離心式壓縮機異型風筒法蘭車削簡圖的計算模型研究

白俊峰

（沈陽鼓風機集團股份有限公司透平工藝部， 遼寧 沈陽 110869）

引言

風筒法蘭是離心式壓縮機機殼中重要的部件，由于離心壓縮機壓力較高，所以多數(shù)風筒法蘭采用鍛件作為主要材料，部分外形復雜的風筒法蘭也有采用鑄造的方式進行生產(chǎn)。從加工制造方面來分，風筒法蘭可分為回轉(zhuǎn)式常規(guī)風筒法蘭，非回轉(zhuǎn)式異型風筒法蘭和鑄造風筒法蘭三種形式，其中非回轉(zhuǎn)式異型風筒法蘭加工工藝最為復雜。

對于非回轉(zhuǎn)式異型風筒法蘭，常規(guī)加工制造方法為先車削再銑削。鑒于銑削采用數(shù)控加工，相較于車削加工周期較長，因此為提高加工效率，縮短制造周期，通常要求車削時最大限度去除加工余量，以減小后序銑削的加工時間，故需要繪制精準的風筒法蘭的工藝車削簡圖，以作為車削加工的參照依據(jù)。實際生產(chǎn)過程中，由于車削簡圖繪制難度較大，繪制規(guī)則不一，經(jīng)常出現(xiàn)圖紙錯誤的情況，并且繪制時間較長，總體來說繪制效率較低。

本文以非回轉(zhuǎn)式異型風筒法蘭為研究對象，依據(jù)三角函數(shù)，總結(jié)不同類型非回轉(zhuǎn)式異型風筒法蘭的數(shù)學計算方法，最終歸納出非回轉(zhuǎn)式異型風筒法蘭中車削簡圖各尺寸的計算公式。

1 非回轉(zhuǎn)式異型風筒法蘭的類型

本文所研究的非回轉(zhuǎn)式異型風筒法蘭是指鍛件材料、等壁厚且形狀規(guī)則的非回轉(zhuǎn)式異型風筒法蘭。此種非回轉(zhuǎn)式異型風筒法蘭主要分為兩種形式，兩者主要不同之處在于風筒法蘭與機殼筒體結(jié)合處的形狀，第一種形式的風筒法蘭與機殼筒體結(jié)合處為平面，簡稱為I形異型風筒法蘭，如圖1所示；第二種形式的風筒法蘭與機殼筒體結(jié)合處為馬鞍面，簡稱為II形異型風筒法蘭，如圖2所示。

圖1 I形異型風筒法蘭簡圖

圖2 II形異型風筒法蘭簡圖

圖3 I形異型風筒法蘭工程示意圖

2 I形異型風筒法蘭車削簡圖的計算模型

I形異型風筒法蘭的工程示意圖標注方式如圖3所示。通過工程示意圖可知，此風筒法蘭底面內(nèi)孔及外圓均為回轉(zhuǎn)尺寸，但隨高度的增加，風筒頂部內(nèi)孔及外圓均為非回轉(zhuǎn)尺寸，即隨高度增加尺寸也隨之漸變。為實現(xiàn)最大車削加工去除量，且不造成局部缺欠的情況，需采用內(nèi)孔按小回轉(zhuǎn)尺寸計算，外圓按最大回轉(zhuǎn)尺寸的計算原則，因此，對于I形異型風筒法蘭，應將圖3-1和圖3-2按中心線重疊，即可出現(xiàn)車削簡圖的基本輪廓，如圖4-1所示。鑒于焊接坡口屬于漸變尺寸，無法回轉(zhuǎn)車削，故繪制簡圖時不予體現(xiàn)，因此，整合繪制后的風筒法蘭車削簡圖如圖4-2所示。

圖4 I形異型風筒法蘭車削簡圖示意圖

由于異型風筒法蘭車削簡圖必須為回轉(zhuǎn)體，不同尺寸風筒法蘭的車削簡圖圖形相似，故只需確定圖紙中 8 個標注數(shù)值（d1、d2、h1、h2、h3、l1、l2、l3）即可完成車削簡圖的繪制工作，標注位置及示意圖如圖5所示。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，對于I形異型風筒法蘭的車削簡圖除l2、l3以外，其余尺寸均很容易計算求得。

