淺談L型壓縮機十字頭銷側板緊固螺栓斷裂的原因.(張波)doc

1、淺談L型壓縮機十字頭銷側板緊固螺栓斷裂的原因張波獨山子煉油廠鉗工車間摘 要：本文主要根據(jù)L型往復式壓縮機的曲軸、連桿、十字頭、活塞等部件的運動幾何關系，從壓縮機十 字頭銷受力情況著手，分析了十字頭銷側板緊固螺栓斷裂的主要原因，并提出了改善意見。關鍵詞:十字頭銷；螺栓斷裂；往復式壓縮機一、問題的提出我廠n火炬裝置采用4L-35心54.5型壓縮機對瓦斯氣進行加壓后回收，該壓縮機的運行狀況直接關系著整個裝置的平穩(wěn)。自裝置開工以來，巡檢、檢修人員曾先后多次發(fā)現(xiàn)過壓縮機十字頭銷側板緊固螺栓有斷裂的現(xiàn)象，由 于處理及時避免了惡性事故的發(fā)生。這里對螺栓斷裂的原因進行分析。該L型壓縮機的原動機驅(qū)動曲軸作勻角速

2、度轉(zhuǎn)動,二、問題的分析4個M10的緊螺栓將十字頭銷曲軸帶動的連桿在一定的角度內(nèi)擺動，連桿又帶動十字頭、 活 塞做往復運動。連桿與十字頭通過兩端帶有錐度的十字頭銷連接。十字頭銷側板依靠定位，防止脫落?，F(xiàn)場分析，4個緊固螺栓中有1個斷裂（嚴重的一次四個螺栓全部斷裂），斷裂部位為螺栓與十字頭體連接處的螺紋根部。斷裂的主要原因初步分析為螺栓上時間承受一個變量的軸向拉力（推力），有疲勞斷裂的跡象。amL型壓縮機臥缸十字頭及活塞組件受力分析示意圖圖（1）270°180°10I、以臥缸為例，對十字頭的受力、運行進行分析連桿力Pt，側向力N圖（1）所示，曲軸在 0°90°

3、;180°運行階段，連桿在下半平面內(nèi)運行，連桿對十字頭施加的拉力（稱之為連桿力Pt ）產(chǎn)生一垂直向下的分力N;在180°270°0°運行階段，連桿在上半平面內(nèi)運行，連桿對十字頭施加的推力亦產(chǎn)生一垂直向下的分力N/。該分力N沿十字頭滑板等值地傳遞到十字頭滑道上，我們將十字頭滑板作用于十字頭滑道上的力 M稱為側向力。該側向力與十字頭本身重力，以及連桿、活塞桿作用在十字頭上的重力組成合力，使十字頭貼著下滑道運行。氣體力P,活塞力P活塞連桿對十字頭的作用力產(chǎn)生一垂直于十字頭滑道的側向力N的同時，該連桿力還產(chǎn)生一水平、 沿氣缸中心線方向P,氣體力P等于工作容積內(nèi)氣

4、體的瞬間壓的作用力P,這個作用力通過活塞拉桿、活塞傳遞下去，最終作用于壓縮后的高壓氣體上。氣缸工作容積內(nèi)氣體作用于活塞端面上的力稱為該工作容積的氣體力 力P與活塞面積 A的乘積。即：P= P AP活塞。對于L型壓縮機（雙作用式）來說，活塞在內(nèi)、外止點時受到的氣體力數(shù)值最大，稱為活塞力n、力的合成及效果連桿對十字頭的作用力，其實是對十字頭銷的作用力。作用于十字頭銷的是一種空間力系，十字頭銷的中段受到連桿小頭瓦的作用力（拉力或推力）,銷的兩端受到活塞桿通過十字頭體傳來的綜合活塞力Pw以及滑道給予十字頭的反作用力 N（ N= N），三個作用力的合成效果使得十字頭銷處于平衡狀態(tài)（靜止）或加速度（減速度

