分子泵葉輪裝配過盈量設(shè)計與應(yīng)力分析

2013-05-03 朱建平中國工程物理研究院機械制造工藝研究所

　　動葉輪作為分子泵的關(guān)鍵部件，與芯軸過盈裝配，要求在高速狀態(tài)下仍保持一定的過盈量。本文計算了動葉輪在高速轉(zhuǎn)動時的徑向變形、過盈裝配時的初始應(yīng)力狀態(tài)和轉(zhuǎn)動時應(yīng)力狀態(tài)，根據(jù)徑向變形量的差異和應(yīng)力優(yōu)化了裝配過盈量，既保證了動葉輪轉(zhuǎn)子強度又使過盈聯(lián)接可靠。

　　分子泵作為獲得潔凈真空環(huán)境的重要設(shè)備在現(xiàn)代工業(yè)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，高速、小型化是其發(fā)展方向之一，最高轉(zhuǎn)速達(dá)到90000 rpm^[¹^]。分子泵的動葉輪通常與芯軸過盈聯(lián)接，并要求在任何狀態(tài)下保持一定的過盈量。如果初始過盈量太小，在高速轉(zhuǎn)動時，動葉輪內(nèi)圈的徑向變形量大于轉(zhuǎn)子的徑向變形量，當(dāng)二者的差值大于初始過盈量時，兩者會發(fā)生相對滑動而發(fā)生破壞。但如果過盈量太大，裝配產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力會造成動葉輪開裂。因此，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認(rèn)為設(shè)計合理的裝配過盈量，對于保證結(jié)構(gòu)的可靠運行具有十分重要的意義。

1、動葉輪和芯軸徑向變形計算

　　分子泵葉輪結(jié)構(gòu)如圖1 所示，葉輪共有六級，傾角分別為40°(1 片)、30°(2 片)、20°(3 片)，它們通過過盈裝配的方式與芯軸聯(lián)接。動葉輪材料為鋁合金，彈性模量E=70 GPa，泊松比μ=0.33，密度ρ=2770 kg/m³。芯軸材料為不銹鋼，彈性模量E=193 GPa，泊松比μ=0.31，密度ρ=7750kg/m³。

分子泵葉輪裝配過盈量設(shè)計與應(yīng)力分析 - 分子泵葉輪結(jié)構(gòu)示意圖

圖1 分子泵葉輪結(jié)構(gòu)示意圖

　　計算單個零件在最大設(shè)計轉(zhuǎn)速30000 r/min下的變形情況^[²^]。20 度葉輪的徑向變形如圖2 所示，其內(nèi)圈的徑向伸長量約為8μm。30°葉輪和40°葉輪的徑向伸長量分別為6μm和5μm。芯軸的徑向變形如圖3 所示，其與20°葉輪聯(lián)接部分的徑向伸長量約為0.6μm，與30°葉輪和40°葉輪聯(lián)接部分的徑向伸長量約為2.3μm。可見，20°、30°和40°動葉輪與芯軸的徑向變形差分別為7.6μm、3.7μm、2.7μm。

分子泵葉輪裝配過盈量設(shè)計與應(yīng)力分析 - 20°葉輪的徑向變形

圖2 20°葉輪的徑向變形　圖3 芯軸的徑向變形

2、動葉輪和芯軸的裝配應(yīng)力計算

　　根據(jù)上述計算結(jié)果，20°、30°、40°葉輪的單邊過盈量分別取10μm、6μm、5μm。計算在該過盈量下葉輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的裝配應(yīng)力^[³^]，結(jié)果如圖4 所示。

分子泵葉輪裝配過盈量設(shè)計與應(yīng)力分析 - 動葉輪的裝配應(yīng)力

圖4 動葉輪的裝配應(yīng)力

　　20°葉輪的最大等效應(yīng)力約為62.8 MPa;30°葉輪的最大等效應(yīng)力約為33.6 MPa;40°葉輪的最大等效應(yīng)力約為25.7 MPa;轉(zhuǎn)子的最大等效應(yīng)力約為23.6 MPa。最大應(yīng)力均產(chǎn)生于動葉輪與芯軸的聯(lián)接處，而葉片上應(yīng)力很小。

3、離心力與裝配應(yīng)力合成效果分析

　　分子泵葉輪轉(zhuǎn)動時離心力會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力和變形。在最高轉(zhuǎn)速下，裝配預(yù)應(yīng)力和離心力的共同作用使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生如圖5 所示的等效應(yīng)力狀態(tài)。20°葉輪的最大等效應(yīng)力約為61.8 MPa;30°葉輪的最大等效應(yīng)力約為40.1 MPa;40°葉輪的最大等效應(yīng)力約為31.1 MPa;轉(zhuǎn)子與葉輪連接面上的最大等效應(yīng)力約為37.7 MPa。

分子泵葉輪裝配過盈量設(shè)計與應(yīng)力分析 - 裝配應(yīng)力和離心力共同作用的等效應(yīng)力

圖5 裝配應(yīng)力和離心力共同作用的等效應(yīng)力

　　葉輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的離心力一方面會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力，另一方面會使動葉輪產(chǎn)生大于芯軸的徑向變形而減小接觸應(yīng)力，二者的綜合作用使結(jié)構(gòu)在最高設(shè)計轉(zhuǎn)速內(nèi)各部件的等效應(yīng)力沒有隨著轉(zhuǎn)速增加而顯著增大。該結(jié)論可從圖6 等效應(yīng)力隨著轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系中得到印證。設(shè)計的裝配過盈量一方面保證了結(jié)構(gòu)的可靠連接，另一方面沒有使結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力顯著增加，是較為合理的。

分子泵葉輪裝配過盈量設(shè)計與應(yīng)力分析 - 等效應(yīng)力隨著轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系