往復(fù)活塞式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)及力學(xué)分析

1、1 往復(fù)活塞式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)及力學(xué)分析1.1 往復(fù)活塞式壓縮機(jī)活塞桿與十字頭組件1.1.1 活塞桿與十字頭組件的組成1.1.2 活塞桿與壓縮機(jī)裝配后的垂直跳動量限制與分析1.1.3 活塞桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.1.4 活塞桿與十字頭連接方式1.1.5 十字頭體、滑履、十字頭銷1.2 活塞組件1.2.1 活塞結(jié)構(gòu)1.2.2 柱塞結(jié)構(gòu)1.2.3 轂部設(shè)計(jì)及與活塞桿的連接方式1.2.4 活塞的材料及其質(zhì)量支承面1.2.5 雙作用活塞主要尺寸確定和強(qiáng)度計(jì)算1.2.6 活塞組件失效與修理1.3 往復(fù)活塞式壓縮機(jī)活塞桿所受綜合活塞力的計(jì)算1.3.1 往復(fù)壓縮機(jī)的氣體力1.3.2 往復(fù)壓縮機(jī)的慣性力1.3.3 相對運(yùn)動表

2、面間的摩擦力1.3.4 活塞桿所受綜合活塞力1.4 往復(fù)活塞式壓縮機(jī)活塞桿強(qiáng)度校核1 往復(fù)活塞式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)及力學(xué)分析1.1 往復(fù)活塞式壓縮機(jī)活塞桿與十字頭組件1.1.1 活塞桿與十字頭組件的組成該組件包括活塞桿、十字頭及十字頭銷三個(gè)主要零件，此外還有相應(yīng)的一些聯(lián)結(jié)零件。它們處于氣缸與機(jī)身之間，其一端連接活塞，另一端連接連桿，而十字頭滑履又支承在機(jī)身滑道上，故處于極為重要的部位。在壓縮機(jī)的運(yùn)行中，該處極易發(fā)生事故，并造成重大的破壞，例如連桿小頭襯套燒損、活塞桿斷裂等。此外，活塞環(huán)、填料非正常失效，往往是活塞桿傾斜引起的。并且，十字頭滑履與滑道之間的間隙還是檢驗(yàn)其機(jī)身與曲軸、連桿等運(yùn)動部件總體精度

3、的重要指標(biāo)，新壓縮機(jī)的十字頭滑履與滑道的間隙應(yīng)控制在，其中D為十字頭直徑。1.1.2 活塞桿與壓縮機(jī)裝配后的垂直跳動量限制與分析活塞桿在壓縮機(jī)運(yùn)行過程中能否平直運(yùn)動十分重要。API618中，對活塞桿的徑向跳動的公差作了規(guī)定，即水平徑向跳動量為，其垂直徑向跳動為在活塞桿熱態(tài)預(yù)期徑向跳動的基礎(chǔ)上每1mm行程不大于（S為活塞行程）。另有資料指出：活塞桿水平跳動時(shí)，如安裝合適則一般無需調(diào)整，其跳動量一般不會超過0.08mm。冷態(tài)垂直跳動許用值見表2-1.表2-1活塞桿冷態(tài)垂直跳動量許用值Table.2-1 The piston rod cold vertical jump allowable valu

4、e氣缸直徑/mm冷態(tài)跳動量/mm1202000.0000.0502402900.0120.0633303800.0380.0884455200.0630.1395856750.1000.165活塞桿傾斜或下沉原因：a) 氣缸與活塞之間的間隙及十字頭與滑道間隙冷態(tài)時(shí)不等，故使裝配后活塞桿呈傾斜狀態(tài)，如圖2-1所示。一些壓縮機(jī)制造者稱：新壓縮機(jī)空負(fù)荷運(yùn)行45min后停機(jī)測量，活塞桿在一個(gè)行程內(nèi)的跳動量為零。壓縮機(jī)長期運(yùn)行后，活塞與氣缸的通常均大于十字頭與滑道的磨損。在有油潤滑時(shí)后者潤滑豐富，前者則相對較差；在氣缸無油潤滑時(shí)，具有自潤滑性能熱塑性材料承壓面的磨損，更要大于十字頭與滑道的磨損，故活塞桿

