K202A活塞桿斷裂失效分析

1、增壓機(jī)是連續(xù)重整裝置的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備，它的機(jī)型是M-156.9/2.4-22.3對(duì)稱平衡型大型往復(fù)壓縮機(jī)，它的運(yùn)行狀況直接影響該裝置及它的下游裝置的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。2004年1月26日，K202A 一級(jí)A 缸發(fā)生了活塞桿斷裂的重大事故，給安全生產(chǎn)帶來了重大隱患。1. 機(jī)組的主要參數(shù)M-156.9/2.4-22.3型重整增壓機(jī)是由上海壓縮機(jī)有限公司制造，最大名義活塞力為 不久壓縮機(jī)便聯(lián) 鎖停機(jī)。后來操作人員再次開啟該壓縮機(jī)后，發(fā)現(xiàn)該壓縮機(jī)振動(dòng)很大，并在級(jí)A 缸一列處聽到了撞擊聲，而且聲音越來越大，為了安全起見，操作人員決定緊急停機(jī)。停機(jī)后解體檢查，發(fā)現(xiàn)級(jí)A 缸活塞桿已經(jīng)斷裂。斷口位于活塞桿與鎖緊螺母旋合

2、的最后23道螺紋根部。如圖1所示，圖中粗線為斷裂面。斷裂面基本上與活塞桿垂直，活塞桿斷裂面的直徑為95mm 。故障發(fā)生后，事業(yè)部領(lǐng)導(dǎo)非常重視，在搶修壓縮機(jī)的同時(shí)，將活塞桿斷裂試樣送到華東理工進(jìn)行失效分析，以求找出問題的癥結(jié)所在。 3 宏觀斷口分析簡介 為了準(zhǔn)確評(píng)估活塞桿的斷裂情況，首先對(duì)斷口形貌進(jìn)行了拍攝和特征提取。圖2是根據(jù)斷口形貌繪出的斷裂特征圖。斷裂面的絕大部分都是斷裂面P1，它是引起活塞桿斷裂的主要因素。P1斷裂面可以分為兩個(gè)區(qū)域，A 區(qū)和B 區(qū)。A 區(qū)比較平滑，所占區(qū)域較大，約占P1斷裂面的85%；B 區(qū)相對(duì)粗糙，僅為一細(xì)小的狹長區(qū)域，約占斷面的15%。這表明斷裂從光滑區(qū)域A 開始，

3、在載荷作用下有效承載面積減小，導(dǎo)致應(yīng)力增加，最后瞬時(shí)撕裂，這是典型的疲勞斷口特征。在A 區(qū)上，可觀察到裂紋擴(kuò)展過程中間歇前進(jìn)的貝殼狀線和隱約很細(xì)小的放射線，這些都是典型的疲勞破壞宏觀斷口形貌。因此，可以判定：活塞桿斷裂是由于固有缺陷引起的疲勞斷裂。 二、故障分析斷面分析顯示活塞桿斷裂和其本身的固有缺陷有關(guān)，但這僅僅是一方面的因素，由于本次活塞桿斷裂在從傳力開始的第23道螺紋處，而此處正是螺紋受力較大處，所以有必要對(duì)活塞桿進(jìn)行受力分析。 1. 活塞桿工作載荷分析根據(jù)作用力與反作用力大小相等，方向相反的原理，活塞桿的一端受到來自活塞的綜合活塞力P ，另一端必然受到十字頭銷的反作用力-P ，所以活塞

4、桿是一個(gè)兩力桿件?；钊麠U是曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的一個(gè)重要組成部件。曲柄連桿機(jī)構(gòu)如圖3所示： 壓縮機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，活塞組件和曲柄-連桿機(jī)構(gòu)是在作加速和減速運(yùn)動(dòng)，所以存在慣性力I ?；钊獕嚎s氣體，反過來，氣體對(duì)活塞一樣也有作用力P 。此外，運(yùn)動(dòng)構(gòu)件與氣缸、滑道、軸承之間還有摩擦力R S 。它們的大小分別如下：I=ms r 2(cos+cos2 (1 P=p k F k (2 x i 軸=r（1- cos）+1/（1-（1-2sin 2）1/2） (3 x i 蓋=r（1+ cos）+1/（1-（1-2sin 2）1/2） (4 Pi 壓=（s+s0）/（xi+ s0）m.p s (5Pi 膨=s0/（xi

5、+ s0）m.p d (6 Rs=(0.60.7Nm×60/2 s n (7 P =P+I+ Rs (8式中-曲柄角速度-曲軸半徑和連桿長度之比 F-氣體作用面面積 x i -活塞位移 s-活塞行程s 0-余隙容積的當(dāng)量行程p s p d-該級(jí)的進(jìn)口壓力、出口壓力，其它符號(hào)見圖3所示。由以上分析所見，活塞桿的工作載荷就是該列的綜合活塞力P ，它隨著曲柄轉(zhuǎn)角的變化而變化。此力時(shí)而為壓縮力，時(shí)而為拉伸力，屬于交變載荷。 2 活塞桿和十字頭連接處受力分析十字頭和活塞桿的連接，依靠液壓上緊，可以避免大力矩扳緊，確?；钊麠U的預(yù)緊力。連接部位見圖4所示?；钊麠U斷裂部分直徑為95mm ，連接螺紋為

