某型船用高壓空壓機(jī)活塞銷座破裂等故障的原因分析和解決措施

錢經(jīng)亮，陳足君，汪金龍，繆忠輝，梁璞玉

（中國人民解放軍第四八一二工廠，安徽安慶246001）

1 引言

壓縮機(jī)是一種用于壓縮氣體借以提高氣體壓力的機(jī)械，它的種類很多，用途極廣，通過氣缸容積周期性的變化，實(shí)現(xiàn)氣體的吸進(jìn)、壓縮和排出，其主要運(yùn)動(dòng)件一般包括曲軸，活塞和連桿等部件，固定件一般包括曲軸箱，氣缸（組合氣閥），以及冷卻器和安裝支架等[1]。

近年來，隨著用戶對(duì)空壓機(jī)的安全性和可靠性提出越來越高的要求外，目前對(duì)空壓機(jī)的外形尺寸和重量等物理指標(biāo)也提出了較高要求，尤其是安裝或換裝空間相對(duì)較小的場合，有的已成為商務(wù)競標(biāo)成功與否的關(guān)鍵因素之一。目前，高壓往復(fù)活塞式空壓機(jī)各級(jí)氣閥的設(shè)計(jì)安裝和工作方式對(duì)機(jī)組的外形、重量及結(jié)構(gòu)形式有較大影響，為適應(yīng)市場化需要，滿足用戶的特殊需求，進(jìn)一步減小空壓機(jī)的外形尺寸和重量等已勢在必行，因此，有必要適時(shí)開展空壓機(jī)組合氣閥的設(shè)計(jì)工作。組合氣閥的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)多種多樣，有的是借助于一個(gè)公共的閥板，通過空壓機(jī)各級(jí)的流量、壓力及流速等參數(shù)，將獨(dú)立的進(jìn)氣閥和排氣閥進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，做成組合式結(jié)構(gòu)。對(duì)于高壓往復(fù)活塞式空壓機(jī)，為提高排氣量和比功率，氣缸設(shè)計(jì)的上止點(diǎn)間隙一般較小，有的僅為1～2 mm左右，但過小的上止點(diǎn)間隙可能導(dǎo)致一些不良后果，一般情況有：一是壓縮介質(zhì)在氣缸中部分液化而造成液擊撞缸現(xiàn)象；二是零部件破損脫落后進(jìn)入氣缸而發(fā)生異物撞缸等現(xiàn)象。因此，不僅要合理設(shè)計(jì)氣缸的上止點(diǎn)間隙，而且要盡量避免氣閥等零部件破損后落入氣缸。目前，氣閥的使用壽命直接影響整機(jī)的可靠性，同時(shí)氣閥也是影響整臺(tái)空壓機(jī)可靠性的關(guān)鍵部件之一[2-3]。

圖1 升程限制器和氣閥閥體

2 空壓機(jī)故障現(xiàn)象及原因分析

2.1 空壓機(jī)故障現(xiàn)象

發(fā)生故障的空壓機(jī)采用水冷、四級(jí)壓縮、單作用往復(fù)活塞式結(jié)構(gòu)，按GB/T 12929-2008船用高壓活塞空氣壓縮機(jī)和該型空壓機(jī)相關(guān)技術(shù)文件要求，按期開展了1000h的耐久性試驗(yàn)。在運(yùn)行至274 h時(shí)，機(jī)組發(fā)生過載自動(dòng)保護(hù)停機(jī)，經(jīng)復(fù)位后重啟，仍報(bào)警無法啟動(dòng)。后操作人員自查，打開空壓機(jī)一級(jí)氣缸上的氣缸蓋，發(fā)現(xiàn)一級(jí)組合氣閥進(jìn)氣側(cè)的升程限制器已落入氣缸內(nèi)，且部分閥片變型、破損及脫落，同時(shí)一級(jí)活塞體頂部多處已變形、壓損。針對(duì)此現(xiàn)象，操作者隨即切斷電源，保護(hù)現(xiàn)場，技術(shù)設(shè)計(jì)主管人員第一時(shí)間趕到試驗(yàn)現(xiàn)場。

