某型高壓往復壓縮機活塞拉缸故障的原因分析與排除

梁璞玉，曹金冰，楊永良，黃小平，王 飛

（中國人民解放軍第四八一二工廠，安徽安慶246001）

1 引言

空壓機是一種用于壓縮空氣借以提高氣體壓力的機械，它的種類很多，用途極廣。按照活塞運動方式的不同，有往復活塞式和回轉(zhuǎn)活塞式兩種結(jié)構(gòu)型式，其中活塞式壓縮機一般在圓桶形氣缸內(nèi)孔中具有一可往復運動的活塞。當活塞做往復運動時，氣缸容積便周期地變化，借以實現(xiàn)氣體的吸進、壓縮和排出。空壓機是現(xiàn)代船舶正常運行必不可少的設備之一，尤其是高壓、超高壓等場所，一般仍以往復活塞式壓縮機為主。壓縮機的主要運動件一般有活塞、曲軸和連桿等零部件，固定件一般有氣缸（氣缸套），曲軸箱，以及冷卻器和安裝支架等[1-3]。

活塞壓縮機的特點是排氣壓力高、功率大、振動加速度高，同時向設備所處的環(huán)境輻射振動噪聲比較嚴重，有的可達到90～130dB，高的噪聲會對環(huán)境的舒適性帶來影響，同時也嚴重威脅到空壓機操作人員的身心健康，問題逐漸凸顯出來。

近年來，隨著工業(yè)水平的不斷提高，以及廣大用戶對空壓機的舒適性、安全性提出的要求也越來越高，空壓機的振動和噪聲得到了普遍重視。引起空壓機振動的因素有多個方面，但主要有如下2個方面：一是運動機構(gòu)的動平衡性能差或基礎設計不當；二是氣體壓縮過程中產(chǎn)生的氣流脈動。但在不同款機型上經(jīng)多次試驗驗證，結(jié)構(gòu)件的尺寸配合間隙，尤其是空壓機運動件的尺寸公差選擇、配合間隙的設定以及形位公差的確定，都會對運動機構(gòu)的動平衡產(chǎn)生不良影響，也會進一步加大氣流脈動所產(chǎn)生的振動和噪聲。為此，壓縮機設計過程中，不僅要考慮氣體流量、比功率等經(jīng)濟指標，也要重點關注各運動件的尺寸公差和形位公差，避免出現(xiàn)振動超標，甚至發(fā)生活塞拉缸抱死等嚴重的質(zhì)量事故[4]。

2 空壓機故障現(xiàn)象

2.1 二級活塞故障現(xiàn)象

發(fā)生活塞拉缸故障的空壓機采用4級壓縮、水冷、星形、單作用往復活塞式結(jié)構(gòu)。根據(jù)國家標準GB/T 3853-1998容積式壓縮機驗收試驗和該型空壓機出廠試驗大綱等要求，在空壓機裝配完成后，按期開展了出廠試驗及性能檢測。在空載磨合、加載試驗進行到約40 min時發(fā)生了異常尖銳的響聲，因該機設置有電機負載保護功能，隨即自動報警停機了。

經(jīng)初步判斷，首先打開曲軸箱的觀察孔，逐級觀察活塞、連桿等零件的表面摩擦磨損情況，發(fā)現(xiàn)2級活塞的裙部出現(xiàn)了數(shù)條不等的拉痕，同時盤車檢查時，壓縮機已卡滯、無法運動。隨后打開氣缸上端部的缸蓋，取出2級組合閥，發(fā)現(xiàn)氣缸（套）的內(nèi)孔壁上也有數(shù)條拉痕。

針對此故障，操作人員隨后切斷電源，維護現(xiàn)場，后經(jīng)該型空壓機設計、工藝主管人員綜合分析，決定進一步拆卸檢查。當取出二級活塞等零件后，發(fā)現(xiàn)活塞圓周上間斷分布約有9條深淺不一的軸向拉痕，且所有的拉痕基本上貫穿于整個2級活塞的導向部位。同時發(fā)現(xiàn)刮油環(huán)槽上的回油小孔外端表面有棱角，局部還留有毛刺現(xiàn)象。受損后的活塞外形狀況如圖1和圖2所示。

2.2 二級氣缸故障現(xiàn)象

與2級活塞配套的2級氣缸，其氣缸體外圓周設計有冷卻水道，底部有散熱翅片，上端部安裝有組合閥和氣缸蓋，內(nèi)部設計有公稱直徑為φ100 mm的干式氣缸套。在拆下2級氣缸后，發(fā)現(xiàn)氣缸套內(nèi)孔中也出現(xiàn)有軸向的拉痕，并與2級活塞上的拉痕深淺程度相對應，且最短的拉痕有70 mm，最長的接近120 mm。后使用SV-10型內(nèi)孔絎磨機加工0.10 mm后，其拉痕仍部分清晰可見，考慮返工后的缸徑已超過使用極限，缸套按報廢處理了。拉缸后的2級氣缸（氣缸套）內(nèi)部的拉痕情況詳見圖3所示。