5、會形成傾斜。工業(yè)上重要的壓縮機(jī)，在填料壓蓋處應(yīng)設(shè)位移傳感器，在超出一定值時(shí)便要報(bào)警，然后調(diào)整活塞桿或更換支撐環(huán)。圖2-1 由十字頭與十字頭滑道及氣缸與活塞間隙形成的傾斜b) 活塞桿自身質(zhì)量形成的撓度，如圖2-2所示。在大型壓縮機(jī)中，尤其是具有兩個(gè)隔腔的無油潤滑壓縮機(jī)，沉降量應(yīng)進(jìn)行認(rèn)真計(jì)算與測量。撓度可按均布質(zhì)量載荷q簡支梁計(jì)算，下沉撓度曲線方程為最大撓度，活塞外端面轉(zhuǎn)角，其中式中：為活塞桿徑；為十字頭端面至活塞軸側(cè)端面的距離；為材料密度；為材料彈性模量；為活塞桿截面二次矩，。圖2-2活塞桿自身質(zhì)量形成的撓度1.1.3 活塞桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)活塞桿本身就是一直桿，按其與活塞及十字頭的連接方式，結(jié)構(gòu)可分為

6、兩類：活塞桿兩端具有螺紋，通過螺母與活塞及十字頭緊固；活塞桿兩端均為凸緣，通過壓板和螺釘與活塞或十字頭相緊固?；钊麠U的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響到活塞桿的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，最大承受拉力，活塞桿剛度等。在活塞桿斷裂事故中有一部分事故的主要原因就是因?yàn)椴缓侠淼幕钊麠U結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所導(dǎo)致的。設(shè)計(jì)與制造精良、安裝與運(yùn)行操作正確時(shí)，兩種結(jié)構(gòu)都是安全可靠的。有些設(shè)計(jì)中把凸緣改為法蘭，或一端為螺紋另一端為凸緣，設(shè)計(jì)者可統(tǒng)籌考慮。當(dāng)氣缸為無油潤滑時(shí)，填料為自潤滑材料。為防止該處因摩擦而產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致溫度達(dá)自潤滑材料玻璃化（軟化）溫度，并導(dǎo)致密封原件產(chǎn)生“冷流”，活塞桿與填料接觸長度范圍內(nèi)應(yīng)進(jìn)行冷卻。冷卻液為曲軸箱中潤滑油，由

7、潤滑系統(tǒng)供油經(jīng)十字頭體再由接管或鉆孔導(dǎo)入活塞桿內(nèi)。活塞桿內(nèi)鉆孔中插有一根油導(dǎo)向管，令油先沿桿內(nèi)壁流動導(dǎo)走活塞桿上的熱量，再由導(dǎo)向管內(nèi)流出活塞桿并回到曲軸箱。自潤滑填料的隔距環(huán)也應(yīng)進(jìn)行冷卻，冷卻介質(zhì)一般為水。當(dāng)高壓級活塞桿直徑小于3d時(shí)（d為活塞桿直徑），還可將活塞與活塞桿制成一體。活塞桿的材料、性能、熱處理方法及填料接觸的表面硬度，見表2-2。表2-2活塞桿常用材料性能和處理方法Table.1-1 The piston rods material properties and the processing method材料抗疲勞強(qiáng)度-1/MPa屈服強(qiáng)度s/MPa熱處理方法同填料接觸部分表面硬度

8、應(yīng)用場合35鋼180320表面淬火3845HRC壓縮空氣或無腐蝕性氣體45鋼210360表面淬火4856HRC壓縮空氣或無腐蝕性氣體40Cr340700表面淬火4752HRC壓縮空氣或無腐蝕性氣體，有較高的強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度38CrMoAlA430850氮化8001000HV有較高的硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度和較高的耐腐蝕性能3Cr13270650表面淬火2329HRC壓縮腐蝕性氣體活塞桿長度由機(jī)器總體設(shè)計(jì)時(shí)，按照級的配置、有無中體分隔室、活塞連接方式等確定?；钊麠U直徑主要按壓折確定?？砂醋畲髿怏w力與行程初選活塞桿直徑，并按密封填料的內(nèi)孔尺寸標(biāo)準(zhǔn)圓整。對于非貫穿活塞桿，按不同的壓折校核安全系數(shù)。當(dāng)柔度

