往復(fù)壓縮機(jī)活塞桿跳動機(jī)理研究及實(shí)際應(yīng)用

吉小飛，陳緒東，馬文禮，秦 東，馬 旭，李 冬

(1.新疆同益投資有限公司檢維修工程分公司，新疆 克拉瑪依 834003；2.中石油克拉瑪依石化有限責(zé)任公司，新疆 克拉瑪依 834003)

1 引言

在石油化工生產(chǎn)中，往復(fù)壓縮機(jī)作為氣體的主要動力源，其體量和質(zhì)量關(guān)系到生產(chǎn)裝置規(guī)模的大小和運(yùn)行的穩(wěn)定性。在生產(chǎn)運(yùn)行過程中壓縮機(jī)的磨損是不可避免的而且伴隨著使用年限增長，存在各部件法蘭面螺栓松動等等原因都可以導(dǎo)致活塞桿的跳動增大，這種狀況都會影響機(jī)組的密封性甚至損壞填料環(huán)、支撐環(huán)。所以我們在實(shí)際檢修過程中為針對活塞桿跳動值超標(biāo)，我們可根據(jù)設(shè)備圖紙了解各種廠家的十字頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)活塞桿跳動，此項(xiàng)措施對生產(chǎn)穩(wěn)定性和節(jié)約成本意義重大。本文主要以API618為基準(zhǔn)參考各項(xiàng)輔助資料和文獻(xiàn)闡述活塞桿跳動超標(biāo)產(chǎn)生的原因以及對壓縮機(jī)的主要影響。

2 決定活塞桿跳動值的因素

活塞桿跳動值分為冷態(tài)、桿本身撓度、壓縮機(jī)慣性力和摩擦熱影響。API618附錄C中講明活塞桿徑向跳動定義為用手動盤車使活塞桿慢慢移動過全沖程與活塞桿接觸的百分表測量值與固定位置的讀數(shù)的差值，此差值也可以理解為冷態(tài)跳動值，垂直徑向跳動隨著沖程、活塞桿長度、活塞桿下垂和十字頭及氣缸之間的工作間隙的差別而變化。

2.1 冷態(tài)影響因素

2.1.1 磨損影響

壓縮機(jī)檢修前后都要測量跳動值，用來分析此次的支撐環(huán)和氣缸的磨損程度(也可以在拆解完后分別測量支撐環(huán)的厚度和氣缸的直徑、錐度)。磨損將直接影響到滑履和氣缸的中心線偏移而活塞桿跳動主要取決于兩者的水平對中情況，因此兩端磨損量直接影響到桿的跳動。

2.1.2 裝配精度的影響

活塞桿和十字頭裝配過程中，配合精度達(dá)不到也依然影響桿的跳動值。活塞桿通過法蘭盤拉伸緊固，受配合面精度的影響可能在裝配后出現(xiàn)跳動值過大情況，應(yīng)從新研磨再裝備。

2.1.3 活塞桿垂直徑向跳動圖示分析

冷態(tài)徑向跳動讀數(shù)為零以外的數(shù)值時(shí)不一定是對中不好的標(biāo)志，當(dāng)所有的部件真正對中時(shí)，

基本幾何關(guān)系視圖1，活塞和十字頭中心線在冷態(tài)狀態(tài)下應(yīng)低于理想對中，中心線為間隙的一半，十字頭中心線剛好為間隙的一半但活塞中心線低于氣缸的一半，此二分之一的間隙差稱為ΔDROR(降差)，基本幾何關(guān)系可看成直角三角形[2]。

圖1 活塞桿冷態(tài)垂直徑向跳動圖

實(shí)際壓縮機(jī)的尺寸與圖示的尺寸可能差別較大，有些則可能比較接近或相同，由于垂直徑向跳動隨著沖程、活塞桿長度、活塞桿下垂和十字頭及氣缸之間的工作間隙的差別而變化。以下為理想條件下活塞桿下垂引起的徑向跳動算法。

降差=1/2活塞和十字頭工作徑向差值

2.2 桿的撓度影響

在外力作用下，軸的中心線由直線變曲線，變彎后的軸，稱為撓曲軸，它是一條連續(xù)光滑的曲線。對于細(xì)長桿，剪力對其變形的影響一般可以忽略不計(jì)，彎曲時(shí)各橫截面仍保持平面，橫截面形心垂直于桿軸向方位的位移為撓度。

(1)

