往復活塞式壓縮機活塞桿溫度高故障分析及改造

李麗娜，于 亮

（1.沈陽申元氣體壓縮機研究所，遼寧沈陽 110141；2.沈陽申元氣體壓縮機有限責任公司，遼寧沈陽 110141）

1 主要技術性能參數(shù)

型號：2D40-12.6/16.5-99型空氣壓縮機

型式：二列對稱D型兩級壓縮 水冷

容積流量（吸入狀況）：12.6 m3/min

吸氣壓力：1.65 MPa（G）

排氣壓力：9.9 MPa（G）

吸氣溫度：1級/2級 30/30 ℃

排氣溫度：1級/2級 132/135 ℃

行程：320 mm

轉(zhuǎn)速：375 r/min

軸功率：≤910 kW

氣缸、填料采用無油潤滑

氣缸、填料冷卻水耗量：12.2 t/h

電機功率：1000 kW

電機轉(zhuǎn)速：375 r/min

2 故障相關的壓縮機主要結(jié)構簡述

2D40-12.6/16.5-99型空壓機，為兩列兩級對稱平衡型壓縮機，氣缸分別水平布置在機身兩側(cè)，具有良好的動平衡性。氣缸、填料采用循環(huán)水冷卻，無油潤滑結(jié)構。

主要結(jié)構：

（1）填料：壓縮機中的填料，是借助于氣體的壓力差來獲得自密封的。密封填料為無油潤滑，不設注油孔；冷卻形式為通水冷卻，在填料盒外部設有冷卻水腔。每個填料盒內(nèi)裝有一組密封圈，每組密封圈主要由起導向作用的徑向環(huán)、起密封作用的切向環(huán)，以及由防止造成冷流而設置的阻流環(huán)三部分組成。密封圈材料選用填充聚四氟乙烯塑料，這種塑料環(huán)在有油或無油場合均適用。

（2）活塞：一級活塞采用分體式，二級活塞為整體式，材料均為35號鋼。活塞上設有起密封作用的活塞環(huán)，起支承作用的支承環(huán)，以及起傳動作用的活塞桿和起緊固作用的活塞螺母等零件組成。活塞與氣缸之間為無油潤滑設計，無油操作。活塞環(huán)、支承環(huán)的材料均為填充聚四氟乙烯塑料。活塞桿采用42CrMo鍛制而成，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理及對摩擦表面進行硬化處理，具有較高的綜合機械性能和耐磨性。活塞桿的作用是一端連接十字頭，另一端連接活塞，將十字頭的往復運動傳遞給活塞。

（3）氣缸：氣缸是活塞式壓縮機中組成壓縮容積的主要部分，氣缸內(nèi)嵌有干式襯套，氣缸兩頭設有起密封作用的缸蓋和缸座。氣缸設有冷卻水夾層，采用循環(huán)水強制冷卻。氣缸蓋側(cè)設有支承，用于支撐氣缸重量和調(diào)整氣缸水平。

3 故障表現(xiàn)

（1）在試機過程中，活塞桿溫度連鎖報警，顯示活塞桿溫度過高。停機檢查，打開接筒蓋板，發(fā)現(xiàn)活塞桿表面有清晰的劃痕。

（2）對壓縮機填料、活塞進行拆檢，拆卸下來的填料環(huán)磨損嚴重。

4 故障原因分析

從壓縮機的損壞情況來看，主要從以下幾個方面進行分析。

（1）活塞桿材質(zhì)

活塞桿采用合金結(jié)構鋼42CrMo鍛制而成，要求活塞桿調(diào)質(zhì)處理后的機械性能σb≥800 N/mm2，σs≥650 N/mm2，δ5≥14%，ψ≥50%，Aku≥50J，HB241-286。活塞桿摩擦面淬火處理，硬化層深1～2 mm，硬度HRC≥50，硬度差不超過3個單位。

此壓縮機在出廠前已對活塞桿的所有性能進行了檢測，并附有檢測報告，故可以肯定不是活塞桿強度問題，排除活塞桿硬度不夠造成活塞桿表面劃傷。

（2）氣缸的安裝

氣缸安裝后，氣缸軸心線對十字頭滑道軸心線的同軸度（徑向位移和整體傾斜）必須在要求值范圍內(nèi)。如果氣缸側(cè)傾斜，就會使活塞下沉，從而導致活塞桿與填料盒底部摩擦，產(chǎn)生摩擦熱，造成活塞桿表面劃傷。