9、100時(shí)，許用值。式中i為慣性半徑， ;I 為桿的截面二次矩，cm4；A為截面積，cm2；ns為安全系數(shù)，應(yīng)按歐拉公式驗(yàn)算，即活塞桿與填料接觸的部位應(yīng)有很高的耐磨性，故需進(jìn)行表面處理。值得指出的是，采用表面等離子噴涂陶瓷（TiO2-Al2O3等）方法，能大大改善表面性能，其硬度可，不僅耐磨與抗氧化，還耐酸、堿介質(zhì)腐蝕，其涂層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，涂層可達(dá)0.60mm。此種涂層還可以用于磨損活塞桿的修復(fù)。用于氣缸有油潤滑的壓縮機(jī)特別適合。1.1.4 活塞桿與十字頭連接方式對連接的要求：制造、裝拆方便；通過活塞桿調(diào)節(jié)活塞與氣缸間隙方便。（1） 傳統(tǒng)的連接方式表2-3傳統(tǒng)的活塞桿與十字頭連接特點(diǎn)Table.2

10、-3 Traditional piston rod and cross connection characteristics方案特點(diǎn)余隙調(diào)節(jié)方法應(yīng)用范圍1活塞桿螺紋與十字頭體直接連接，由活塞桿上自設(shè)法蘭鎖緊法蘭與十字頭體間加墊片小型壓縮機(jī)；調(diào)節(jié)余隙時(shí)需轉(zhuǎn)動2活塞桿螺紋與十字頭體直接連接，由螺母鎖緊旋轉(zhuǎn)活塞桿，移動活塞中、小型壓縮機(jī)；活塞在調(diào)整余隙時(shí)需轉(zhuǎn)動3螺紋桿螺紋通過法蘭盤由四顆螺柱與十字頭體聯(lián)接調(diào)整活塞桿頂部墊片厚度中、大型壓縮機(jī)；四顆螺柱使十字頭體結(jié)合部成方形，重量尺寸增加4活塞桿上設(shè)凸緣，通過分成兩半的圓盤，再由法蘭盤箍住兩半圓盤并由四顆螺柱緊固在十字頭體上調(diào)整活塞桿頂部墊片厚度中、大

11、型壓縮機(jī)；四顆螺柱使十字頭體結(jié)合部成方形，重量尺寸增加5活塞桿上設(shè)有螺紋，由兩個(gè)螺母將其夾持在十字頭體上，螺母外均有小齒供最后定位，帶小桿的螺釘用于防止活塞桿轉(zhuǎn)動同時(shí)轉(zhuǎn)動兩螺母便可使活塞桿前后移動；十字頭體內(nèi)的螺母由其上兩邊開的小長孔中插入兩小棒來轉(zhuǎn)動，最后緊固活塞桿由外邊的螺母擰緊中型壓縮機(jī)6活塞桿上設(shè)螺紋，并由一帶法蘭邊的螺母，十字頭體也有一帶相同法蘭邊的孔，活塞桿插入后用一部分的卡箍卡住，最后將螺母反向擰緊，螺母上設(shè)小齒供防松用，活塞桿與十字頭體用健定位調(diào)整活塞桿頂部墊片厚度大型壓縮機(jī)1.1.5 十字頭體、滑履、十字頭銷十字頭體一般分為四種形式：鑄鐵整體十字頭；整體鑄鋼滑履鑄有巴氏合金；

12、分體與滑履圓弧結(jié)合面；分體與滑履平面結(jié)合。中、大型壓縮機(jī)十字頭體都用鑄鋼，中型壓縮機(jī)偶爾也用球墨鑄鐵。大型壓縮機(jī)的滑履均為一個(gè)單獨(dú)的零件，其承壓面鑄有巴氏合金且表面開有兩頭不貫通的縱、橫油槽?；呐c十字頭的結(jié)合面過去采用平面，因加工麻煩而淘汰?，F(xiàn)在均采用圓弧面，由螺栓緊固，其間可襯以鋁或銅墊片，以調(diào)整滑道與十字頭的間隙，或調(diào)整活塞桿中心與十字頭的高度。20世紀(jì)中葉大型壓縮機(jī)十字頭銷都采用錐面與十字頭體配合，兩端采用壓板壓緊。實(shí)踐證明，這種配合在交變的往復(fù)載荷力作用下，沿錐面的分力會對壓板螺釘產(chǎn)生不斷的沖擊，致使其疲勞斷裂。最終，十字頭銷將在這種分力作用下?lián)羝苽?cè)窗蓋板，從而彈出機(jī)身，造成壓縮機(jī)事