5、）運動狀態(tài)。當壓縮機正常運行時，其氣體力P往復慣性力I及往復摩擦力Rs都同時存在，這些力都沿著氣缸中心線方向,這些力的代數(shù)和稱為壓縮機的綜合活塞力Pw。Pw = P+I+ R SRs和往復慣性力往復摩擦力RS可看作是活塞環(huán)與氣缸壁、活塞桿與填料函、十字頭滑道與滑板等所有往復運動摩擦力的總和。在分析十字頭銷受力的時候，因十字頭及活塞的質(zhì)量較小、壓縮機的轉(zhuǎn)速相對較低，對往復摩擦力I不予考慮和參與計算。故：P刀=P根據(jù)資料1N P tg r sinPtgP刀和連桿在水平方向上因側向力N'和滑道給予十字頭的反作用力N是一對作用力與反作用力，故綜合活塞力產(chǎn)生的分力P/的合力決定著十字頭的運行狀態(tài)

6、當a =0 （或n）時:活塞組件置于外（內(nèi)）止點，活塞和十字頭處于運動速度為零的平衡狀態(tài)；連桿處于水平方向、連桿中心線與可見，這時作用于十字頭銷兩端的力僅為氣體力P （活塞力）。N' ，N =0。氣缸中心線間夾角B =0。這時連桿在垂直方向上不產(chǎn)生一垂直于十字頭滑道的分力(n)時:連桿力Pt在垂直方向上產(chǎn)生一分力N',該分力與滑道作用于十字頭（銷）上的作用力N為一對作用力與反作用力。N' =N。連桿力態(tài)。可見，這時用于十字頭銷兩端的力為氣體力P和側向力的反作用力 NoPt在水平方向上的分力 P與氣體力P的合力決定了十字頭（銷）是處于加速度還是減速度的運動狀川、沿十字頭銷

7、軸線方向產(chǎn)生的軸向力Fa的計算。Fa；但對于L型壓縮機采上述作用于十字頭銷上的各個力，對于直銷來說，不產(chǎn)生沿十字頭銷軸線方向上的分力用的兩端帶有同樣錐度的銷來說，N、P作用于銷的兩端錐面，作用力方向垂直于銷的軸線，這必將產(chǎn)生一沿銷錐面的F再一次分解為與N、力f和一沿錐面法線的力 F。沿錐面方向上的力 f有使十字頭銷滑動的趨勢，而沿錐面法線的力P同向的力N分、P分和十字頭銷軸向的力Fa、Fa(7習Fa-十字頭銷結構、形狀示意圖圖（三）作用于十字頭銷錐面的力產(chǎn)生軸向分力示意圖圖（二）活塞（十字頭）的運動學分析，如圖（一）所示。活塞（十字頭）的位移由外止點開始計算，當曲柄的轉(zhuǎn)角為a時，活塞位移為:r

8、 I rcosI cos因l sin B = r sin a ,即sinsin故cosV12 . 2 sin所以:Xr lr cosl cosXr lr coslj1Xr(1cos ) l1 J12 - 2Sin2 . 2 sin由壓縮機循環(huán)指示圖可知,當活塞處于不同的位移處Xi,作用于活塞兩端面（蓋側和軸側）的瞬間氣體力P將不同。壓縮過程中的氣體壓力，根據(jù)過程方程為2SoPsm/膨脹過程中的氣體壓力，根據(jù)過程方程為2SoXisoPdP i_壓縮過程中任意某位置Xi時的氣體瞬間壓力So余隙容積的當量行程（S=Sa, S為行程，a為相對余隙容積）m, m/ 壓縮、膨脹過程的當量多變指數(shù)。（在本文