經(jīng)進(jìn)一步拆卸、檢查，發(fā)現(xiàn)一級(jí)活塞銷座和活塞銷、一級(jí)連桿組件、曲軸平衡重等也有不同程度的損壞，進(jìn)氣升程限制器破裂為數(shù)段，氣閥閥體局部受異物撞擊，發(fā)生翹曲，變形嚴(yán)重，部分零件受損情況如圖1所示。

2.2 空壓機(jī)故障原因分析

針對(duì)空壓機(jī)出現(xiàn)的故障現(xiàn)象，分別查閱了一級(jí)氣缸、活塞、連桿及組合氣閥等零部件的設(shè)計(jì)圖樣，并重點(diǎn)對(duì)一級(jí)氣缸、活塞及連桿等零部件的設(shè)計(jì)配合尺寸進(jìn)行了逐一核查和復(fù)測，最后主要針對(duì)一級(jí)氣缸的上止點(diǎn)間隙進(jìn)行了核算。經(jīng)過反復(fù)核實(shí)，試驗(yàn)用的空壓機(jī)一級(jí)氣缸、活塞和連桿等零部件尺寸均滿足設(shè)計(jì)圖樣的要求，零件加工和裝配過程完全受控。

但在復(fù)查過程中，發(fā)現(xiàn)該機(jī)一級(jí)氣閥為組合式結(jié)構(gòu)，即內(nèi)圓周側(cè)為進(jìn)氣，外圓周側(cè)為排氣，進(jìn)氣閥片的升程限制器由沉頭螺釘與鎖緊螺母固定。經(jīng)進(jìn)一步分析、梳理認(rèn)為，機(jī)組運(yùn)行過程中，在高溫和高頻振動(dòng)等的綜合作用下，螺母的鎖緊力將會(huì)下降，逐步出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象，導(dǎo)致升程限制器受撞擊后分6段（圖1為其中4段） 先后脫落，當(dāng)落入氣缸后，因升程限制器的厚度大于氣缸的上止點(diǎn)間隙，故升程限制器落入氣缸后將與高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)的一級(jí)活塞頂部發(fā)生嚴(yán)重的撞缸現(xiàn)象，最后導(dǎo)致與之相連接的一級(jí)活塞及連桿組件損壞，曲軸平衡重脫落，機(jī)組出現(xiàn)卡阻、報(bào)警停機(jī)的故障現(xiàn)象。

以下根據(jù)空壓機(jī)故障現(xiàn)象，并結(jié)合一級(jí)組合氣閥、活塞組件及曲軸平衡重等零部件的損壞狀態(tài)，分別對(duì)其故障發(fā)生的過程和主要原因進(jìn)行詳細(xì)分析，具體如下。

（1） 一級(jí)組合氣閥

經(jīng)查，一級(jí)進(jìn)氣閥片的升程限制器由6只開槽沉頭螺釘（M4×25） 和其配套的鎖緊螺母M4固定，一級(jí)氣缸的上止點(diǎn)實(shí)測余隙為1.4 mm，升程限制器的厚度為4 mm。機(jī)組額定運(yùn)行狀態(tài)下，一級(jí)排氣溫度高達(dá)167℃，受此溫度影響，鎖緊螺母的強(qiáng)度和剛度將同步下降，導(dǎo)致螺母的鎖緊力也趨于降低。隨著運(yùn)行時(shí)間的延長，某個(gè)鎖緊螺母松動(dòng)后將在其對(duì)應(yīng)位置先出現(xiàn)撞擊現(xiàn)象（鎖緊螺母實(shí)際安裝時(shí)的扭矩也可能小于設(shè)定值），此撞擊將加劇其余鎖緊螺母的松動(dòng)速度，又因機(jī)組振動(dòng)，以及氣閥自身的高頻振動(dòng)的影響（氣閥啟閉總次數(shù)每分鐘高達(dá)約2960次），當(dāng)有一個(gè)鎖緊螺母出現(xiàn)松動(dòng)后，臨近兩側(cè)的鎖緊螺母受力將加大，進(jìn)而會(huì)引起臨近兩側(cè)鎖緊螺母也逐步松動(dòng)，即固定升程限制器的6個(gè)鎖緊螺母將依次先后松動(dòng)，也即形成“連鎖反應(yīng)”，最后導(dǎo)致升程限制器在持續(xù)的受撞擊下，先后斷裂為6段（均以應(yīng)力集中區(qū)的鎖緊螺母為界），當(dāng)全部破裂落入氣缸內(nèi)時(shí)，將導(dǎo)致與一級(jí)活塞頂部發(fā)生嚴(yán)重的撞缸現(xiàn)象。圖2為同批次庫存未使用過的一級(jí)組合氣閥外形圖。