圖1 活塞銷孔兩側(cè)的拉痕

圖2 與活塞銷孔垂直方向的兩側(cè)拉痕

圖3 二級氣缸（氣缸套）內(nèi)孔的拉痕

3 空壓機故障原因分析及排查過程

針對發(fā)生的故障現(xiàn)象，分別查閱了各級活塞、氣缸及曲軸箱等零部件的設計圖樣和工藝文件，并重點對2級活塞、2級氣缸及氣缸套等零件的設計配合尺寸進行了逐一核查和復測，最后主要對2級活塞和氣缸的形位公差，即零件的同軸度、垂直度等進行了檢測。經(jīng)過多方復測、核實，發(fā)生故障的空壓機2級活塞、2級氣缸等零部件尺寸及公差基本滿足圖樣設計的要求，但形位公差與設計值要求相差較大。

以下根據(jù)空壓機故障現(xiàn)象，以及2級活塞和氣缸的復測結(jié)果，同時結(jié)合活塞上刮油環(huán)槽回油孔處表面的處理情況，分別對故障發(fā)生的原因進行分析和排查，具體如下。

3.1 2級活塞組件

首先，查閱二級活塞，材質(zhì)為QT600-3，導向部分外徑尺寸設計值為Φ100（-0.072～-0.107）mm，使用瑞典GALAXY型三座標測量儀，經(jīng)復測，其檢測情況是：活塞銷孔上端的尺寸偏差為-0.078 mm，裙部下端的尺寸偏差為-0.065 mm，且上、下端均有輕微失圓現(xiàn)象。由復測結(jié)果可知，2級活塞的導向部分有尺寸不符合設計要求的情況，即裙部下端外徑已略超圖樣設計的尺寸極限偏差，活塞銷孔上端外徑雖符合設計要求，但已接近尺寸極限偏差的上限。2級活塞外形及尺寸復測分布情況如圖4所示。

其次，復測2級活塞銷孔中心線與活塞外徑中心線的垂直度情況，其設計要求值為0.025 mm。經(jīng)復測，結(jié)果為0.036 mm，垂直度超差高達43.2%，產(chǎn)品尺寸已不符合設計要求（發(fā)生故障時，因氣體力、慣性力等力的綜合作用，可能已對活塞形體等產(chǎn)生影響）。

最后，根據(jù)活塞拉痕大部分處在刮油環(huán)槽回油孔附近位置的實況，經(jīng)進一步勘查，2級活塞外側(cè)面上的9條拉痕中，其中有6條均處于刮油環(huán)槽回油孔的位置（一共只設計6個回油孔），且發(fā)現(xiàn)環(huán)槽上的油孔圓周外端面有較明顯的棱角，且沒有進行倒角處理，表面毛刺也較為明顯。

3.2 2級氣缸組件

經(jīng)查，2級氣缸體材質(zhì)為QT450-10，氣缸內(nèi)孔設計要求值為Φ100（0～+0.035）mm，經(jīng)檢測2級氣缸（帶氣缸套） 的尺寸和形位公差，結(jié)果為：壓縮腔端內(nèi)孔的尺寸偏差為+0.011 mm，導向端內(nèi)孔的尺寸偏差為+0.012 mm；氣缸安裝端面與外圓直徑的垂直度設計值要求為0.025 mm，復測結(jié)果為0.079 mm；氣缸安裝端面與安裝定位外徑的同軸度設計值要求為0.025 mm，復測結(jié)果為0.092 mm。由復測結(jié)果可知，氣缸內(nèi)孔的尺寸偏差符合設計要求（但處于上偏差區(qū)域），而形位公差中的垂直度和同軸度尺寸明顯偏大，均不符合設計要求。復測的2級氣缸尺寸位置如圖5所示。

圖4 2級活塞檢測示意圖

圖5 2級氣缸返工復測示意圖

同時，因配套的2級氣缸為水冷結(jié)構(gòu)，其外周圍設計有冷卻水道，機組運行時，排氣溫度將達155℃左右，受此溫度影響，外側(cè)氣缸散熱快，因此活塞受溫度的影響效應比氣缸大，即2級活塞和氣缸受溫度影響后的線膨脹量不一致，導致它們之間的配合尺寸沒有同比例變化，因此也會加劇活塞與氣缸間的摩擦磨損，嚴重時，甚至會出現(xiàn)活塞拉缸抱死的極端情況[5]。

綜合以上分析可知，空壓機故障的主要原因為：在2級活塞銷孔的垂直度和外徑同軸度超差，以及2級氣缸安裝端面垂直度和氣缸內(nèi)孔同軸度也超差的情況下，導致2級活塞在氣缸內(nèi)的運動發(fā)生偏磨現(xiàn)象，加上2級活塞裙部下端外徑尺寸略大于設計值，同時在運行過程中2級活塞和氣缸線性膨脹量的不同步，以及活塞回油孔等零件表面粗糙度等的綜合影響，進而逐步引起活塞先局部摩擦，后導致活塞裙部整體出現(xiàn)拉缸抱死，最后發(fā)生機組報警停機的質(zhì)量故障。