9、中取m=m=1.2 )3當a =0（或n）時，活塞處于外止點，連桿處于水平方向B=0,活塞外端面受到最大的氣體壓力，即排氣壓力p d?；钊麅?nèi)端面受到氣體壓力為吸氣壓力ps。即；P= P dA- p sA 1這時只有氣體力作用于十字頭銷的兩端錐面上，最終沿十字頭銷的軸線方向上產(chǎn)生的力只有軸向分力F/a.根據(jù)圖（二）的幾何關系:F/a= P cos coscos r 250.999cos1(0.039968T125氣體力P通過十字頭體傳遞后作用到十字頭銷的錐面后產(chǎn)生的軸向力Fa由側板的四個緊固螺栓承受，現(xiàn)計算螺栓截面上承受的軸向動載荷Fa以及僅在動載荷Fa作用下的拉應力b。（視螺栓為松螺栓連接）F

10、/4ss 5.5 10 5m24(d 為 M10的螺栓小徑，d=8.37mm)曲柄轉(zhuǎn)角a活塞外、內(nèi)端面的位移Xi、X'i (mm活塞外、內(nèi)端面氣體壓力氣體力P (P可(N)軸向分力Fa (N)軸向拉應力d (MP a)p i、Pi (MP a)a =0°X=0 ;X/i=240p i=0.45 ;p=0.05-385751540.27a =15°X=5.09 X1=234.91p i=0.183 ;p /i =072.3a =25°Xi =14.24 X1=225.76p i =0.1809 ;p /i =0.0537-122

11、38488.62.22a =30°X=17.29 X/i=222.71p i =0.06775;p /i =0.0545-1375.470.025a =35°X=26.7 X1=213.3p i=0.05 ;p /i =0.0574+59023.560.11a =45°X =42.57 X/i=197.43p i =0.05 ;p i=0.0593+78231.220.14a =55°X =61.25 X/i=179.75p i=0.05 ;p /i =0.0707+185974.230.34a =65°X =84.78 X/i=155.22p

12、 i =0.05 ;p /i =0.0834+3059122.140.55a =75°X =102.45 X/i=137.55p i =0.05 ;/p i =0.0957+4218168.40.76a =90°X=135X/i=205p i=0.05 ;p /i=0.131+7590303.11.38a =105°X=164.55 X/i =79.45p i=0.05 ;p /i =0.19+13160525.52.39a =120°X=191.5 X/i=48.5p i=0.05 ;p /i=0.32+2543410154.62a =135°

13、;X=212.8 X/i=27.2p i=0.05 ;p /i=0.45+376201502.16.82a =150°X=227.5 X/i=12.5p i=0.05 ;p /i=0.45+376201502.16.82a =180°X=240 X /i=0p i=0.05 ;p /i=0.45+376201502.16.82a =195°X=234.95 ;X/i=5.05p i=0.0512 ;p /i =0.1689+11011439.62.0a =205°X=226.18 X/i =13.82p i =0.0536 ;p /i =0.0749+1

14、91376.40.35a =210°X =224.8 X/i=15.2p i =0.054 ;p /i =0.0685+126550.50.23根據(jù)公式及附表中所列壓縮機的幾何、工藝參數(shù)得到:表一1a =215°X=219.4 X 1=20.6p i =0.056 ；p /i =0.05088+58923.50.11a =225°X =206.6 X=33.4p i =0.0595 ； p / i=0.05-100842.250.18a =235°X=191.2 X 1=48.8p i =0.0653 ； p / i=0.05-156662.50.28a

15、 =245°X=182.2 X 1=57.8p i =0.0691 ；p i=0.05-193377.10.35a =255°X=164.7 X /i=75.3p i =0.077 ；p i=0.05-2692107.50.48a =270°Xi =135 X 1=105/p i =0.098 ；p i=0.05-4716188.30.86a =285°X=102.6 X /i =137.4p i=0.133 ；p i=0.05+8093323.11.46a =300°X=74.5 X 1=165.5p i= 0.194 ；p /i=0.05+

16、13945556.82.5a =315°X =42.46 X 1=197.54p i= 0.35 ；p /i =0.05-292401167.55.3a =330°X=19.68 X /i=220.32pi =0.45 ；p /i=0.05-385751540.7a =360°X=0 X /i=240pi =0.45 ；p /i=0.05-3857515407注：1 、Xi為活塞外端面距缸蓋的位移；X/i為活塞內(nèi)端面距曲軸側氣缸端面的位移。不同的力將作用到2、表中“ +”表示氣體力使活塞桿受拉；“-”表示氣體力使活塞桿受壓；“ 銷兩端錐面的相反位置上。3、按照公式