（2） 一級(jí)活塞組件

由一級(jí)組合氣閥故障發(fā)生的過程及原因分析可知，因一級(jí)活塞體撞缸、局部受力，此力將通過活塞銷座傳遞到活塞銷上，此時(shí)，因鋁質(zhì)活塞熱膨脹系數(shù)大，加之頂部受力不均，將使下端活塞銷孔在受力方向上變形、尺寸變大，導(dǎo)致活塞銷下端的彈性擋圈（安裝在活塞銷孔內(nèi)） 發(fā)生微位移，在重力的作用下，此時(shí)活塞銷將同步向下滑移，一旦活塞銷向下發(fā)生移位，將導(dǎo)致上面活塞銷座受力面積減少，應(yīng)力急劇加大，當(dāng)超過活塞銷座的許用應(yīng)力后，上端活塞銷座破裂（上端活塞銷座部分破損的原因）；同時(shí)，雖然下端活塞銷座孔內(nèi)插入了更多的活塞銷實(shí)體，但因上端活塞銷座破損后，其連桿小頭上的活塞力將幾乎全部由下端的活塞銷座承擔(dān)，同樣會(huì)因局部應(yīng)力過大而破裂，因此導(dǎo)致下端活塞銷座被整體拉脫了，詳見圖3所示。

圖2 一級(jí)組合氣閥（正、反面）

圖3 頂部壓損和銷座破損后的一級(jí)活塞

對(duì)于活塞銷的折斷現(xiàn)象，因活塞銷向下滑移、上端活塞銷座破裂后，連桿小頭內(nèi)的無內(nèi)圈滾針軸承受力傾斜，滾針軸承與活塞銷產(chǎn)生局部線接觸，超過了活塞銷的單位應(yīng)力極限，導(dǎo)致活塞銷折斷，同時(shí)滾針軸承內(nèi)的部分滾針脫落，具體詳見圖4所示。

（3） 曲軸平衡重組件

綜合以上分析可知，當(dāng)破裂的活塞銷和活塞銷座碎塊等相繼滑落到曲軸箱內(nèi)后，在空壓機(jī)運(yùn)行過程中，將分別與曲軸上、下2個(gè)平衡重等撞擊，因撞擊力方向不規(guī)則導(dǎo)致其間斷受力，同時(shí)在平衡重角速度作用下產(chǎn)生的剪切應(yīng)力等的綜合作用下，將導(dǎo)致平衡重連接螺釘受剪切斷裂。當(dāng)2個(gè)平衡重脫落后，在其下落過程中，將與連桿等運(yùn)動(dòng)件撞擊，因平衡重外形尺寸大，最終落在曲軸箱的某個(gè)位置出現(xiàn)卡阻，機(jī)組報(bào)警停機(jī)。受撞擊脫落下來的平衡重及連接螺釘如圖5所示。

綜合以上分析可知，空壓機(jī)故障的主要原因和發(fā)生過程為：一級(jí)組合氣閥鎖緊螺母松動(dòng)、脫落，導(dǎo)致升程限制器落入氣缸后發(fā)生撞缸現(xiàn)象，從而引起一級(jí)活塞、連桿組件及曲軸平衡重等零部件損壞，最后機(jī)組出現(xiàn)卡阻、報(bào)警停機(jī)的故障。

3 解決措施

針對(duì)該型空壓機(jī)發(fā)生的故障現(xiàn)象，并結(jié)合故障發(fā)生的過程和原因分析，并借鑒相關(guān)機(jī)型上組合氣閥成熟的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，通過改變一級(jí)組合氣閥上的升程限制器固定方式和進(jìn)氣閥片、彈簧片的安裝方式，綜合提出了以下3個(gè)方面的解決措施，具體如下：