撓度作為桿簡單靜不定分析，是產(chǎn)生跳動的必要且重要因素[3]。

2.3 綜合活塞力分析

綜合活塞力始終作用在氣缸、十字頭、活塞桿中心線上，其大小等于氣體力FP=∑piA、往復(fù)慣性力、往復(fù)摩擦力三者之和。

圖2所示綜合活塞力FP作用在十字頭銷點(diǎn)A處，可以分解出垂直氣缸中心線的FN和沿連桿的力FL，矢量關(guān)系圖見圖中矢量幾何三角形[6]。

圖2 綜合活塞力的作用力分析

分力計(jì)算(對于偏置型曲柄連桿機(jī)構(gòu))

(2)

MN=FP(sinθ+tanβcosθ-k)

(3)

此力矩為曲軸旋轉(zhuǎn)方向傾倒的力矩，屬于外力傳到基礎(chǔ)并引起振動，故壓縮機(jī)在運(yùn)動過程中基礎(chǔ)振動影響活塞桿往復(fù)運(yùn)動的跳動值，長久情況下加大磨損量或使框架螺母松弛都有可能影響整列缸的中心線，故在設(shè)計(jì)過程我們采用偏置式曲柄連桿因?yàn)樗戎行氖角B桿的傾覆力矩小的多[4]。

3 活塞桿跳動實(shí)際調(diào)節(jié)

活塞桿由十字頭和氣缸支撐，跳動值直接反應(yīng)整列缸的對中情況，壓縮機(jī)往復(fù)運(yùn)動過程中出現(xiàn)氣缸、滑履等部件的磨損，從而嚴(yán)重影響活塞桿在整列缸的跳動。因此保證活塞桿的跳動值在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，氣缸磨損不可避免因而研究不同十字頭的機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)對如何微調(diào)活塞桿的跳動，本節(jié)主要總結(jié)：(1)德萊塞蘭；(2)紐曼-埃索；(3)HLX三種常見十字頭分析機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行活塞桿微調(diào)。

4.嚴(yán)格執(zhí)行制度，規(guī)范黨內(nèi)生活。嚴(yán)肅黨內(nèi)政治生活是全面從嚴(yán)治黨的根本性基礎(chǔ)工作。一直以來，寶勝集團(tuán)嚴(yán)格按照《航空工業(yè)黨建工作規(guī)范》和兩個工作手冊，對標(biāo)整改，堅(jiān)持“三會一課”、民主生活會、組織生活會、民主評議黨員等行之有效的制度，始終把進(jìn)一步加強(qiáng)和規(guī)范黨內(nèi)政治生活作為寶勝黨委的重要責(zé)任，狠抓落實(shí)，不斷加強(qiáng)和規(guī)范黨內(nèi)組織生活。

3.1 德萊塞蘭十字頭

十字頭與活塞桿連接部件采用最初美國德萊塞蘭設(shè)計(jì)的法蘭盤連接部件，該部件由法蘭盤、墊片、調(diào)節(jié)板等主要零件構(gòu)成。工作原理：法蘭盤在活塞桿彈性恢復(fù)狀態(tài)下，由主螺母和活塞桿尾部形成螺紋副將法蘭盤固定在活塞桿上，而法蘭盤通過液壓螺母固定在十字頭上，實(shí)現(xiàn)拉伸緊固。十字頭處的墊片厚度根據(jù)出廠設(shè)置用來固定止點(diǎn)間隙，檢修前后需要架表或用水平儀來觀察活塞桿的跳動情況若跳動超過廠家的標(biāo)準(zhǔn)值，可以通過調(diào)節(jié)板調(diào)節(jié)活塞桿的徑向、水平跳動。調(diào)節(jié)板的微調(diào)原理是通過活塞桿與十字頭配合處存在間隙值來達(dá)到上下左右微調(diào)的目的[5]。

3.2 紐曼-埃索十字頭

紐曼-埃索型十字頭整體采用插進(jìn)夾緊結(jié)構(gòu)，活塞桿的凸緣部分與限位卡盤接觸通過縮頸螺栓和液壓螺母打壓壓緊在法蘭盤上，桿尾部被壓緊到十字頭中心凹槽用沉頭螺釘連接的止點(diǎn)間隙調(diào)整墊片，從而實(shí)現(xiàn)活塞桿的緊固，并有與活塞桿配合的偏心環(huán)組，可以微調(diào)活塞桿的徑向跳動量。

當(dāng)活塞桿超過規(guī)定值，使用專用工具將銷插入偏心環(huán)銷孔中，通過偏心環(huán)不同的厚度，旋轉(zhuǎn)偏心環(huán)調(diào)整活塞桿的徑向跳動量(通過表行程)旋轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)根據(jù)不同的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行，調(diào)整完后用鎖緊螺母將偏心環(huán)固定打壓鎖緊，盤車讀值，調(diào)節(jié)過程與德萊塞蘭一樣，符合標(biāo)準(zhǔn)即可。

