台架试验验证满足要求，再制造费用仅是从国费用的 110，突破了维修技术瓶颈，获得了显著的效果29。术实施维修叶轮特征分析叶轮的疲劳失效分析疲劳通常指在循环载荷的反复作用下结构材料损伤、裂纹萌生扩展的过程30，疲劳破坏最严重的情况是在没有明显塑性变形时突然断裂，造成的危害和经济损失。在工程上常将疲劳破坏划分为三个阶段：初期生核或裂纹开始(萌生)阶段、裂纹阶段、失稳断裂破坏或由于达到某种极限而破坏的最后阶段31。叶轮疲劳断裂是近年来离心压缩机组向高端化方向发展的过程中遇到的主要失效形式，作为离心压缩运行往往是多种疲劳组合的叶轮，处于高温高压的复杂工作环境，其

45、疲劳破坏造成的。造成叶轮破坏的原因，可能是基本强度、材料缺陷、应力腐蚀及吸入异物等，一旦破坏，危害甚大。叶轮断裂一般是由于断裂源处表面脱碳、组织异常和存在大量铁素体。运行时叶轮常常受到离心力、压力以及其它非稳定形式激励的综合作用，发生剧烈振动，并产生相应的噪声，甚至会引起其。使得叶轮底盘内侧叶片附近表面脱碳和出现大量铁素体组织且使叶轮在该处硬度、强度及耐疲劳性能明显下降，难以承受压缩机工作状态对其产生的应力作用，首先在组织薄弱处形成断裂源并以疲劳方式开裂。压缩机流量的增大使得流道的宽度增大，而现代过程工业普遍要求压缩机具有宽的工况范围，为此在压缩机进口广泛的采用了可调导叶，使得流体的激振力增大

46、。这些共同作用使得近年来压缩机叶轮断裂的事故尤为突出。如图 3.1 所示即为某型号离心压缩机叶轮的断裂图。图 3.1 离心压缩机叶轮断裂图2.3.2 叶轮的疲劳分析压缩机叶轮叶片疲劳设计的前提和基础是已知设备运转时叶片的应力状态和变化规律(包括静应力和动应力)以及材料的疲劳极限。前者可以通过数值计算或实验获得，后者可以在材料手册中部分查到或完全由试验获得。下面列举一些常用的疲劳理论公式32。分析叶片结构的总疲劳(应力循环次数)3叶轮建模CAD 三维建模技术及 Pro/ECAD 三维建模技术简介简介CAD 即Computer Aided Design(计算机辅助设计)30，是依赖于计算机、硬件、

47、外部设备、开发环境等工具进行产品设计的综合技术，是传统设计方法与计算机技术的有机结合。以 CAD 技术产生于 20 世纪 50 年代后期，但在 CAD发展的初期，CAD的含义仅仅是图板的替代品，被称为计算机辅助出图。直到 80 年代，CAD 技术日趋成熟，己经成为计算机应用领域最有影响的方向之一，是人类从事生产活动的得力工具，并且得到了广泛应用，对提高制造业整体水平、促进产业进步发挥着极其重要的作用，现已成为衡量一个国家科技及工业水平的重要标志之一。建模技术是CAD 的技术现在主要利用CAD对结构进行建模分析并且辅助优化设计。从 50 年代至今建模技术经历了二维出图、三维几何建模(包括线框建模

48、、曲面造型和实体造型)、参数化和变量化特征建模及产品集成建模的发展过程。现已将计算机辅助制造技术(CAM)和产品数据管理技术(PDM)、计算机集成制造系统(CIMS) 及计算机辅助测试(CAT) 融于一体。常用的三维建模技术Inventor，Solid Edge，Solid Works，Pro/Engineer，CATIA，UG 等。有：Autodesk3.1.2 Pro/E简介Pro/Engineer 系统31是参数技术公司(Parametric Technology Corporation，简称PTC)推出的基于 CAD/CAE/CAM 的包。其最突出的特点在于它的参数化建模、基于特征、全

