石寬寬，藍 天

（海洋石油富島有限公司，海南東方 572600）

0 引言

在離心式壓縮機組檢修過程中，半聯(lián)軸節(jié)的拆裝一直是一個重要的環(huán)節(jié)。半聯(lián)軸節(jié)與軸之間通常采用過盈配合連接，依靠配合件裝配以后的過盈量達到緊固連接，裝配后由于材料的彈性變形，使配合面之間產(chǎn)生壓力，因此在工作時配合面間具有相當?shù)倪B接摩擦力來傳遞扭緊力矩或軸向力，同時配合面具有一定的錐度（圖1）。采用液壓裝配的方法，可以實現(xiàn)半聯(lián)軸節(jié)的多次拆裝。

圖1 離心式壓縮機聯(lián)軸節(jié)結構

檢修時為了安裝過盈配合的半聯(lián)軸節(jié)，離心式壓縮機組需要同時使用兩臺油泵，一臺低壓油泵、一臺高壓油泵（高壓油泵出口壓力需要大于200 MPa）。高壓油泵通過接頭與軸頭進油孔相連，其輸出的高壓油經(jīng)過軸頭上的流道進入半聯(lián)軸節(jié)與軸表面之間，在高壓油的壓力作用下，半聯(lián)軸節(jié)膨脹、內(nèi)徑變大，再通過安裝在軸頭螺紋上、與低壓油泵相連的推進器推上帶錐度的軸頸表面，實現(xiàn)半聯(lián)軸節(jié)的裝配（圖2）。在整個裝配過程中，低壓油泵和高壓油泵需要分多次升壓，每次升壓后均需保壓10 min左右，然后才能進行下一次的升壓，并且還需要使用百分表和深度尺共同測量半聯(lián)軸節(jié)的推進量。拆卸半聯(lián)軸節(jié)時，應保證推進器與半聯(lián)軸節(jié)之間的間隙大于半聯(lián)軸節(jié)的推進量，然后升高高壓油泵壓力、使膨脹壓略大于安裝時的壓力，半聯(lián)軸節(jié)即可從軸頸上拆下。

圖2 半聯(lián)軸節(jié)拆裝示意

1 現(xiàn)場檢修中關于半聯(lián)軸節(jié)安裝的問題

在設備檢修時，經(jīng)常有人認為半聯(lián)軸節(jié)回裝時的推進量不能小于上次回裝時的推進量，因為半聯(lián)軸節(jié)經(jīng)過長時間的工作后，內(nèi)孔很可能會變大，如果回裝不到原來的位置，半聯(lián)軸節(jié)在運行過程中可能抱緊力不夠（即配合面徑向壓力不夠），便會發(fā)生松動現(xiàn)象。但是半聯(lián)軸節(jié)回裝時很難剛好回裝到檢修前的位置，所以每次回裝都會較上次檢修時推進量更大，長此以往半聯(lián)軸節(jié)安裝、拆卸的高壓油泵壓力也就越來越高，拆裝的難度、操作的危險性也隨之增加。

2 半聯(lián)軸節(jié)安裝強度核算

2.1 配合面間所需的徑向壓力P

當半聯(lián)軸節(jié)傳遞軸向力F 時，應保證連接在此載荷作用下不產(chǎn)生軸向滑動，即當配合面徑向壓力為P 時，在外載荷F 作用下，配合面上所能產(chǎn)生的軸向摩擦阻力Ff應不小于外載荷F。

離心式壓縮機組半聯(lián)軸節(jié)與軸配合面具有一定錐度，裝配后半聯(lián)軸節(jié)通過軸頭鎖母固定在軸上，為避免鎖母在離心式壓縮機運行過程中出現(xiàn)松動，鎖母上加工有頂絲，起到放松作用，使半聯(lián)軸節(jié)和軸在工作時不會發(fā)生相對位移。此外，為平衡設備運行過程中產(chǎn)生的軸向力，用于驅(qū)動離心式壓縮機的汽輪機常采用平衡孔、平衡盤、止推瓦平衡軸向力，離心式壓縮機則采用對稱布置葉輪、平衡盤、止推軸承平衡軸向力，通過一系列措施，轉子運行產(chǎn)生的軸向力基本上被平衡掉了，因轉子位移、聯(lián)軸節(jié)預拉伸產(chǎn)生的軸向力通過轉子上的聯(lián)軸節(jié)膜片變形也會被抵消，基本上不會影響半聯(lián)軸節(jié)。因此，半聯(lián)軸節(jié)與軸配合面承受的軸向力載荷很小，可以忽略不計，即

其中，F(xiàn)f為配合面軸向摩擦阻力；d 為配合面公稱直徑（計算時忽略實際配合面錐度的影響，按照圓柱表面計算）；l 為配合面軸向長度；P 為配合面徑向壓力；f 為配合面摩擦系數(shù)，對于鋼—鑄鋼來說，液壓裝配時f=0.125。