氣缸的正確安裝方法：安裝氣缸應以中體滑道軸心線為基準，找各級氣缸的內(nèi)徑中心線，同軸度允差應符合壓縮機主要部位裝配間隙表中的規(guī)定。氣缸的傾斜方向，應與中體滑道傾斜方向保持一致，當方向不一致時，應找出原因，可通過調(diào)整氣缸支承和刮研缸體與缸座，缸座與中體的連接面來校正調(diào)整，禁止使用加偏墊、螺栓預緊力不均或借助其它外力等錯誤的方法來校正。氣缸各連接螺栓應對稱，均勻地緊固，氣缸的支承應接觸良好，受力均勻。

安裝完畢后，經(jīng)過全面復查完全達到安裝精度要求時對基礎進行二次灌漿。灌漿應連續(xù)進行，要使全部空間填實。二次灌漿凝固后（一般不少于48 h），再對上面的安裝精度進行復查校正。

當調(diào)整壓縮機氣缸與十字頭滑道水平需要調(diào)整缸頭高度時，必須先將氣缸與接筒連接處和接筒與中體連接處對應位置的螺栓松開2～3扣，再調(diào)整缸頭高度，調(diào)好水平后，最后按照要求的扭矩值將螺栓對稱均勻緊固。

此壓縮機的安裝過程中嚴格按照此要求進行安裝，間隙值和同軸度都在規(guī)定的范圍值內(nèi)，排除安裝問題。

（3）壓力填料

壓縮機中的填料是借助于氣體的壓力差來獲得自密封的。根據(jù)氣體壓差，性質(zhì)，對密封要求的高低，選用不同類型的密封環(huán)。填料密封壓力差越大，密封環(huán)對活塞桿的抱緊力就越大，密封環(huán)和活塞桿之間相互摩擦，產(chǎn)生的摩擦熱就越多，致使活塞桿溫度升高更快。而這2臺空氣壓縮機采用三道環(huán)進行密封，增大了密封環(huán)的寬度，就增加了對活塞桿的摩擦面，使其產(chǎn)生更多的摩擦熱。這很可能就是造成活塞桿溫度過高的主要原因之一。

另外此空氣壓縮機的壓力填料采用傳統(tǒng)的冷卻方式（圖1），即填料盒內(nèi)設水道，用循環(huán)水對其冷卻，間接冷卻活塞桿。這種冷卻方式對于低壓，壓差小，或是有油潤滑的壓縮機而言可以完全滿足冷卻要求，但是在無油高壓的條件下，達不到預期的冷卻效果。故冷卻效果不好也可能是造成活塞桿溫度過高的主要原因之一。

（4）壓縮氣體本身的特性

空氣壓縮機的主要氣體成分為氧氣約為21%，氮氣約為78%和約為1%的稀有氣體。由于空氣本身的特性，當空氣被壓縮后，升溫快且溫升高。這也是高壓無油空壓機的一個設計難點。