17、算得的壓縮后的氣體壓力若大于排氣壓力Pd=0.45 MPa，取值0.45 MPa ;按照公式算得膨脹后的氣體壓力若小于吸氣壓力Ps=0.05 MPa，取值0.05 MPa。N也將不同。當曲柄轉(zhuǎn)角a不同時，側向力N和作用于十字頭銷上的側向力N的反作用力（視螺栓為松螺根據(jù)公式算得作用于銷錐面上的力N以及N在螺栓軸向上產(chǎn)生的分力 Fa、拉應力/栓連接）表-2曲柄轉(zhuǎn)角a氣體力P(P - )(N)N(N =-N)N的軸向分力F/ aN產(chǎn)生的軸向拉應力/總軸向分力/ /F a+F a(N)總軸向拉應 力b 2(MP a)a =0-385750001540.27a =25°-12338-12585

18、0.20.228534.82.45a =30°-137-16.50.650.0026.120.027a =45°+782+ 141.5.5.620.2536.840.39a =65+ 1859+41616.60.0741390.624a =90°+7570+ 1871.674.70.34377.81.72a =120°+25435+5405215.80.981230.85.6a =150°+37620+4547.6181.60.821683.77.64a =180+376200001502.16.82a =195°+11101-691

19、27.60.125467.22.125a =215°+589-81.33.20.01426.70.0124a =225°-1008+195.37.80.03550.050.215a =235-1566+31412.50.056750.336a =270°-4716+109743.80.19232.11.05a =285°-8093+193077.060.35400.161.81a =300°-13945+2966118.40.54675.27.54a =330°-38575+4666186.30.841726.37.84a =345&

20、#176;-38575+240395.90.4316367.43a =360°-3857500015407a-/i-v滑道對十字頭的作用力 N同曲柄轉(zhuǎn)角a關系曲線圖圖（五）圖（五）中，“+”表示連桿對十字頭的作用力在垂直方向上的分力向下，滑板對下滑道產(chǎn)生壓力表示連桿對十字頭的作用力在垂直方向上的分力向上,滑板對上滑道產(chǎn)生壓力。 從圖可知，大部分時間十字頭貼著下滑道運行,對下滑道產(chǎn)生壓力。只是運動到內(nèi)外止點附近，側向力接近或等于零， 十字頭才會緊貼著上滑道運行。J"、一"*3 ° a圖（六）N+P作用到十字頭銷錐面后產(chǎn)生的軸向拉應力的合力oE同曲柄轉(zhuǎn)角a的

21、關系曲線圖結論:從表一2及圖（六）可以看出，氣體力P（綜合活塞力）與反側向力N對十字頭銷兩端錐面的作用力在十字頭銷軸線方向上產(chǎn)生的合拉應力的值為變量。（視螺栓為松連接，即螺栓單純承受氣體力P和反側向力N在十字頭銷軸向方向上的分力 F/a+F/a，暫不考慮螺栓預緊力）bamin =0.0124 MPaEmax =7.84 MPa該循環(huán)應力的循環(huán)特性rmin OMPa故該循環(huán)應力為脈動循環(huán)變應力。maxW、螺栓連接的可靠度計算（校核）對于在脈動循環(huán)變應力作用下的緊螺栓，其失效的主要模式為螺栓疲勞斷裂。應力幅和應力集中是導致螺栓疲勞斷裂的主要原因4。下面計算螺栓連接的可靠度。螺栓材料為45 號鋼，O