13、故，甚至威脅到人身安全，因此該配合方式已逐漸被淘汰了。當(dāng)今壓縮機(jī)十字頭銷均為直銷，中空作為潤滑油通道。其在銷座中的配合為間隙配合，機(jī)器運(yùn)行后因銷的溫度高于十字頭體而脹合在銷座中。兩座孔中的軸向定位可用壓板或擋圈。另一種設(shè)計(jì)思路為在十字頭體上的銷座孔中設(shè)有銅套，允許十字頭銷在其中產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)動，這樣的結(jié)構(gòu)可防止當(dāng)連桿小頭襯套與十字頭銷產(chǎn)生咬合時(shí)，可由此來補(bǔ)償，有效的預(yù)防事故的發(fā)生。1.2 活塞組件活塞組件主要包括活塞、支撐或?qū)颦h(huán)或托瓦，以及與活塞桿連接結(jié)構(gòu)等。1.2.1 活塞結(jié)構(gòu)活塞是與氣缸相配合的零件，因此也分為雙作用式、極差式、單作用式（柱狀活塞與柱塞）。每一種活塞由于取材、工藝等因素又有

14、了諸多的結(jié)構(gòu)。（1） 雙作用式活塞雙作用活塞隨著制造與應(yīng)用的發(fā)展，形成了整體結(jié)構(gòu)及組合結(jié)構(gòu)兩種。整體結(jié)構(gòu)活塞為一種最原始的鑄造結(jié)構(gòu)。其兩端面間有筋條支撐，中心有轂部。為燒鑄時(shí)放置泥芯，其中一個(gè)端面設(shè)有泥芯頭孔（同時(shí)也是清理泥芯沙孔）。泥芯孔在活塞按尺寸加工好后再加工管牙螺紋，最后用絲堵擰入密封，且絲堵尾部被車削成與活塞端面同一平面。其中一個(gè)絲堵上設(shè)有供活塞水壓試驗(yàn)的螺孔（水壓試驗(yàn)完成后將其堵塞）。此外當(dāng)活塞尺寸大時(shí)，絲堵上設(shè)有供吊裝活塞用螺孔。活塞端面間筋條不宜與活塞外緣及轂部完全相連，以免筋條被鑄造收縮或鑄造應(yīng)力拉斷，同時(shí)也為避免活塞外緣加工好后因鑄造內(nèi)應(yīng)力消除不徹底而運(yùn)行后變形失去圓整性。

15、該種整體結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是，鑄造工藝復(fù)雜，落泥芯不慎會造成偏心而導(dǎo)致鑄件報(bào)廢；泥芯孔堵頭會因運(yùn)行中的熱脹冷縮而脫落，若運(yùn)行中掉入氣缸將導(dǎo)致氣缸及活塞損壞；大直徑鑄鐵活塞質(zhì)量過大，采用鑄鋁可減輕約1/2質(zhì)量，但鋁的價(jià)格比鑄鐵高。鋼板焊接活塞，它由四部分焊接而成，即圓環(huán)形活塞體、兩圓環(huán)形端板、若干筋條、轂部，此外還有鑄上的軟金屬托瓦。焊接活塞的主要優(yōu)點(diǎn)是減輕活塞的質(zhì)量，僅為鑄鐵活塞的60%70%；缺點(diǎn)是焊接工藝要求很高，由于焊接的殘余應(yīng)力使活塞在運(yùn)行中被活塞桿捅破的情況，國內(nèi)、外時(shí)有發(fā)生。除此之外還有沒有轂部的活塞，是鑄鐵鑄造結(jié)構(gòu)，設(shè)有端面間筋條以增加兩面強(qiáng)度，但因無轂部故不需要落泥芯頭的專門開孔。一般

16、為直徑較小的中壓級活塞。適用于中、高壓級的活塞一般為鍛鋼或鑄鋼，中心圓孔是切割而成。組合活塞已成為現(xiàn)代往復(fù)式壓縮機(jī)中一種傾向性結(jié)構(gòu)。它通常由兩塊活塞端面與中間圓環(huán)組成。兩端面可由鑄鋁或鑄鐵制成；中間圓環(huán)為鑄鐵或鋼及不銹鋼，因?yàn)槠渖显O(shè)有活塞環(huán)，要求環(huán)槽、環(huán)岸有較高的強(qiáng)度和耐磨性。（2） 級差式活塞現(xiàn)代壓縮機(jī)中極差式結(jié)構(gòu)的活塞與氣缸絕大多數(shù)僅兩級組合在一起，分為倒級差結(jié)構(gòu)與正級差結(jié)構(gòu)：倒級差，即低壓活塞置于蓋端，高壓活塞置于軸端，并且大多為相鄰級的組合；正級差，即低壓活塞在軸端，高壓活塞在蓋端，可為相鄰級組合也可不相鄰及組合。倒級差活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，傳遞活塞力的部分設(shè)在活塞中部，其橫壁的轂部為活塞桿