3.3 螺紋副連接緊固

液壓拉伸緊固器作為十字頭和活塞桿的連接部件，分為HLX和WX-YLD兩種，結(jié)構(gòu)和工作原理大致相同，都有旋入十字頭的螺紋套、支撐體、擴(kuò)張?bào)w(帶有內(nèi)螺紋套)、鎖緊螺紋等部分組成，外形結(jié)構(gòu)稍有差異，配合連接。通過螺紋拉伸連接緊固的活塞桿中心固定，不具有整體調(diào)節(jié)的性能。

此上介紹3種十字頭與活塞桿拉伸緊固機(jī)械結(jié)構(gòu)，對于兩頭凸緣型活塞桿與十字頭配合存在間隙，通過調(diào)節(jié)降低活塞桿的跳動值，讓其符合標(biāo)準(zhǔn)，而對于螺紋配合不具有調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，還有一種調(diào)節(jié)方式可以通過調(diào)節(jié)十字頭上的滑履墊子使其降低活塞桿的跳動值，但不管是可調(diào)節(jié)十字頭結(jié)構(gòu)還是加減滑履墊子都需要根據(jù)具體的工況進(jìn)行準(zhǔn)確的問題分析，制定方案進(jìn)行維修。

3.4 十字頭墊片的調(diào)整

以KP60為例，旋轉(zhuǎn)慣性力對壓縮機(jī)的十字頭存在上下工作面的問題，在安裝過程中氣缸是按滑履的受力面的來找中，以確定實(shí)際運(yùn)行中保證都在中心位置。在調(diào)節(jié)十字頭滑履墊片的情況下不管受力面在上或者在下都以靜態(tài)實(shí)際跳動為準(zhǔn)，在保證滑履間隙在合適的標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)若十字頭高可以取下補(bǔ)上，十字頭低取上補(bǔ)下，遵循2倍原則達(dá)到微調(diào)活塞桿跳動值的目的[6]。

4 調(diào)整后的實(shí)際運(yùn)用

4.1 傾覆力減少

活塞桿在整列缸中往復(fù)運(yùn)動過程中導(dǎo)向環(huán)與缸體的磨損非常可觀，活塞環(huán)和導(dǎo)向環(huán)在磨損一定周期就要更換，但缸體的磨損將是永久的，這也是直接導(dǎo)致活塞桿的沉頭使跳動增大，將活塞桿調(diào)到標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)本質(zhì)是改變連桿和活塞桿的角度，使綜合活塞力作用在主軸上的分力減少，從而降低振動值。

4.2 填料的影響

密封環(huán)在填料盒中存在軸向和徑向間隙，當(dāng)氣缸磨損使活塞桿跳動增大時(shí)直接影響到填料徑向間隙，若徑向間隙減少超過標(biāo)準(zhǔn)值，密封環(huán)會受到除氣體力外的壓力作用，密封環(huán)圓周被磨的發(fā)亮或有傷痕。在調(diào)節(jié)跳動時(shí)我們也應(yīng)注意部分填料的徑向間隙。

表1 壓縮機(jī)調(diào)整前后振動數(shù)據(jù)

固定彈簧的斷裂除彈簧本身質(zhì)量問題外可能受到脈沖作用力導(dǎo)致的機(jī)械性斷裂，密封環(huán)在活塞桿往復(fù)運(yùn)動時(shí)，杯中氣體壓力形成平衡腔后密封環(huán)受到氣體壓力形成自緊，當(dāng)活塞桿的跳動值超過標(biāo)準(zhǔn)值后密封面與杯壁不平行，在杯中隨軸往復(fù)運(yùn)動時(shí)不斷地掰折使其造成機(jī)械性斷裂。

5 結(jié)語

(1)活塞桿跳動增大的表現(xiàn)形式分為兩種：(a)氣缸與中體滑道的中心出現(xiàn)徑向位移或者錯位使活塞桿跳動值超標(biāo)；(b)滑履、氣缸在運(yùn)行過程中不斷地磨損使其同心度下移，以及各部件受熱膨脹的影響、加工誤差、測量偏差都可以導(dǎo)致跳動增大。

(2)活塞桿跳動超標(biāo)對機(jī)組振動、氣密性影響較大，甚至損壞填料、支撐環(huán)、活塞環(huán)。因此使活塞桿跳動符合標(biāo)準(zhǔn)以提高設(shè)備的穩(wěn)定性，降低維修材料費(fèi)用至關(guān)重要，同時(shí)也為國內(nèi)相關(guān)石化設(shè)備人員處理類似問題提供了借鑒和參考。