49、尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。参数化使得产品设计过程中的各个环节联系在一起，任何一个环节中发生零件尺寸的修改都可以自动环境中。Pro/Engineer 系统主要优点如下：到整个建模（1）真正的全相关性，任何地方的修改都会自动反映到所有相关地方；（2）正管理并发进程、实现并行工程的能力；具有强大的装配功能，能够始终保持设计者的设计意图；容易使用，可以极大地提高设计效率。Pro/Engineer 系统用户界面简洁，概念清晰，符合工程的设计与。整个系统建立在的数据库上，具有完整而的模型。Pro/Engineer 建立在工作站上，系立于硬件，便于移植。本文采用的Pro/Engineer Wi

50、ldfire 野火版 5.0 比其以前的版本提供了更高的灵活性，可帮助用户克服影响设计效率的。用户体验的改善（例如图形化浏览、直观的UI 增强功能、简化的任务和更快的性能）提高了设计效率并缩短了产品上市时间。为CAD 互操作性树立了标准。增强了自身对其他 CAD 系统和非几何的支持，而且支持原始的 Autodesk、Inventor 和Solid Works 数据，数据转换、导入、导出的效率也大大加快。3.2 叶轮三维建模根据离心压缩机叶轮的结构特点，对某型号的压缩机叶轮进行三维建模。主要有以下几个关键环节：启动Pro/E，选择新建零件，选择模板。分析叶轮结构特点，初步确定各主要特征的创建顺序

51、。创建与修改叶轮的基本特征。创建和修改其他特征。所有特征创建完成后，参数化所涉及的各个尺寸。对叶轮采建模的流程如下：图 3.2 建立叶轮模型的流程图经过以上步骤，新品叶轮、再制造叶轮实体模型如图 3.3、图 3.4 所示：图 3.4 新品叶轮模型图 3.5 再制造叶轮模型3.3 本章小结本章介绍了 CAD 三维建模技术和 Pro/Engineer的相关情况，并且按照叶轮的结构特点，对再制造叶轮、新品叶轮进行三维实体建模，得到实体模型图。4再制造叶轮的有限元分析有限元分析方法简介有限元分析方法有限（finite element method）的基本概念是用较简单代替复杂问题后再求解。它将求解域看

52、成是由若干个有限大小的单元体的集合，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导这个求解域的总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解，这个解不是准确解，而是近似解，因此实际问题被较简单所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析。随着矩阵理论、数值分析方法、特别是计算机科学与技术的发展，有限无论在理论研究还是在应用上都取得了巨大进步。有限应用的领域越来越广，从最初的结构力学到现在的热力学、流体力学、电路学、电磁学和声学等领域。从最初的简单静力分析发展到现在的动力学分析、强度刚度分析、非线性结构分析、多物理

53、场耦合分析等复杂问题的计算。而且随着计算机技术的发展，有限优化分析现已经是计算机辅助设计制造的重要组成部分。从选择未知量的角度来看，有限可分为三类，即位移法和混合法。以节点位移为基本未知量的求解方法称为位移法；以节点力为基本未知量的求解方法称为力法；一部分以节点位移，另一部分以节点力作为基本未知量的求解方法称为混合法。4.1.2 ANSYSANSYS简介是包含结构分析、流体力学、电场和磁场分析、热变形和模态等分析于一体的大型通用有限元。它不断吸收世界的计算方法和计算机技术，引导着有限元界的发展趋势。是由世界上最大的有限元公司之一的ANSYS公司开发，用有能与大多数的 CAD接口，实现数据的共享

54、和交换，如 Pro/Engineer，NASTRAN，IDEAS，AutoCAD 等，是现代产品设计中的高级 CAE 工具之一33。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型，包括实体建模和网格化分。分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化能力。后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（

55、可看到结构结果以图表、曲线形式显示或输出。）等图形方式显示出来，也可将计算在有限元的运用过程中，最为常用的就是结构分析，在结构分析中，首先分配单元属性，然后再建立模型，接着划分网络，而对于网络中最为基础的部分节点是进行有限元计算的基础单元。通过对于节点的位移和受力的分析，可以得到所需要求得的模型的位移受力分布，从而可以找出支座的受力情况。在结构分析中 ANSYS主要对于静力学的分析和动力学的分析，另外还有非线性的结构分析。其中静力分析比较简单，只用分析一下在物体模型受力不变的情况下的应力和位移情况。而对于动力学分析来说，顾名思义也就是物体模型受到随时间变化的力的作用的情况下的应力应变情况。其中

