往復(fù)式壓縮機(jī)缸套斷裂失效分析

鮑 軍 張成彥 張二新 姜慧君 潘藝昌

（合肥通用機(jī)械研究院壓縮機(jī)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 合肥）

一、前言

缸套是壓縮機(jī)中的主要部件，當(dāng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速壓力較高或壓縮介質(zhì)具有腐蝕性時(shí)，氣缸鏡面往往磨損較快，致使壓縮機(jī)運(yùn)行周期縮短。采用缸套的優(yōu)點(diǎn)在于缸套磨損后可拆卸下來更換而不必加工氣缸，可根據(jù)工況特點(diǎn)使用較好的耐磨材料或耐腐蝕材料以減少維修工作量，此外還可以通過改變缸套厚度來適當(dāng)變更壓縮腔直徑。

壓入氣缸內(nèi)壁的缸套在壓縮機(jī)運(yùn)行過程中和活塞環(huán)是一對(duì)薄壁耐磨摩擦副，缸套在高溫高壓、無油潤(rùn)滑甚至有腐蝕環(huán)境下作高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)，承受很大的機(jī)械負(fù)荷、熱負(fù)荷以及電化學(xué)腐蝕的侵害。因此，在使用過程中往往會(huì)產(chǎn)生磨損、穴蝕、裂紋等失效。某焦化廠6M32型往復(fù)式壓縮機(jī)，使用過程中發(fā)現(xiàn)第五級(jí)氣缸運(yùn)行時(shí)有異常響聲，拆檢后發(fā)現(xiàn)第五級(jí)缸套裂紋。該缸套設(shè)計(jì)材料為QT600-3，失效前累計(jì)運(yùn)行300 h。失效事故給正常生產(chǎn)造成重大影響，分析缸套斷裂失效原因，對(duì)缸套在檢驗(yàn)和裝配結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面提出改進(jìn)建議。

二、缸套應(yīng)力分析（計(jì)算略）

1.應(yīng)力計(jì)算

缸套材料QT600-3，彈性模量E1=148×103MPa，泊松比μ1=0.3，線膨脹系數(shù) α1=10×10-6℃-1；氣缸材料 35#鋼，彈性模量E2=200×103MPa，泊松比 μ2=0.3，線膨脹系數(shù) α2=12×10-6℃-1。

（1）缸套與氣缸壁之間的接觸壓力。由于過盈及氣體壓力的作用，使氣缸與缸套壁面間產(chǎn)生壓力，計(jì)算得到接觸壓力在12.67～14.34 MPa。

（2）缸套內(nèi)外表面應(yīng)力。計(jì)算得到缸套內(nèi)表面切向應(yīng)力4.86 MPa，缸套內(nèi)表面徑向應(yīng)力-15 MPa，缸套外表面切向應(yīng)力2.53 MPa，氣缸套外表面徑向應(yīng)力-12.67 MPa。

（3）缸套的溫度應(yīng)力。經(jīng)計(jì)算，缸套內(nèi)表面溫度85℃，缸套外表面溫度40.51℃。缸套沿壁厚方向存在溫度梯度，因此缸套內(nèi)層材料出現(xiàn)壓縮應(yīng)力，外層材料出現(xiàn)拉伸應(yīng)力。

計(jì)算后得到，缸套內(nèi)表面切向溫度應(yīng)力為-49.12 MPa，缸套外表面切向溫度應(yīng)力為44.94 MPa

（4）缸套的當(dāng)量應(yīng)力。缸套內(nèi)表面當(dāng)量應(yīng)力-39.77 MPa，缸套外表面當(dāng)量應(yīng)力51.28 MPa。

2.強(qiáng)度校核

缸套材料為QT600-3，根據(jù)壓縮機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)的規(guī)定，干式鑄鐵缸套許用應(yīng)力為60 MPa，缸套內(nèi)表面當(dāng)量應(yīng)力小于干式鑄鐵缸套許用應(yīng)力，缸套外表面當(dāng)量應(yīng)力小于干式鑄鐵缸套許用應(yīng)力。由此可見缸套強(qiáng)度校核合格，缸套設(shè)計(jì)足夠安全。