6、M ，打壓壓力為80Mpa 。這時(shí)活塞桿只受到預(yù)緊力的作用。 當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，活塞桿除了受到預(yù)緊力的作用外，還受到綜合活塞力P 的作用，P 就是活塞桿所承受的工作載荷。圖5綜合地表示出活塞桿和被聯(lián)接件的力與變形的關(guān)系。圖中 F 表示活塞桿螺紋所受到的預(yù)緊力，F(xiàn) 表示壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)活塞桿所受的工作載荷，F(xiàn) 表示被聯(lián)接的壓力部件的剩余預(yù)緊力，F(xiàn) 0表示活塞桿受到的總拉力，c1c2分別是配合件的剛度。由圖5所示： F0=F+ F= F+c1/（c1+c2）*F （9） 為了能更清楚地說明問題，現(xiàn)將問題簡化為工作載荷在0到F 之間變化，這時(shí)螺栓拉力在 F 與F 0之間變化，螺栓的應(yīng)力變幅為（F 0- F

7、 ）/2=0.5*c1/（c1+c2）*F，故應(yīng)滿足應(yīng)力幅的強(qiáng)度條件為：2*c1/（c1+c2）*F/ （d 2）a (10式中 a 為活塞桿螺紋的許用應(yīng)力幅。a 和活塞桿的直徑、螺紋應(yīng)力集中系數(shù)、螺紋制造工藝系數(shù)、螺紋牙受力不均勻系數(shù)有關(guān)。a 體現(xiàn)了活塞桿本身的性能，它充分地體現(xiàn)了活塞桿的制造和設(shè)計(jì)的合理性。問題到這里似乎已經(jīng)得到了解決，因?yàn)檫@完全可以說是活塞桿本身有應(yīng)力集中的敏感點(diǎn)，在活塞桿所受到的交變載荷的作用下疲勞裂紋擴(kuò)展而斷裂，這樣和華東理工的分析結(jié)果是一致的。但由于活塞桿斷裂事故發(fā)生的偶然性和所造成后果的嚴(yán)重性，所以有必要全面考慮造成活塞桿斷裂的可能原因，以杜絕類似事故再次發(fā)生。

8、3 .預(yù)緊力分析根據(jù)螺栓和被聯(lián)結(jié)件變形協(xié)調(diào)條件有1=2 , 而1=(F+F- F /c1、 2=(F- F/c2，最終導(dǎo)出F = F+c2/（c1+c2）*F。由此式可知，如果預(yù)緊力較小的話，將會(huì)在工作載荷F 較大時(shí)使被聯(lián)接件上的剩余預(yù)緊力 F =0，這也可以從圖5上得到體現(xiàn)。F =0會(huì)造成什么后果呢？由螺紋傳動(dòng)原理可知，當(dāng)壓緊螺母2上緊時(shí)，活塞桿受到了拉力，而螺母下的壓力部件1、壓力部件3、十字頭5則受到了壓力。當(dāng)活塞桿受到工作載荷受拉時(shí)，被聯(lián)接件隨之放松，其壓力減小為剩余預(yù)緊力F 。當(dāng)F =0時(shí)，被聯(lián)接件之間將不存在壓力，被連接件1、3、7將相互脫開。 這樣，當(dāng)活塞桿受到壓應(yīng)力即 F 0時(shí)

9、，被聯(lián)結(jié)件會(huì)對(duì)活塞桿造成沖擊，從而加速了活塞桿內(nèi)應(yīng)力集中點(diǎn)裂紋的萌生并迅速擴(kuò)展。 這從現(xiàn)場開機(jī)數(shù)小時(shí)后就機(jī)身振動(dòng)聯(lián)鎖停機(jī)直至活塞桿斷裂可以體現(xiàn)出來。 三、改進(jìn)建議1 嚴(yán)格壓縮機(jī)修理過程的質(zhì)量監(jiān)控，特別對(duì)液壓上緊壓力要嚴(yán)格地達(dá)到80Mpa 。2 由于活塞桿的最大應(yīng)力一定時(shí)，應(yīng)力幅越小，疲勞強(qiáng)度越高。由于應(yīng)力幅（F 0- F ）/2=0.5*c1/（c1+c2）*F，在工作載荷不變的情況下，減少螺栓的剛度可以達(dá)到減少應(yīng)力幅的目的。而c1是彈性模量E 和橫截面積A 的乘積，所以減小螺栓剛度可以部分減少活塞桿的直徑。但這時(shí)所需預(yù)緊力將會(huì)增大，需要重新計(jì)算。3 將十字頭和活塞桿連接結(jié)構(gòu)徹底改掉，活塞桿改為象K601A/B的無螺紋結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)見圖6。參考文獻(xiàn) 1機(jī)械設(shè)計(jì) 高等教育出版社 邱宣懷 主編 2化工機(jī)器 化學(xué)工業(yè)出版社 高慎琴 主編3M-156.9/2.4-22.3氫氣壓縮機(jī)使用說明書作者簡介：施瑞豐，1995年畢業(yè)于華東理工大學(xué)化工過程設(shè)備與機(jī)械專業(yè)，現(xiàn)任重二車間設(shè)備員，工程師批評(píng)批評(píng)批評(píng)批評(píng)批評(píng)毫毫毫毫毫毫毫毫毫毫毫毫毫毫毫毫毫毫毫 哩哩啦啦哩哩啦啦理論哦破哦哦哦哦哦哦哦哦哩哩啦啦哩哩啦啦理論暗暗暗暗暗暗暗暗暗暗將計(jì)就計(jì)將計(jì)就計(jì)經(jīng)濟(jì)批評(píng)批評(píng)哦哦哦哦哦哦哦哦哦哦哦哦哦哦哦哦哦哦哦哦哦哦哦哦哦