隔膜壓縮機(jī)高壓段柱塞、缸套材料與摩擦副間隙試驗(yàn)

路偉 郭殿文 安俊霖 叢雨飛

摘 要：通過試驗(yàn)的方法確定隔膜壓縮機(jī)高壓級和超高壓級柱塞/缸套的材料、熱處理方法和合理間隙值。

關(guān)鍵詞：隔膜壓縮機(jī)；柱塞；缸套；摩擦副；材料；間隙

中圖分類號：TH45 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）05-0086-02

0 前言

金屬膜片的隔膜壓縮機(jī)是由法國工程師Corblin于1916年發(fā)明的，1922年試制成功。隔膜壓縮機(jī)膜頭的密封結(jié)構(gòu)是在缸蓋和缸體間夾持特制的膜片，通過主螺栓緊固成為靜密封形式，可保證氣體不會泄漏（通常設(shè)計(jì)的泄漏率為10-7mbarl/s），在高壓力時密封可靠，最高排氣壓力可達(dá)700MPa。在高壓級和超高壓級中，難以避免活塞環(huán)的嚴(yán)重磨損；或當(dāng)活塞直徑≤20mm，采用活塞環(huán)密封在制造上困難時，常采用不帶活塞環(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（在冷態(tài)下，相當(dāng)于兩級精度間隙配合），液壓油充填在間隙內(nèi)進(jìn)行密封，另外柱塞上也可設(shè)若干環(huán)形槽；以使液壓油均布，并起阻塞液體作用，用于直徑較小的柱塞。（2）柱塞是光滑的圓柱體，液壓油的密封完全靠微小間隙保證。柱塞工作表面應(yīng)精磨，圓柱度要求很嚴(yán)（應(yīng)在2級精度公差之半的范圍內(nèi)），其偏差應(yīng)小于柱塞與氣缸之間的間隙。

1 技術(shù)參數(shù)及基本要求

MD2.5-V-13/6-430型氮?dú)?氦氣隔膜壓縮機(jī)的基本參數(shù)為：進(jìn)氣壓力0.6MPa，排氣壓力43MPa，氣量13Nm3/h，電機(jī)功率15kW，皮帶傳動，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速400r/min，采用兩級壓縮，一級活塞（活塞直徑：φ52mm）為活塞環(huán)密封結(jié)構(gòu)，二級活塞（活塞直徑：φ18mm）為柱塞密封結(jié)構(gòu)，柱塞結(jié)構(gòu)如圖1所示。本次試驗(yàn)選擇二級活塞/缸套作為研究對象。

1.1 材料初選

由于柱塞/缸套承受交變載荷，摩擦副間隙較小磨損嚴(yán)重，因此要求材料強(qiáng)度高，耐磨性好。高碳軸承鋼為隔膜壓縮機(jī)柱塞副常用材料，在小型、高壓場合使用效果良好，但其塑性和韌性較差，在大型、高壓場合往往不能滿足使用要求，為此選擇塑性和韌性良好的優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼與常規(guī)選擇的高碳鉻軸承鋼進(jìn)行對比試驗(yàn)。

1.1.1 高碳鉻軸承鋼

柱塞/缸套材料可選用高碳鉻軸承鋼，常用的有GCr15、GCr15SiMn等，為得到理想的硬度和耐磨性，零件需進(jìn)行鹽浴淬火+低溫回火處理，處理后的顯微組織應(yīng)由隱晶、細(xì)小結(jié)晶或小針狀馬氏體、均勻分布的細(xì)小殘留碳化物和少量殘余奧氏體組成，熱處理后硬度為58～62HRC。淬火和低溫回火是決定軸承鋼性能的最終熱處理工序。淬火溫度依鋼的成分不同而不同，一般在800～850℃，溫度太低，碳化物不能充分溶解到奧氏體，淬火后得不到理想的硬度、耐磨性和淬透層深度；溫度過高，奧氏體晶粒長大，淬火后的馬氏體組織變粗，又增加了殘余奧氏體的數(shù)量，以致使鋼的沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度急劇降低。淬火后應(yīng)立即回火，回火溫度為150～160℃，保溫2～4h，目的是為了去除內(nèi)應(yīng)力，提高韌性和尺寸穩(wěn)定性。