17、頭部法蘭與螺母所夾持。這樣，當(dāng)溫度改變時(shí)，各部分可自由脹縮?；钊敳坑幸惠^大圓孔，允許活塞桿從此孔插入，此孔最后由蓋板密封。級差活塞直徑最大的一級稱為基本部分?；静糠忠话愣家惺芑钊闹亓?，故其上有承壓面。兩高壓相鄰級組合的活塞，軸端高壓級活塞可用填料密封，也可用活塞環(huán)密封，并再設(shè)一平衡腔用填料密封。前者氣缸活塞結(jié)構(gòu)簡單，但需高壓填料；后者氣缸活塞結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但低壓填料密封即可。正級差活塞高、低壓級組合及自動調(diào)心結(jié)構(gòu)，當(dāng)級差活塞頭部為高壓級時(shí)，為了避免幾級串在一起同心度和垂直度不易保證，以及經(jīng)過長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)后，基本部分因磨損而下沉，整個(gè)級差活塞的重量可能會由高壓級的小活塞，由此使高壓級氣缸及活塞

18、急劇磨損。在考慮活塞與氣缸間的間隙時(shí)，高壓級小活塞與氣缸之間的間隙，應(yīng)大于基本部分與氣缸間的間隙值，或者采用自動調(diào)心結(jié)構(gòu)。自動調(diào)心結(jié)構(gòu)既應(yīng)滿足兩氣缸軸線不同心，又應(yīng)滿足有偏轉(zhuǎn)角度。此外，還有高壓級活塞相對低壓級活塞無任何連接的全浮動結(jié)構(gòu)，是依靠氣體壓力壓緊在低壓級活塞上，活塞與氣缸的對中問題可自動解決。在穩(wěn)定工況下，兩活塞不會發(fā)生分離，也不會發(fā)生碰撞現(xiàn)象；在啟動過程中，壓力尚未建立時(shí)，全浮動的活塞由于慣性力和摩擦力等的共同作用，將與低壓級活塞發(fā)生分離，與氣缸蓋和低壓級活塞發(fā)生碰撞，產(chǎn)生較大的撞擊應(yīng)力，并有可能使材料破壞。因此，采用這種結(jié)構(gòu)需要精心設(shè)計(jì)。在微型高壓壓縮機(jī)中的高壓級，當(dāng)活塞直徑小于

19、20mm時(shí)，既無法用活塞環(huán)，又不允許放大間隙，因此可考慮用全浮動結(jié)構(gòu)的柱塞。1.2.2 柱塞結(jié)構(gòu)在高壓級和超高壓級中，難以避免活塞環(huán)的嚴(yán)重磨損。特別是當(dāng)活塞直徑20mm，采用活塞環(huán)密封在制造商也很困難，故采用不帶活塞環(huán)的柱塞結(jié)構(gòu)。柱塞的密封方式有兩種：（1） 靠柱塞和氣缸之間的微小間隙（在冷狀態(tài)下，相當(dāng)于兩級精度間隙配合），并充分注入潤滑油進(jìn)行密封。另外，柱塞上也可設(shè)若干環(huán)形槽，使得潤滑油均布，并起到阻塞液體的作用，主要用于直徑小的柱塞。（2） 氣體的密封靠填料函來實(shí)現(xiàn)，填料函布置在氣缸座上。當(dāng)壓力大于35MPa時(shí)，需注入大量壓力油，實(shí)際上填料密封的是油而不是氣體，用壓力油來達(dá)到密封的目的。柱塞工作表面需精磨，圓柱度要求很嚴(yán)，其偏差應(yīng)小于柱塞與氣缸之間的間隙。柱塞的連接應(yīng)有自動補(bǔ)償?shù)墓δ?，確保其與氣缸的對中要求。1.2.3 轂部設(shè)計(jì)及與活塞桿的連接方式活塞轂部是用于連接活塞桿的部位。活塞與活塞桿連接通常采用以下方式：（1） 依靠活塞桿上的圓形平臺凸肩及螺母緊固活塞，這是應(yīng)用最普遍的結(jié)構(gòu)型式。為了防止