（1） 通過調(diào)整組合氣閥進(jìn)氣側(cè)升程限制器的固定方式，即在組合閥體中間采用1只公共大螺栓M16×60代替6只均布小螺釘M4×25，同時(shí)在螺栓下端部的圓柱銷附近做永久變形的“收口止退”防松處理，以確保鎖緊螺母出現(xiàn)松動(dòng)，甚至脫落的情況下，螺栓和圓柱銷均不會(huì)落入氣缸內(nèi)。改進(jìn)前、后的一級(jí)組合氣閥設(shè)計(jì)圖如圖6和圖7所示。

（2） 為了徹底解決升程限制器破裂后落入氣缸內(nèi)的問題，在上閥座的下端，增加一個(gè)公共下閥座（也作為進(jìn)氣閥片升程限制器使用），為保證下閥座具有足夠的剛度和耐腐蝕等要求，其材質(zhì)選用不銹鋼20Cr13，最大厚度設(shè)計(jì)為18 mm。同時(shí)，在結(jié)構(gòu)方面，使進(jìn)氣閥片、彈簧片安裝在上閥座和下閥座之間，從而形成一個(gè)“封閉腔”，避免破裂后的閥片等異物落入氣缸后發(fā)生的撞缸現(xiàn)象，改進(jìn)后的一級(jí)氣閥設(shè)計(jì)圖樣詳見圖7所示。

（3） 根據(jù)該機(jī)故障發(fā)生的主因，也即是由于氣閥升程限制器落入氣缸導(dǎo)致的質(zhì)量事故，為從根本上解決這個(gè)問題，增設(shè)的下閥座，除了作為進(jìn)氣閥片的升程限制器外，其下端面的外圓周側(cè)也兼做“固定支撐點(diǎn)”。按此結(jié)構(gòu)調(diào)整后，因下閥座是一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，即使鎖緊螺母松動(dòng)了，升程限制器也不會(huì)再落入氣缸內(nèi)了[4]。

因氣閥圖幅較大，圖6和圖7繪制的設(shè)計(jì)圖樣，均節(jié)選了以O(shè)O′為中心對(duì)稱的半邊結(jié)構(gòu)。

圖4 破損后的活塞銷及銷座、滾針軸承等

圖5 脫落下來的平衡重及連接螺釘

圖6 改進(jìn)前的一級(jí)組合氣閥設(shè)計(jì)圖

圖7 改進(jìn)后的一級(jí)組合氣閥設(shè)計(jì)圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

一級(jí)組合閥結(jié)構(gòu)調(diào)整后，為保證與之前氣缸等零部件安裝的互換性，在設(shè)計(jì)上同步調(diào)整了氣缸蓋、密封墊片等零件的結(jié)構(gòu)和尺寸。

根據(jù)GB/T 12929-2008船用高壓活塞空氣壓縮機(jī)[5]和GB/T 3853-1998容積式壓縮機(jī)驗(yàn)收試驗(yàn)[6]中的相關(guān)規(guī)定，以及該型空壓機(jī)試驗(yàn)大綱等技術(shù)文件要求，所有零部件配套完成后，按要求進(jìn)行了復(fù)裝，并在相同的試驗(yàn)環(huán)境條件下，重新進(jìn)行了1000 h的耐久性試驗(yàn)。試驗(yàn)期間，選擇了300 h、500 h和800 h等不同時(shí)間段分別取出一級(jí)組合氣閥進(jìn)行檢查，直至試驗(yàn)結(jié)束，均未再出現(xiàn)之前因鎖緊螺母松動(dòng)而導(dǎo)致升程限制器撞缸等故障現(xiàn)象了。