為保證零件尺寸的穩(wěn)定性，減小變形，淬火后必須進(jìn)行深冷處理，即零件淬火后冷卻至室溫。經(jīng)清洗后，在液氮深冷保溫箱內(nèi)冷卻至-60℃ ～-80℃（為避免應(yīng)力集中和極冷產(chǎn)生微裂紋，深冷速度需控制在-2℃/min～-3℃/min）并保溫1～1.5h，隨保溫箱恢復(fù)至室溫后立即進(jìn)行回火處理，中間停留時間不應(yīng)超過4h；因零件的圓柱度和垂直度要求較高，精加工時零件不能過熱，要有充分的切削液，并在回火及磨削加工后，再在120～130℃進(jìn)行10～20h尺寸穩(wěn)定化處理（時效處理）；加工完后的零件應(yīng)進(jìn)行無損探傷檢驗(yàn)，不允許有裂紋、夾渣等缺陷；最終的尺寸測量需在恒溫室（23℃±5℃）內(nèi)進(jìn)行。

當(dāng)奧氏體中含碳量增加至0.5%以上時，馬氏體轉(zhuǎn)變終止點(diǎn)Mf點(diǎn)便下降至室溫以下，含碳量愈高，馬氏體轉(zhuǎn)變溫度下降愈大，則殘余奧氏體量也就愈多。奧氏體組織不穩(wěn)定，在零件使用過程中，奧氏體逐漸向馬氏體轉(zhuǎn)變，隨著馬氏體的形成，同時還伴隨著體積的膨脹，造成零件的變形。為了盡量減少鋼中殘余奧氏體，以獲得最大數(shù)量的馬氏體，從而提高鋼的硬度和耐磨性，并穩(wěn)定鋼件的尺寸，零件淬火后應(yīng)進(jìn)行冷處理。顯然，只有Mf點(diǎn)低于室溫的鋼冷處理才有效果，而且Mf點(diǎn)較室溫越低，冷處理的作用就越大。

1.1.2 優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼

由于高碳鉻軸承的塑性和韌性較差，為保證柱塞和缸套的綜合機(jī)械性能，柱塞材料可選用42CrMoE（調(diào)質(zhì)處理+表面高頻淬火）；缸套材料可選用38CrMoAlA（調(diào)質(zhì)處理+離子輝光氮化）。在工廠里習(xí)慣地把淬火+高溫回火（回火溫度500～650℃）相結(jié)合的熱處理稱為調(diào)質(zhì)處理。對淬火鋼而言，當(dāng)回火溫度>450℃時，零件內(nèi)部殘余的內(nèi)應(yīng)力可以完全釋放，也不存在殘余奧氏體和馬氏體，調(diào)質(zhì)處理后得到回火索氏體組織。零件經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后可獲得強(qiáng)度、塑性、韌性都較好的綜合機(jī)械性能，但是其表面的硬度往往無法滿足耐磨性的要求，通常需要根據(jù)零件化學(xué)成分的不同選擇表面高頻淬火、氮化、滲碳或碳氮共滲等措施提高耐磨性。

1.2 間隙初選

用于中國空氣動力研究與發(fā)展中心的尖端科技大型2m激波風(fēng)洞項(xiàng)目的超高壓壓縮機(jī)（三次機(jī)為隔膜式壓縮機(jī)，進(jìn)氣壓力100MPa，排氣壓力200MPa，供氣量2Nm3/min，軸功率22kW）在國內(nèi)首次確定了230MPa超高油壓下油缸/柱塞的合力間隙值。柱塞/缸套間隙過大，則油泄漏量大，產(chǎn)生的油壓過低，排氣壓力也過低。若間隙過小，則將發(fā)生柱塞在缸套內(nèi)咬死的嚴(yán)重后果。最終確定間隙值為柱塞直徑的0.1%～0.2%，被實(shí)踐證明可行，超高壓工況下取小值。