三、缸套斷裂原因分析

對(duì)失效缸套取樣進(jìn)行了相關(guān)理化分析，發(fā)現(xiàn)失效缸套所用材料各項(xiàng)參數(shù)均不滿足QT600-3材料的標(biāo)準(zhǔn)要求，僅相當(dāng)于HT150的性能水平，其中抗拉強(qiáng)度平均值僅有標(biāo)準(zhǔn)要求值的36%，屈服強(qiáng)度平均值僅有標(biāo)準(zhǔn)要求值的24%，球化級(jí)別也未能達(dá)標(biāo)。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果分析，失效缸套實(shí)際材料的疲勞極限σ-1僅為65 MPa，實(shí)際安全系數(shù)僅為1.41，遠(yuǎn)低于許用安全系數(shù)3.5。由此可見，缸套斷裂失效的原因是缸套材料為灰鑄鐵，不符合采用球墨鑄鐵的設(shè)計(jì)要求。由于灰鑄鐵強(qiáng)度低、韌性差，因此導(dǎo)致缸套在使用過程中內(nèi)壁產(chǎn)生裂紋并快速脆性擴(kuò)展，最終造成缸套斷裂。

四、影響缸套強(qiáng)度的其他因素

在缸套設(shè)計(jì)和使用過程中，為避免出現(xiàn)缸套斷裂失效的現(xiàn)象產(chǎn)生，往往會(huì)考慮通過增加缸套壁厚來提高缸套強(qiáng)度或者提高缸套裝配過盈量來降低缸套竄動(dòng)的概率。對(duì)此，通過對(duì)比計(jì)算缸套選用不同壁厚以及不同裝配過盈量時(shí)安全系數(shù)的變化、總結(jié)其規(guī)律，以便為缸套的設(shè)計(jì)和維修提供理論依據(jù)。對(duì)比計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 不同壁厚和過盈量對(duì)比計(jì)算結(jié)果

五、結(jié)論和建議

1.結(jié)論

（1）從強(qiáng)度校核計(jì)算的結(jié)果來看，設(shè)計(jì)條件下的QT600-3材料缸套的強(qiáng)度足夠安全。但是從實(shí)際材料檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，開裂缸套所用材料各項(xiàng)參數(shù)均不滿足QT600-3材料的標(biāo)準(zhǔn)要求，實(shí)際安全系數(shù)遠(yuǎn)低于許用安全系數(shù)，因此判斷缸套材料不達(dá)標(biāo)是造成其開裂的最主要原因之一。

（2）對(duì)缸套當(dāng)量應(yīng)力的構(gòu)成分析會(huì)發(fā)現(xiàn)其中溫度應(yīng)力占了非常大的比重。如果由于環(huán)境溫度的變化或缸內(nèi)潤(rùn)滑不足造成排氣溫度升高將會(huì)對(duì)缸套的表面當(dāng)量應(yīng)力造成顯著升高，如排氣溫度由140℃升至160℃，缸套內(nèi)表面當(dāng)量應(yīng)力將會(huì)增大22%；如排氣溫度由140℃升至180℃，缸套內(nèi)表面當(dāng)量應(yīng)力將會(huì)增大45%；

（3）從對(duì)比計(jì)算的結(jié)果來看，增加缸套壁厚對(duì)于缸套安全性的提高能夠起到一定的作用，但提高程度并不明顯，因此原始設(shè)計(jì)的壁厚足夠安全。

（4）從對(duì)比計(jì)算的結(jié)果看，增加氣缸體與缸套裝配過盈量在一定程度上會(huì)降低缸套安全性，因此原始設(shè)計(jì)的裝配過盈量足夠安全。但從實(shí)物觀察，缸套與氣缸的配合面貼合程度不是很好，有可能出現(xiàn)局部接觸應(yīng)力過大的情況，因此在許用安全系數(shù)內(nèi)可以適當(dāng)增加缸套過盈量。

2.建議

（1）缸套在具體生產(chǎn)和使用過程中需要嚴(yán)格檢驗(yàn)，確保缸套的機(jī)械強(qiáng)度、金相組織、尺寸精度、形位公差及表面粗糙度等符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的技術(shù)要求和產(chǎn)品圖樣規(guī)定，以免留下瑕疵埋下隱患。

（2）由于排氣溫度的升高會(huì)顯著增加缸套應(yīng)力，因此在壓縮機(jī)運(yùn)行過程中需要實(shí)時(shí)關(guān)注氣缸的潤(rùn)滑情況和排氣溫度，以避免排氣溫度過高。

（3）由于缸套長(zhǎng)徑比較大，在許用安全系數(shù)內(nèi)可以適當(dāng)增加缸套過盈量，同時(shí)在加工過程中嚴(yán)格控制外表面圓柱度和粗糙度，避免過盈結(jié)合面接觸不均勻而出現(xiàn)局部接觸應(yīng)力過大的情況。