進口雙螺桿氨制冷壓縮機主機的國產(chǎn)化改造

1、進口雙螺桿氨制冷壓縮機主機的國產(chǎn)化改造1、背景介紹某廠配置了三套煙臺冰輪生產(chǎn)的氨制冷雙螺桿壓縮機系統(tǒng)，其主機為日本n400sd-mb型產(chǎn)品。三臺壓縮機于2009年9月正式啟用，運行狀態(tài)一直比較穩(wěn)定。至2013年5月，三臺壓縮機均超過其設計的例行維保周期(30000小時)。此時，有一臺壓縮機的機械密封有微小滲油，其他指標均表現(xiàn)正常。為了節(jié)約成本并探索該系統(tǒng)穩(wěn)定運行潛力，我廠決定購買一臺原廠主機作為備份，對主機之外的其他系統(tǒng)采取維護更新，以提高整機運行效率。到了2013年10月(三臺壓縮機中運行時間最長的已達3.7萬小時)，3#氨制冷雙螺桿壓縮機的主機突然停機，更換主機后加力盤車檢查，發(fā)現(xiàn)主機已徹

2、底抱死。鑒于此，廠決定立即對故障主機進行搶修，并對其他兩臺主機逐臺進行周期維保。2、壓縮機主機簡介2.1 壓縮機主機參數(shù) 2.2 主機構(gòu)成圖1為氨制冷雙螺桿壓縮機系統(tǒng)主機部分外形。圖2、圖3為主機實物測繪剖面圖。 主機部分主要包括機械密封(1)陰螺桿止推軸承(2)陽螺桿止推軸承(3)前端支撐軸承(4)前軸承支撐架(5)陰螺桿(6)陽螺桿(7)螺桿支撐架(8)后端支撐軸承(9)后軸承支撐架(10)輔助止推系統(tǒng)(新設計增加部分)(11)后端蓋(12)能量調(diào)節(jié)系統(tǒng)(13)等。2.3 主機設計特點該主機最顯著的設計特點表現(xiàn)為：兩螺桿采用了“雙向止推技術(shù)”，即采用雙向滑塊軸承在軸向?qū)η昂髢蓚€方向進行止推

3、，有效地穩(wěn)固了螺桿的動態(tài)定位。事實上，在陽螺桿的后端明顯留有安裝平衡活塞的位置，但實物上并沒有安裝平衡活塞。3、故障機零部件損壞情況3.1 陽螺桿磨損由于止推軸承失效，陽螺桿在壓力介質(zhì)作用下，向壓縮機排氣端方向偏移，與排氣端蓋產(chǎn)生接觸性摩擦，導致陽螺桿磨損。拆開三臺同類型主機后發(fā)現(xiàn)，三臺的陽螺桿均有不同程度磨損，最嚴重的一臺磨損量達5mm，磨損相對較輕的一臺磨損量也有1.2mm。磨損嚴重的螺桿，其外側(cè)邊沿呈現(xiàn)發(fā)散狀裂紋，磨損較輕的螺桿，則未發(fā)現(xiàn)裂紋。3.2 排氣端蓋磨損由于止推軸承失效，陽螺桿向壓縮機排氣端方向偏移而與排氣端蓋產(chǎn)生摩擦，導致排氣端蓋磨損。三臺同類型主機，其端蓋均發(fā)生不同程度磨損

4、，最嚴重的一臺磨損量達2.7mm，磨損最輕的也有0.6mm。嚴重磨損的端蓋自內(nèi)邊沿到外邊沿，呈現(xiàn)出37條貫通性發(fā)散狀裂紋，磨損較輕的則未出現(xiàn)裂紋。端蓋嚴重磨損情形如圖4所示。 3.3 止推軸承磨損止推軸承也稱推力軸承，是用來專門承受軸向力的專用軸承，通過力的傳遞，最終將軸上的軸向力傳遞到箱體壁上。止推軸承是壓縮機主機穩(wěn)定運行的核心部件，該部件的設計例檢/更換時間為3萬小時。在維護的這三臺主機的止推軸承運行時間均超過3萬小時，其中運行時間最長者達3.7萬小時。拆解三臺止推雙向滑塊軸承，對其磨損情況進行了檢查。測量磨損兩分別為：滑塊磨損2.44mm，止推盤磨損1.73.6mm。3.4 其他部件損壞

5、狀況3.4.1 機械密封機械密封是一種旋轉(zhuǎn)機械的軸封裝置，是指由至少一對垂直于旋轉(zhuǎn)軸線的端面在流體壓力和補償機構(gòu)彈力(或磁力)的作用下，以及輔助密封的配合下保持貼合并相對滑動而構(gòu)成的防止流體泄漏的裝置。它是壓縮機系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一。經(jīng)拆解檢查發(fā)現(xiàn)，三臺壓縮機的機械密封均發(fā)生不同程度的損壞，最嚴重的一臺碳化硅推環(huán)破裂碎片，另外兩臺產(chǎn)生滲漏，均達到報廢程度。3.4.2 支撐軸瓦支撐軸瓦在軸與座孔之間起到支撐載荷和傳遞運動的作用。它具有高的疲勞強度、良好的摩擦相溶性、良好的順應性和耐蝕性。支承軸瓦與軸承之間油膜的剛度和阻尼大小直接影響著止推軸承的穩(wěn)定性。本例設備的支撐軸瓦已連續(xù)使用30000小時以上