56、包括谐响应分析、模态分析、瞬态动力学分析等。而对于非线性的结构分析来说，主要是物体模型的材料具有非线性的材料、弹性和粘性等，或者物体模型受到大的力的作用从而产生大的变形，例如跌落试验，模拟、碰撞模拟等等。ANSYS 有限元分析的一般步骤28如图 4.1：YS 有骤4.2 再清制空数造据叶库并轮有限元模型建立查看分析结 4.2.1 ICEMCFD简开始一个新的ICEMCFD 是ICes 公生成网格的，可生分析创建或读入 施加载荷指定新的工 作 文 件 名分析处理并 评估结果定义单元实 常数选择分析模司型的并产设品置，分它是析选项介选择单元实 EM常数TechnologiANSYS 分析开始准备工

57、作查看分析结果：（后处理器加载求解(求限解元分器析的一：般步Solution)建立模型（前图处4理.1器AN：S成块结构化网格、非结构化网格(三角形、四面体、六面体)，适体坐标以及H 型自适应网格。一般ICEMCFD 的处理步骤是：几何图形的定义、模型的设定、网格的生成、网格编辑、转换为分析代码。ICEMCFD 与 CATIA、UG、Pro/E、IDEAS 等主流 CAD 软生成的几何造型文件直接读入，它有自己的 CAD 系件都有直接接口，可以将这些统-DDN，也可读入 IGES、SAT、STL 等格式的文件。它可以提取几何造型文件中的曲面、曲线和点，整理和增添几何造型。同一套网格可以输出到任

58、何求解器，如 STARCD、 Ansys/Flotran、Phoenics、Fluent、CFX、Numeca、CFD+等上百种求解器，对同样的网格用不同的求解器计算，比较各求解器的优缺点。ICEMCFD 生成的网格不仅可供CFD使用，还可以供CAE使用。ICEMCFD 划分网格的工作流程如图 4.2 所示图 4.2 ICEMCFD 的工作流程图4.2.2 叶轮的建模与网格划分本文研究的叶轮的直径为 300mm，出口直径为 415mm，高为 150mm，材料是FV520B，弹性模量为 210GPa，屈服强度为 1100MPa，泊松比为 0.3，密度为 7800kg/m3。惯性载荷选项中，设定工

59、作转速为 2026利用ICEMCFD生成的叶轮网格划分如图 4.2。图 4.2 叶轮网格划分再制造叶轮有限元分析再制造叶轮离心力分析离心力是一种惯性的表现，实际是不存在的。为使物体做圆周运动，物体需要受到一个指向圆心的力即向心力。若以此物体为原点建立坐标，看起来就好像有一股与向心力大小相同方向相反的力，使物体向远离圆周运动圆心的方向运动，即为离心力。叶轮高速旋转产生的离心力以分布体积力的形式作用于叶轮上，计算时将以集中力的形式施加在模型各个单元的质心上，力的方向向外，大小为图 4.3叶轮的等效应力图图 4.4 叶轮的等效应变图叶轮的有限元分析结果：在强度分析中，应力和变形是所关心的主要结果。A

60、NSYS中的云图能很好的展示模型的应力和位移分布以及各个区域的结果值，查看结果可以得到结果的数值解，从中获取特定的信息，如最大应力和位移值以及所在节点的和坐标值，这为优化提供了有的放矢的依据。通过计算分析，可以得到整个叶轮详细应力分布情况，可以得到最大应力的实际位置。对现有的有限元，可以以不同的形式对结果进行后处理工作。可分别以云图、等值线圈、等值面图、及列表等形式将结果显示出来。从云图和等值线图上可以直接查出最大应力所处的位置，而从列表中则到最大应力的具体坐标位置。利用ANSYS对叶轮只受离心力作用时的应力进行分析后，得到叶轮的等效应力分布图和等效应变分布图，可以看出叶轮在工作时的应力和应变