22、s=360 MPa ,(Tb =600MPa。查表知螺栓拉伸疲極限為CT 1 =195 MPa計算螺栓的工作應力幅單個螺栓的工作載荷均值F和標準差OF為:F+F；1726.34431.57 (N)11- AF二一431.57 15%= 21.58 (N)33411(允許軸向載荷偏差15%，工藝參數(shù)的變化可導致氣體力P的變化，同時軸向力 Fa變化)螺栓的工作應力幅2F齊二 0.3C1 C2d1Ci2431 572 1.18(MPa) 亠為螺栓的相對剛度系數(shù)5，取值見下表,3.14 8.37C C2表一3。墊片類別金屬墊片或無墊片皮革墊片銅片石棉墊片橡膠墊片C1C1C20.2 0.30.70.8取

23、工作應力幅的變異系數(shù)同載荷的變異系數(shù)。OF-oa_ O21.58431.571.180.0423(M Pa)(2)計算螺栓的極限應力幅81螺栓的極限應力幅的均值O81b 1 £KmKuK.01 光滑試件的拉伸疲勞極限均值螺紋連接的尺寸系數(shù),見表-4 .Km 制造工藝系數(shù)切削螺紋及滾壓后熱處理的螺紋Km=1 ；熱處理后滾壓的螺紋,Km =1.25Ku 螺紋牙受力不均勻系數(shù)，受壓螺母Ku=1,受拉螺母Ku=1.5-1.6螺紋應力集中系數(shù)(對標準的牙根圓半徑)，具體數(shù)值見表一5。螺紋聯(lián)接尺寸系數(shù)£D(mm)< 121620243036424856£10.870.8

24、00.740.650.640.600.570.54表4Ob (MP a)400106008001000K b33.94.85.2表5螺紋應力集中數(shù)Kb根據(jù)上述各表：尺寸系數(shù)：D=10,取值 £=1 ;螺紋牙受力不均勻系數(shù)：受壓螺母，取值Ku =1 ；螺紋制造工藝系數(shù):切削螺紋，取值Km =1 ；應力集中系數(shù):(Tb = 600M Pa,取值K, =3.9則極限應力幅均值-195 1陽=3.9150 MPa極限應力幅的變異系數(shù)可取0.08，則極限應力幅的標準差為0.08 bal 4MPa.(3)計算螺栓連接的可靠度。螺栓連接的聯(lián)接系數(shù)ZR為:ZRbalba50 1.18J42 0.04

25、23212.205查標準正態(tài)分布表可得螺栓連接具有非常高的可靠度。可見在4個螺栓受力均勻的狀態(tài)下， 螺栓極不易疲勞斷裂。若四個螺栓預緊的程度不一致，有單個螺栓受力(理想狀況下，即相當于4個M2.5螺栓均勻受力)，則螺栓連接的可靠度發(fā)生了變化。單個螺栓受力的情況下的工作應力副:單個螺栓的工作載荷均值/ _/a+F a1726.3( N)單個螺栓的工作載荷均值的標準差1AF =31726.315 % =86.3 ( N)螺栓的工作應力幅：b尋0.3C1C2d1C12 1726.33.148.3724.7 2取工作應力幅的變異系數(shù)同載荷的變異系數(shù):bF ba86.31726.34.720.23(M

26、Pa)螺栓連接的聯(lián)接系數(shù) ZR1 ZRbal4.7212 2V boalb ba50擰 0.2311.3215查標準正態(tài)分布表可得：即使單個螺栓受力，螺栓連接仍具有具有非常高的可靠度。M1段?？梢?，對于如此T 0.2FaD 取值7。Fa M1.3(JS取值(Ts =360 MPaS=4 Fa3.14 8.37241.3903807.3(N)T 0.2 3807.3 107414.6N gmm對于在檢修現(xiàn)場經(jīng)常使用的 8英寸（200mm扳手來說，在扳手柄部末端施加的f 約為 f=38.1(N)對于在檢修現(xiàn)場經(jīng)常使用的10英寸（250mm扳手來說，在扳手柄部末端施加的f 約為 f=29.6(N)在使用棘輪套筒扳手時可將其值按上述設定。增大緊固螺栓的公稱直徑以增大螺栓的承