6、，由于種種原因，發(fā)生不同程度的損傷。在對三臺設備所用的支撐軸瓦進行檢查時發(fā)現(xiàn)，每塊軸瓦表面均出現(xiàn)密集的劃痕，劃深最大0.3mm，劃痕寬度大于0.27mm，屬嚴重損傷。4、零部件修復與國產(chǎn)化該機型主機為日本前川公司制造，國內(nèi)沒有生產(chǎn)廠商，如果更換原裝零部件，不僅價格昂貴(主機中不含螺桿的整套零部件價格竟超過主機價格的15%)、采購周期漫長，而且采購條件苛刻、附加限制條款繁多，商務操作難度很大，無法滿足實際生產(chǎn)的緊迫需要。因此，自行修復損傷部件或自行設計加工代用件、恢復整機性能，就成了必然的選擇。4.1 損壞件修復方法4.1.1 螺桿與進氣端蓋的修復修復螺桿與進氣端蓋的工藝路線如下：a.取樣化驗確

7、定材質(zhì);b.無損探傷確定裂紋部位需要剔除的尺寸;c.剔除裂紋部位;d.激光熔敷恢復損傷部位;e.無損探傷檢查熔敷質(zhì)量;f.去除應力;g.按照未受損部位尺寸、型線設置加工參數(shù)，采用專用加工中心加工復原。要強調(diào)的是，加工復原后的螺桿須經(jīng)專用試驗臺檢查兩螺桿的嚙合度與動平衡性能，調(diào)整修正，直至完全合格。4.1.2 支撐軸瓦修復修復支撐軸瓦的步驟如下：a.取樣化驗確定材質(zhì);b.測繪軸瓦;c.剔除殘留覆層;d.激光熔敷恢復覆層;e.根據(jù)常規(guī)慣例尺寸恢復;f.按照測繪位置尺寸恢復潤滑通道。4.1.3 機械密封研制研制機械密封的過程如下：a.取樣化驗確定材質(zhì);b.測繪原裝機械密封;c.使用與原機械密封相同的

8、材料，按照國產(chǎn)同類型機械密封標準確定參數(shù);d.測繪設計圖紙;e.嚴格按照設計圖紙、工藝文件和相關(guān)標準加工生產(chǎn)。4.1.4 止推滑塊軸承的研制止推滑塊軸承仿制的工藝路線為：a.取樣化驗確定材質(zhì);b.測繪原裝軸承;c.根據(jù)原裝軸承尺寸位置限制和磨損件參考尺寸及國標gb/t23891.122009規(guī)定，設計仿制軸承圖紙;d.使用原裝軸承相同材料，按照設計圖紙及工藝文件加工生產(chǎn)。4.2 輔助止推裝置的設計4.2.1 加裝輔助止推裝置的動因從我廠實際使用情況來看，日本前川生產(chǎn)的n400sdmb型壓縮機主機性能優(yōu)異、穩(wěn)定可靠，但其螺桿軸向承載保護僅靠止推軸承。事實上，終因止推軸承崩潰性損壞，導致了整機其他

9、系統(tǒng)的損壞甚至損毀，造成嚴重后果。如果設計加裝一套螺桿輔助止推裝置，則可大大降低整機故障率，而且能大幅度延長整機的使用壽命。一般地，進口設備零部件的國產(chǎn)化，對于國內(nèi)任何一個單位來說，都是缺乏經(jīng)驗的。但在運行成本與生產(chǎn)需求的雙重壓力下，設備使用單位必須面對這一現(xiàn)實，進而解決這一現(xiàn)實而又緊迫的問題。對于我廠在修復的這三臺壓縮機來說，業(yè)已進入故障頻發(fā)期，損壞零部件的國產(chǎn)化替代已是刻不容緩的任務。國產(chǎn)化生產(chǎn)的零部件，能否達到或超越國外原廠產(chǎn)品的質(zhì)量，只有經(jīng)過實際運行考驗才能得出結(jié)論。而設備使用單位不可能甘冒影響正常生產(chǎn)的風險，把設備變成國產(chǎn)化零部件的試驗臺。解決壓縮機修復問題和保障壓縮機運行可靠安全，