經(jīng)過研究分析，工藝氣體本身的特性和運行中填料間接冷卻不充分是造成活塞桿溫度過高的主要原因之一。

圖1

5 改造方案

找到問題所在，通過對問題的研究分析，我們決定針對填料進行改造。具體的實施辦法如下，改造后的填料（圖2）。

首先將原來在填料法蘭端面上的循環(huán)水進出水口位置移到端面上合適位置，見圖3中的水口位置圖，保留原有的循環(huán)水冷卻系統(tǒng)。

其次設置一套新的小孔冷卻輔助系統(tǒng)。具體實施方法：在填料法蘭外端面上依次安裝殼體和壓蓋，其中壓蓋按間隙配合安裝在殼體上，在殼體和壓蓋之間安裝刮水環(huán)和密封環(huán)；填料法蘭內(nèi)孔在其軸向呈臺階形孔即外段孔和里段孔，外段孔的直徑大于里段孔的直徑，里段孔為標準法蘭內(nèi)孔，在標準法蘭內(nèi)孔設置刮水槽；當安裝上活塞桿后外端孔被殼體、活塞桿和外段孔的內(nèi)壁圍成環(huán)形腔，其中活塞桿為環(huán)形腔的內(nèi)環(huán)，在填料法蘭上半部分的厚度面沿徑向開進水道（B-B中小孔噴水進水管道）至環(huán)形腔，使進水道與環(huán)形腔連通，在填料法蘭下半部分的外端面上開徑向槽，徑向槽被填料法蘭和殼體圍成集水道，在壓蓋之外的殼體下部沿軸向開出水道，出水道、集水道和環(huán)形腔依次連通，進水道、環(huán)形腔、集水道和出水道依次連通構成輔助冷卻水道。

當活塞桿往復運動時，除循環(huán)水冷卻水道正常作業(yè)外，輔助冷卻水道也同時作業(yè)，具體是，向進水道注入帶壓力的輔助冷卻水，輔助冷卻水經(jīng)過進水道的出口即噴水小孔從上面噴向環(huán)形腔內(nèi)活塞桿的表面，為往復移動的活塞桿冷卻，輔助冷卻水向下流，經(jīng)過位于環(huán)形腔下面的集水道和小孔噴水出水道流出填料。

刮水槽的設置，是為了防止冷卻水進入氣缸里；刮水環(huán)的設置是防止冷卻水外溢；設置殼體和壓蓋是為安裝刮水環(huán)以及集水道。

刮水槽的密封原理：在填料法蘭上設置刮水齒槽利用填料法蘭里段孔和活塞桿采用非接觸式的迷宮密封技術，依靠泄漏來保證密封。迷宮密封原理是指運動的零件和固定零件之間有許多曲折的小室使泄漏減小的密封。在運動零件周圍設若干個依次排列的環(huán)形密封齒槽。齒槽與齒槽之間形成一系列的節(jié)流間隙與膨脹空腔，被密封的介質(zhì)在通過這些迷宮式齒槽時產(chǎn)生節(jié)流效應而達到阻止泄漏的目的，起到了可靠的密封作用。

圖2

這種非接觸式的密封結(jié)構均是依靠迷宮進行密封，這樣不僅可以保證循環(huán)水不被潤滑油侵入污染，而且不會產(chǎn)生磨屑粉塵，同時也不會因為水中含有固體顆粒而影響它的密封性能及使用的可靠性。刮水槽使噴淋到活塞桿上的水被刮回到集水道，進行回收。

此改造方法解決了活塞桿因冷卻效果不好而造成活塞桿溫度過高的問題。

6 改造后的效果

通過大量的試驗得出的試驗數(shù)據(jù)證明，實現(xiàn)活塞桿表面溫度不超過60 ℃需要20～80 kg/h冷卻水（具體需求量，視現(xiàn)場水溫、水壓、活塞桿直徑等參數(shù)而定）。

例：直徑110 mm活塞桿；

進水壓力0.4 MPa（G）；

進水溫度25 ℃；

通過計算22 kg/h冷卻水即可滿足冷卻需求，取1.5倍冷卻系數(shù)，即33 kg/h輔助冷卻水，通過計算并試驗證明1 mm噴水小孔即可滿足需求。

帶有小孔冷卻輔助系統(tǒng)的改造填料安裝后試車，活塞桿測量溫度保持在60 ℃以下，很好的解決2臺2D40空壓機活塞桿溫度過高的問題，使壓縮機得以正常開機運行，降低用戶的損失，得到用戶的認可。

7 結(jié)語

填料冷卻采用填料小孔冷卻結(jié)構散熱效果好，幾乎所有機組均適用；同時也特別適用于活塞桿溫度過高的現(xiàn)場改造項目，改造方便，對機組影響小，可以保持原有填料外形不變；具有工藝簡單，生產(chǎn)周期短，成本低等特點。

填料小孔冷卻輔助系統(tǒng)在2臺2D40空壓機活塞桿溫度高的問題上得到很好的應用，但是此結(jié)構還未得到廣泛實踐上的應用，我們會不斷的收集此類故障，研究分析，不斷的歸納總結(jié)，給空壓機關于活塞桿溫度過高的故障提供參考和解決方法，同時對進一步優(yōu)化空壓機的結(jié)構也有一定的借鑒作用。