半聯(lián)軸節(jié)在工作時只要傳遞的是扭矩T，離心式壓縮機通過聯(lián)軸節(jié)與驅(qū)動設備相連，驅(qū)動設備轉動對離心式壓縮機產(chǎn)生扭矩，使離心式壓縮機轉子旋轉，負荷越大扭矩也就越大。因此，為保證離心式壓縮機工作的安全性和可靠性，要求在扭矩作用下半聯(lián)軸節(jié)相對于軸頸表面決不能產(chǎn)生周向滑移。即當徑向壓力為P、扭矩為T 的工況下，配合面間所產(chǎn)生的摩擦阻力矩Mf不得小于扭矩T。

工作時需要保證Mf≥T，則P≥

2.2 半聯(lián)軸節(jié)的最小有效過盈量δmin

為保證半聯(lián)軸節(jié)與軸頸有足夠的配合強度，就需要半聯(lián)軸節(jié)產(chǎn)生一定的彈性變形，通過彈性變形產(chǎn)生的壓力與軸頸抱死，即半聯(lián)軸節(jié)孔的內(nèi)徑要小于軸頸尺寸，產(chǎn)生過盈配合。根據(jù)材料力學有關厚壁圓筒的計算理論，在徑向壓力為P 時，過盈連接傳遞載荷所需的最小過盈量δmin應為：

2.3 過盈配合的強度計算

半聯(lián)軸節(jié)過盈配合的強度計算包括兩個方面，一是連接的強度，二是連接零件本身的強度。聯(lián)軸節(jié)在設計使選用的過盈量往往大于設計的最小過盈量，即使按照最小過盈量選擇的過盈配合已能產(chǎn)生所需的徑向壓力，即能保證連接的強度。因為軸中心為膨脹油的流通通道，內(nèi)表面直徑非常小、相當于無內(nèi)表面，所以這里不涉及被包容件內(nèi)表層的計算。下面只須討論連接零件本身的強度問題。

過盈連接零件本身的強度可按照材料力學中壁厚圓筒強度計算方法進行校核。半聯(lián)軸節(jié)和軸都為塑性材料，失效形式為發(fā)生塑性變形，所以按第三強度理論（σ1-σ3≤σs）檢驗其承受最大應力的表層是否在彈性變形范圍之內(nèi)，則不出現(xiàn)塑性變形。

半聯(lián)軸節(jié)包裹在軸頸上，為包容件，對包容件內(nèi)表層使用Mises 屈服失效判據(jù)得：

其中，σs1、σs2分別為被包容件和包容件材料的屈服極限；K為半聯(lián)軸節(jié)外、內(nèi)表面直徑的比值，K=

2.4 包容件外徑膨脹量

當半聯(lián)軸節(jié)內(nèi)表面因過盈配合變大，相應的變形也會傳遞到半聯(lián)軸節(jié)的外表面，半聯(lián)軸內(nèi)表面過盈量的大小決定了半聯(lián)軸節(jié)外表面的變形量，而包容件外徑膨脹量的計算實際就是計算材料在拉應力作用下產(chǎn)生的應變。包容件外徑膨脹量Δd2=mm。

3 半聯(lián)軸節(jié)的安裝核算及強度校核

3.1 安裝校核

以三菱MCH454 型離心式壓縮機對半聯(lián)軸節(jié)安裝進行核算。

由三菱公司提供的資料可知，MCH454 型離心式壓縮機的功率W 為6666 kW，工作轉速n 為9990 r/min；半聯(lián)軸節(jié)長度l為80 mm，內(nèi)表面直徑d 為90 mm、外表面直徑d2為135 mm。根據(jù)離心式壓縮機組功率W=，可計算得出扭矩T：

將扭矩T=6.37×104N·m 代入P≥可得半聯(lián)軸節(jié)配合面徑向壓力P≥50 MPa，即配合面最小徑向壓力為50 MPa。

將P=50 MPa 代入包容件外徑膨脹量公式，得到半聯(lián)軸節(jié)外表面最小膨脹量Δdmin=0.054 mm。

MCH454 型離心式壓縮機在設備檢修時測得半聯(lián)軸節(jié)回裝時的膨脹量為0.12 mm；查材料力學資料，碳鋼的彈性模量約為200 GPa，則可求得回裝后的配合面徑向壓力P0=111 MPa。此時P0>P 且安全系數(shù)S==2.22，因此完全可以滿足連接的可靠性使用要求。

檢修時，半聯(lián)軸節(jié)拆裝膨脹油壓設計值為147.3～155.7 MPa，約為1.35P0，在此膨脹壓下也可保證回裝后的半聯(lián)軸節(jié)完全可以滿足使用要求。