10、需要創(chuàng)造性的思維和創(chuàng)造性的工作。給壓縮機增加輔助止推裝置，為關(guān)鍵零部件的國產(chǎn)化替代增加一道安全保障屏障，是一個即可行又務實的方案。增加輔助止推裝置，配合國產(chǎn)化的止推軸承，既降低了止推軸承的承載力，又保障了其他部件的運行安全。即使國產(chǎn)化的止推軸承質(zhì)量略遜于原裝軸承，其運行的穩(wěn)定性也將大大高于原裝止推軸承。對于日本前川n400sdmb機型主機來說，在進氣端陽螺桿的外側(cè)，正好留有合適的空間，為加裝輔助止推裝置提供了很大便利。4.2.2 輔助止推裝置l 各部件作用.如圖5所示，外軸承套安裝在的陽螺桿靠近排氣端蓋一側(cè)的軸孔內(nèi)，以便安裝定位角軸承外圈;內(nèi)軸承套的內(nèi)孔安裝在陽螺桿靠近排氣端蓋一側(cè)的軸上;角軸

11、承系兩個同向并行安裝的重載高速角軸承，給陽螺桿提供一個克服排氣推力的反向力;軸承壓套安裝在陽螺桿軸靠近排氣端蓋一側(cè)的孔內(nèi)，用以固定角軸承外圈和蝶形彈簧;軸承內(nèi)壓套固定在陽螺桿軸端，用以固定角軸承內(nèi)圈;蝶形彈簧前端固定在軸承壓套后端，其后端抵在蝶形彈簧固定套前端，給角軸承提供一個可變形移位的定量推力;注油孔則為角軸承提供散熱潤滑油。l 工作原理.靜態(tài)時，變形量為8mm、變形力為5噸的蝶形彈簧處在微變形狀態(tài)，變形力約為0.5噸，此變形力通過角軸承螺桿軸，傳向止推滑塊軸承的內(nèi)滑塊上。壓縮機運轉(zhuǎn)時，排氣壓力的反推力由止推滑塊軸承的外滑塊承載。此時，止推滑塊軸承的承載力相比較沒有輔助止推裝置的承載力減小

12、0.5噸。如果潤滑油的品質(zhì)、壓力、流量相同，滑塊承載力大小直接影響了滑塊使用壽命，滑塊承載力越小，止推軸承的壽命越長。 隨著壓縮機運行時間增加，止推滑塊軸承的滑塊與止推盤必然磨損。在排氣壓力的反推力作用下，止推滑塊軸承的滑推塊與止推盤磨損量，就變成了陽螺桿向壓縮機吸氣口方向的位移量(亦即軸向竄動量)。該位移量通過角軸承內(nèi)圈滾珠角軸承外圈軸承壓套，最終傳至蝶形彈簧，使蝶形彈簧產(chǎn)生變形，蝶形彈簧變形會產(chǎn)生五噸以內(nèi)的反作用力，以抵抗排氣壓力的反推力。在五噸之內(nèi)，排氣壓力產(chǎn)生的反推力與蝶形彈簧變形產(chǎn)生的抵抗力相等。因此，止推滑塊軸承的滑推塊與止推盤磨損到一定程度后，只要排氣壓力生產(chǎn)的反推力小于五噸，止

13、推滑塊軸承的滑推塊與止推盤之間就不產(chǎn)生壓力，也就是說，止推滑塊軸承的滑推塊與止推盤間沒有壓力，其間又有油膜保護，不再產(chǎn)生磨損，這就大大延長了止推軸承的壽命。每個重載高速角軸承的承載力為十噸，而蝶形彈簧發(fā)生變形時可產(chǎn)生五噸反作用力，意味著兩個同向并列重載高速角軸承最高承載力為五噸，設計冗余量十分充裕，有極高的安全保障。5、國產(chǎn)化維保的效果展示5.1 進口主機零部件的國產(chǎn)化突破在此之前，使用前川n400sdmb型制冷壓縮機的用戶，其維保所需零部件一直由原廠提供，供貨周期三個月以上，供應價格奇高，給用戶造成極大的困擾與煩惱。在本例三臺壓縮機維護和修復過程中，我們對主機關(guān)鍵零部件實現(xiàn)了國產(chǎn)化替代，這是國內(nèi)大型高端壓縮機技術(shù)上的一次突破，在全國所有使用該型壓縮機的用戶中，尚屬首次。它不僅成功的解決了我廠生產(chǎn)急需，也為其他使用單位提供了可資借鑒與參考的經(jīng)驗。5.2 實際運行效果2014年1月11日，三臺壓縮機經(jīng)部分零部件國產(chǎn)化替代和整機結(jié)構(gòu)改造后投入使用，且加載100%。至2015年4月10日，穩(wěn)定運行超過10000小時，相比較同期更換的進口新主機，其震動、噪聲、排量等基本指標相當，而改造主機耗能平均低于同期進口新主機30kw/小時以上，由此推算，單臺機組每年僅節(jié)能效益即達20萬元。這一點出乎意料，令我們備受鼓舞。5.3 成本效益按照進口更換零部件及例行維保合同價格，國產(chǎn)