圖5 異型風筒法蘭車削簡圖

簡圖中l(wèi)3的數(shù)值可以通過相似三角形原理求得，如圖6所示，通過兩個陰影直角三角形內(nèi)α三角函數(shù)值相等原則列出等式，即可計算得出圖中X數(shù)值，因此可解出簡圖中l(wèi)3的數(shù)值。推導公式如下：

同時，根據(jù)圖3、圖4還可知：

因此，將公式（2）代入公式（1）中，得出：

故歸納l3的計算公式如下：

針對簡圖中l(wèi)2的數(shù)值也可通過相似三角形原理計算求出，如圖7所示，通過陰影直角三角形內(nèi)相似三角形理論，可推導公式如下：

圖6 l3數(shù)值計算附圖

再將公式（2）代入公式（5）中，得出：

故歸納l2的計算公式如下：

圖7 l2數(shù)值計算附圖

綜上可知，對于I形異型風筒法蘭車削簡圖中所標注的8個尺寸均對應明確計算模型，如表1所示。

表1 I形異型風筒法蘭車削簡圖尺寸數(shù)值表

3 II形風筒法蘭車削簡圖的計算模型

II形異型風筒法蘭的工程示意圖如下頁圖8所示。此種風筒法蘭底面內(nèi)孔及外圓均為回轉(zhuǎn)尺寸，隨高度的增加，風筒頂部內(nèi)孔及外圓均為非回轉(zhuǎn)尺寸，同樣需采用內(nèi)孔按小回轉(zhuǎn)尺寸計算，外圓按最大回轉(zhuǎn)尺寸的計算原則，將圖8-1和圖8-2按中心線重疊，即可得出車削簡圖的基本輪廓，如圖9-1所示，整合繪制后的風筒法蘭車削簡圖如圖9-2所示。

圖8 II形異型風筒法蘭工程示意圖

圖9 II形異型風筒法蘭車削簡圖示意圖

由于II形異型風筒法蘭的車削簡圖同樣必須為回轉(zhuǎn)體，故也只需填好圖紙中 8個標注（d1、d2、h1、h2、h3、l1、l2、l3）的數(shù)值即可完成繪制，車削簡圖樣式及標注方式如圖5所示。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，II形異型風筒法蘭的車削簡圖中難點為l1、l2、l3和h2的數(shù)值計算。

針對h2數(shù)值的計算，如圖10所示，計算公式如下：

同時根據(jù)勾股定理可知：

將公式（8）代入公式（9）中得出h2計算公式：

圖10 h2數(shù)值計算附圖

針對l1數(shù)值的計算，如圖11所示，根據(jù)相似三角形原理，計算公式如下：

變換后可得：

同時，由圖11可知：

將公式（13）代入公式（12）中，得到l1的計算公式：

圖11 l1數(shù)值計算附圖

針對l3數(shù)值的計算，根據(jù)I形異型風筒法蘭的計算結(jié)果可知，對于II形異型風筒法蘭的計算方式不發(fā)生變化，僅需將H2尺寸替換為h2，因此得l3的公式如下：

針對l2數(shù)值的計算，計算方式也不發(fā)生變化，僅需將H2尺寸替換為h2，可得l2的公式如下：

綜上可知，對于II形異型風筒法蘭車削簡圖中所標注的8個尺寸均對應明確計算模型，如下頁表2所示。

4 結(jié)論

1）通過研究異型風筒法蘭的加工工藝方法，總結(jié)了兩種非回轉(zhuǎn)式異型風筒法蘭結(jié)構(gòu)形式和車削簡圖的標注樣式，歸納了標注異型風筒法蘭車削簡圖的8個尺寸計算模型。

2）以幾何函數(shù)和已知的設計尺寸為理論計算基礎，得出了兩種非回轉(zhuǎn)式異型風筒車削簡圖關(guān)鍵尺寸數(shù)值的計算公式。

3）通過對兩種非回轉(zhuǎn)式異型風筒法蘭簡圖尺寸計算模型的歸納可知，異型風筒法蘭工藝車削簡圖可通過計算機編程自動繪制輸出。

表2 II形異型風筒法蘭車削簡圖尺寸數(shù)值表