1.3 試驗(yàn)參數(shù)確定

通過1.1、1.2條材料和摩擦副間隙的選取原則，最終確定如下兩組試驗(yàn)參數(shù)：

試驗(yàn)1：缸套材質(zhì)選擇38CrMoAlA（調(diào)質(zhì)處理），摩擦表面氮化處理，硬化層深度0.30mm～0.50mm，硬度HV≥700；柱塞材質(zhì)選擇42CrMoE（調(diào)質(zhì)處理），摩擦表面高頻淬火處理，硬度HRC48～56；柱塞/缸套的配合間隙為0.018～0.036mm。

試驗(yàn)2：缸套、柱塞材質(zhì)均選擇GCr15（按GB/T18254《高碳鉻軸承鋼》標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行制造與驗(yàn)收），缸套、柱塞材料熱處理后進(jìn)行-130℃以下深冷處理，深冷到所需的溫度后保溫1h，并隨爐回溫到室溫，柱塞/缸套的配合間隙為0.018～0.036mm。

2 試驗(yàn)過程

（1）按試驗(yàn)一的參數(shù)加工制造柱塞/缸套，壓縮機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)動4小時后進(jìn)行2小時過熱試驗(yàn)（機(jī)組膜頭、氣體冷卻器、液壓油冷卻器不進(jìn)行通水冷卻），當(dāng)機(jī)組過熱試驗(yàn)進(jìn)行到1小時40分鐘時，二級缸出現(xiàn)異常聲響后停機(jī)，停機(jī)拆檢發(fā)現(xiàn)柱塞與缸套“抱死”?！氨馈钡脑蚴且?yàn)閴嚎s機(jī)無任何冷卻水系統(tǒng)，在運(yùn)行過程中柱塞的溫度逐漸升高，柱塞受熱膨脹導(dǎo)致柱塞/缸套配合間隙減小，間隙持續(xù)減小后破壞柱塞/缸套摩擦副中的潤滑油膜，導(dǎo)致柱塞和缸套局部干摩擦，干摩擦后摩擦副間的熱量積聚升高，接觸點(diǎn)金屬粘結(jié)，從而產(chǎn)生柱塞/缸套“抱死”現(xiàn)象，當(dāng)柱塞/缸套“抱死”后，產(chǎn)生的阻力非常大，十字頭向上運(yùn)動時無法推動柱塞運(yùn)行，使柱塞下部彎曲從根部拉斷，如圖2所示，柱塞/缸套“抱死”后剖分內(nèi)部狀態(tài)見圖3。（2）按試驗(yàn)二的參數(shù)加工制造柱塞/缸套，壓縮機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)動4小時后進(jìn)行2小時過熱試驗(yàn)（機(jī)組膜頭、氣體冷卻器、液壓油冷卻器不進(jìn)行通水冷卻），過熱試驗(yàn)結(jié)束后壓縮機(jī)仍可穩(wěn)定運(yùn)行。

3 結(jié)語

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高碳鉻軸承鋼和優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼均可作為隔膜壓縮機(jī)高壓級和超高壓級柱塞/缸套的材料，在機(jī)組冷卻可靠的前提下，柱塞/缸套的配合間隙按柱塞直徑的0.1%～0.2%選取完全可行。由于優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼的高溫尺寸穩(wěn)定性較差，為保證壓縮機(jī)的長期可靠運(yùn)行，同等規(guī)格的優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼柱塞副的間隙值可在原有基礎(chǔ)上增加0.1%柱塞直徑，即柱塞/缸套的配合間隙按柱塞直徑的0.2%～0.3%選取，間隙增大后摩擦副的密封性變差，不再適用于直徑較小、壓力較高的場合。

為了保證壓縮機(jī)長期可靠運(yùn)行，冷卻水系統(tǒng)非常關(guān)鍵，嚴(yán)禁壓縮機(jī)在無冷卻狀態(tài)下運(yùn)行。在壓力相對較低、柱塞直徑較大的場合選用優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼作為柱塞/缸套時，可以通過填料輔助密封來補(bǔ)償密封間隙過大導(dǎo)致的泄漏。

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