5 進(jìn)一步優(yōu)化建議

針對(duì)本文列舉的空壓機(jī)一級(jí)組合氣閥鎖緊螺母松動(dòng)導(dǎo)致升程限制器脫落后與活塞發(fā)生撞缸，并引發(fā)連桿組件、曲軸平衡重等零部件損壞的故障現(xiàn)象，同時(shí)結(jié)合改進(jìn)后的氣閥試驗(yàn)驗(yàn)證情況，在各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)研制任務(wù)書要求的前提下，當(dāng)時(shí)為加快試驗(yàn)進(jìn)度，盡快完成新產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)任務(wù)，盡早實(shí)現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化和形成新的經(jīng)濟(jì)效益增長點(diǎn)，經(jīng)參考相關(guān)成熟機(jī)型上組合氣閥的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，綜合提出了一種切實(shí)、易行的處理措施，但在后期批量生產(chǎn)的同型機(jī)的相關(guān)試驗(yàn)和使用中發(fā)現(xiàn)，可以通過進(jìn)一步優(yōu)化氣閥的結(jié)構(gòu)，來相應(yīng)地提高整機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，具體建議如下。

（1）調(diào)整后的一級(jí)組合氣閥，其下端增設(shè)了下閥座結(jié)構(gòu)，為保證氣閥在受力狀態(tài)下保持密封、不變形，氣閥必須具有足夠的剛度，因此，下閥座的最大處厚度設(shè)計(jì)達(dá)18 mm，直徑為φ220 mm，此部分的結(jié)構(gòu)和重量是改進(jìn)前氣閥中沒有的。經(jīng)實(shí)測，氣閥調(diào)整前重量僅為2.8 kg，調(diào)整后重量達(dá)5.2 kg，總重量增加了約86%，幾乎是調(diào)整前的2倍。氣閥是壓縮機(jī)中最重要的易損件之一，同時(shí)也是必備的隨機(jī)附件之一，在滿足功能的情況下，通過合理選材及氣體通道布設(shè)等手段，進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，可以給氣閥包裝、換裝及檢修等一系列工作帶來便利，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)機(jī)組減重的目的。

（2）一級(jí)組合氣閥調(diào)整后，機(jī)組排氣量略有下降，主要是因?yàn)闅忾y下端另增設(shè)了下閥座后，進(jìn)氣通道變長了，氣體阻力加大，且額外增加了下閥座通道部分的余隙容積，導(dǎo)致在保持原設(shè)計(jì)的上止點(diǎn)間隙的情況下，一級(jí)進(jìn)氣量較之前少了，故機(jī)組排氣量出現(xiàn)略有下降的情況。對(duì)此，可以通過進(jìn)一步優(yōu)化鎖緊螺母的結(jié)構(gòu)及連接形式等，保證其鎖緊可靠的前提下，繼續(xù)保留原螺釘固定升程限制器的結(jié)構(gòu)方式，如此，則可以同步實(shí)現(xiàn)機(jī)組減重、增效的目的。

6 結(jié)語

產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程需要考慮多方面的問題，有時(shí)需要綜合機(jī)械力學(xué)、振動(dòng)力學(xué)及熱力學(xué)等方面的專業(yè)知識(shí)，尤其是高壓往復(fù)活塞壓縮機(jī)，因其工作過程中伴隨著高溫、高壓和高頻振動(dòng)等，這就給壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)增添了難度。同時(shí)，按理論設(shè)計(jì)出的空壓機(jī)，必須按標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，尤其是新設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，當(dāng)某些問題考慮不周全時(shí)，在耐久性試驗(yàn)過程中就很容易暴露出來。因此，在設(shè)計(jì)過程中，需要結(jié)合每款空壓機(jī)的特點(diǎn)，對(duì)影響空壓機(jī)可靠性的重要零部件，必須進(jìn)行全面考慮，不能輕視任何一個(gè)質(zhì)量控制點(diǎn)，如此才能盡可能提高新產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)一次成功率。

目前，氣閥質(zhì)量問題很大程度上制約了空壓機(jī)的運(yùn)行可靠性、安全性和保障性，通過一款空壓機(jī)發(fā)生故障的現(xiàn)象，適時(shí)開展原因分析、提出解決措施并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，同時(shí)不斷歸納、總結(jié)此類質(zhì)量問題，不僅能給空壓機(jī)的故障判斷及產(chǎn)品檢修等提供參考和方法，而且可以反過來進(jìn)一步優(yōu)化空壓機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)工作，具有一定的借鑒意義。