4 故障排除措施

針對該型空壓機發(fā)生的故障現(xiàn)象，并結(jié)合故障發(fā)生的過程及原因分析，進一步復核了圖樣設計要求，并同步梳理了零件的加工工藝路線。同時，復測了2級活塞等同一批次的零部件，對尺寸和形位公差不符合圖樣設計要求的，經(jīng)測算無法校正返工處理的直接報廢，最后，經(jīng)多方研判，綜合提出了以下幾個方面的解決措施。

（1）按圖樣設計要求，復測了2級活塞，其尺寸均符合設計的要求，但因返工會造成活塞重量的變化，而活塞重量影響曲柄連桿機構(gòu)的動平衡性。經(jīng)綜合權(quán)衡，重新加工了2級活塞，其主要加工過程為：A、B基準確定后，加工活塞外徑，以保證同軸度的要求；轉(zhuǎn)序，裝夾定位后，精鏜活塞銷孔，以保證垂直度要求；按要求轉(zhuǎn)序，所有加工完成后待裝。為擴大檢測范圍，在活塞銷孔上、下兩側(cè)分別各取一個點進行測量，同時為控制外徑失圓程度，在X和Y兩個方向上分別測量之。

（2）因為2級氣缸采用的是干式缸套，且產(chǎn)生的拉痕主要在缸套內(nèi)孔中，因此，可以更換一只新缸套后返工處理，其主要加工過程為：裝入新缸套，一次裝夾氣缸上端部，校調(diào)氣缸安裝端部的外圓，后加工氣缸下端的安裝端面，從而保證了安裝端面與外徑的垂直度要求；轉(zhuǎn)下道工序，裝夾上道工序加工后的安裝端面，并以氣缸下端安裝外徑為基準，精鏜加工氣缸套內(nèi)孔，保證氣缸內(nèi)孔與安裝外徑的同軸度要求；轉(zhuǎn)序，使用內(nèi)孔絎磨機完成氣缸內(nèi)孔的精磨加工；按工藝要求進行其它部位的加工，完成后待裝。

同樣為保證活塞在整個氣缸運動區(qū)域內(nèi)尺寸的一致性，在氣缸套內(nèi)選取了壓縮腔端和導向端側(cè)的上、下2個點進行測量，同時，為檢測內(nèi)孔失圓情況，也在X和Y2個方向上分別測量之。

（3） 根據(jù)該機發(fā)生故障的其它因素，如刮油環(huán)槽處的回油孔外側(cè)圓周端面未倒角或有毛刺現(xiàn)象，后續(xù)加工時，逐一對6個回油孔外端面進行倒角處理，以實現(xiàn)回油孔通道順暢，確保機組運行時產(chǎn)生的鐵屑微粒等硬質(zhì)異物在回油孔位置不出現(xiàn)滯留或富集現(xiàn)象。裝配時，在倒角的基礎上再進行手工研磨，以進一步降低回油孔局部尺寸及表面粗糙度可能對活塞運動產(chǎn)生的影響。

5 試驗驗證

在完成2級活塞和2級氣缸的加工和檢測后，按照裝配工藝的要求完成了復裝。

根據(jù)GB/T 3853-1998容積式壓縮機驗收試驗[6]中的相關規(guī)定，以及空壓機試驗大綱等技術(shù)文件要求，在相同試驗環(huán)境下，重新進行了開機試驗。試驗期間，按照開機磨合、空載運行、負載運行及滿載運行的順序依次進行了試驗和記錄。在整個試驗過程中，直至超壓試驗結(jié)束，2級活塞均未出現(xiàn)之前的拉缸現(xiàn)象了。同時，為進一步查驗磨損情況，對2級活塞和氣缸進行了拆卸檢查，其活塞導向部位和氣缸套內(nèi)孔摩擦面完全正常。在此基礎上，又拆卸檢查了其它各級活塞情況，經(jīng)檢測，其配合表面的磨損量及紋路也均正常。

6 結(jié)語

目前，易損件的質(zhì)量問題一定程度上制約了空壓機的可靠性，但活塞等運動件的正常工作是空壓機安全、可靠運行的基礎。

通過本款空壓機出現(xiàn)的故障現(xiàn)象，同時結(jié)合故障產(chǎn)生的狀態(tài)和過程分析，找出了尺寸公差和形位公差對產(chǎn)品質(zhì)量的影響程度，綜合提出了相應的解決措施，后經(jīng)一系列試驗，驗證了解決措施的可行性和正確性。同時，對本次出現(xiàn)的質(zhì)量故障進行分析、總結(jié)，不僅能給空壓機的故障診斷及設備檢修提供參考和方法，而且可以加深對尺寸公差和形位公差的認識和理解。不斷總結(jié)類似的質(zhì)量問題，對改進零部件的設計工作，尤其是進一步優(yōu)化空壓機運動件的尺寸公差和形位公差及其配合關系，具有一定的參考價值。