3.2 過盈配合強度校核

校核半聯(lián)軸節(jié)外徑最大膨脹量，需要知道半聯(lián)軸節(jié)材料的屈服強度σs2。通過設備資料查得半聯(lián)軸節(jié)材料為SNCM439，其屈服強度為835 MPa。將σs=835 MPa 代入Mises 屈服失效判據(jù)式（3），可得Pmax≤267.82 MPa。

配合面所能承受的徑向壓力最大值Pmax=267.82 MPa，遠大于現(xiàn)場安裝時的配合面徑向壓力和半聯(lián)軸節(jié)拆裝時的膨脹油壓。也就是說，在半聯(lián)軸節(jié)拆裝過程中，只要油泵壓力不超過267.82 MPa，半聯(lián)軸節(jié)就不會發(fā)生塑性變形，也就不會被損壞。

半聯(lián)軸安裝時的推進量是根據(jù)半聯(lián)軸在設計中選擇的配合過盈量計算得到的，通常情況下半聯(lián)軸與軸頸的過盈量為軸頸尺寸的0.002 5 倍。以MCH454 型離心式壓縮機為例，軸頸尺寸為90 mm，則配合過盈量為90×0.002 5=0.225 mm，如果半聯(lián)軸節(jié)與軸頸配合面的錐度為1:20，那么半聯(lián)軸節(jié)在安裝時所需的推進量為20×0.225=4.5 mm。也就是說，半聯(lián)軸節(jié)的推進量是根據(jù)其配合所需的過盈量計算出來的。

通過上述分析可以看出，半聯(lián)軸節(jié)在設計時完全考慮到連接所需的安全裕度，既能保證在此裝配數(shù)據(jù)下半聯(lián)軸完全滿足使用要求、不發(fā)生松動，又能保證及時超過安裝壓力一定值，也不會造成半聯(lián)軸節(jié)的損壞。但根據(jù)現(xiàn)場檢修實踐，當半聯(lián)軸節(jié)壓力升高后，對拆裝過程中高壓油泵的要求就會越高，壓力越高則高壓油泵中的密封件（特別是橡膠O 形圈）越容易損壞，半聯(lián)軸節(jié)拆卸的難度也就越大。

4 總結

通過上述核算過程可以發(fā)現(xiàn)，半聯(lián)軸節(jié)的抱緊力，即半聯(lián)軸節(jié)與軸的配合面徑向壓力，與推進量并無關系。推進量的大小是由配合面的錐度和徑向壓力共同決定的，是為了更好地控制半聯(lián)軸節(jié)安裝時的膨脹量而給出的一個安裝參考數(shù)據(jù)，現(xiàn)場安裝中不應將其作為控制檢修質(zhì)量的決定性數(shù)據(jù)。真正能測量的、決定半聯(lián)軸節(jié)安裝質(zhì)量的參數(shù)是半聯(lián)軸節(jié)的膨脹量，由膨脹量可以計算出半聯(lián)軸節(jié)與軸之間配合面的徑向壓力，再根據(jù)機組的功率、轉速數(shù)據(jù)就可以判斷出半聯(lián)軸節(jié)的安裝質(zhì)量是否合格。在半聯(lián)軸節(jié)的設計、選材時也充分考慮到安全性，選用的材料為高強度合金鋼，在工作狀態(tài)下半聯(lián)軸節(jié)處在彈性變形范圍內(nèi)，且與達到塑性變形還有很大的安全裕度，不會發(fā)生塑性變形，而在彈性范圍內(nèi)金屬的應力釋放后都會恢復到原有的尺寸。從多次的半聯(lián)軸節(jié)拆裝記錄來看，半聯(lián)軸節(jié)拆后的尺寸與回裝前相比未發(fā)生過變化。這也充分說明，采用液壓裝配的離心式壓縮機半聯(lián)軸節(jié)，只要根據(jù)設計安裝數(shù)據(jù)進行安裝不會發(fā)生塑性變形的情況。

在很多離心式壓縮機組中，半聯(lián)軸節(jié)的安裝位置已經(jīng)超過設計值，而且在原有思想的指導下，很多機組半聯(lián)軸節(jié)安裝時的推進量還在繼續(xù)增大。在這種情況下回裝半聯(lián)軸節(jié)時，不能只比較推進量而忽視其他數(shù)據(jù)，應先按照檢修方案中的設計數(shù)據(jù)進行回裝，使推進量處于設計范圍之內(nèi)，然后再測量膨脹量。如果膨脹量符合或大于設計要求，則半聯(lián)軸節(jié)已經(jīng)安裝到位，不需要再增大推進量，否則可以再適當?shù)卦龃笸七M量、使膨脹量符合設計要求。